水电站电气设计研究论文

作者简介：何璐（1981-），女，硕士，高级工程师，研究方向为水电厂电气设计。今天小编给大家找来了《水电站电气设计研究论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

水电站电气设计研究论文 篇1：

水电站电气的优化设计措施探讨

摘 要：在全面倡导节能环保的背景之下，许多新能源得以开发利用，并在多个发展领域得到推广和应用。当前的电力行业也逐渐朝着节能化的方向发展，利用新能源的开发，来缓解火力发电所带来的环境压力。水力发电充分利用水资源，创造巨大经济价值，对社会发展具有重要的推动作用。文章围绕水利发电，对水电站的电气设计进行分析，提出有效的优化办法，进而推动水电站的发展。

关键词：水电站；优化设计；相关措施

前言：面对着严峻的环境形势，可再生、无污染的新型能源逐渐受到电力行业发展的青睐。水资源的有效利用，是电力行业可持续发展的新方向。水电站在电力工程当中发挥重要的作用。水电站是综合性的发电工程设施，有效的将水能转换为电能，为社会生产生活用电提供有力的保障。为了水电站平稳有序的运行下去，水电站的优化设计是十分必要的，对推动水电事业的可持续发展具有重要的意义。

1.水电站电气发展现状

我国的水电事业近年来发展迅速，已经形成一定的规模，成为火力发电以外最重要的发电形式。利用我国丰富的水资源，有效应对能源危机的问题。水电站由水库、引水系统以及发电系统组成，对水资源进行循环利用，因此水电资源是可再生的清洁型能源，极大的提升了资源的利用率，对水电事业的可持续发展具有重要的意义。水电事业正在蓬勃的发展起来，许多大型水电站在水资源的开发与利用方面处于世界先进水平。三峡水电站、葛洲坝水电站以及刘家峡水电站是我国最具代表性的大型水利发电站，其总装机容量以及年发电量居于世界前列。水电站电气设备的研发与创新有了很大的进步。水利发电量占据总发电量的比例也在不断提升，成为仅次于火电的第二大发电形式。因此，水电站电气的优化设计的重要性逐渐凸显出来，对加强水电站的建设以及水资源的开发和利用具有重要的作用，更好的为社会生产生活服务[1]。

2.一次电气设备的合理优化

水电站电气一次设备的功能包括升压变电以及发电，变压器和发电机就是最主要的一次电气设备，优化设计就是针对两种类型设备存在的缺陷和不足进行完善和改进，从多个方面入手，对水电站电气一次设备进行全面的优化。

2.1发电机和变压器

发动机和变压器是水电站最主要的一次电气设备，二者之间的连接只需要通过简单的变组单元连接线。如果连接线出口的安全性不足，发电机和变压器会由于强电压而造成一定的损坏。因此发电机和变压器两种电气设备需要进行优化设计。安装断路器，提高连接线出口的安全性。要选择运行可靠性更高的断路器，以保证电气设备运行的稳定性。当前一般采用真空断路器，稳定性和可靠性高，能够有效维护发动机和变压器设备。另外，发电机需要与地面接触，而变压器则根据实际情况，尽量与地面接触。发电机和变压器之间的连接线要选择离相封闭母线以保证电力传输的安全性[2]。

2.2电气接线

水电站一次电气设备之间的布线优化是十分重要的，接线的质量安全在很大程度上决定着整个电气设备的输电安全。根据电力供应的实际需要对水电站一次电气设备的电气设备进行合理的设计。首先，各条接线线路以不同的颜色进行区分，为电气接线检查提供方便。当发生老化和损坏时，能够及时的发现损坏的位置，并及时的进行修缮。其次，对接线的分布要进行合理的设计，接线之间保持一定的距离，防止发生缠绕，对电流的稳定性造成一定的影响，对电气设备会造成一定的损害。一旦接线的绝缘表面发生破损，内部的金属线路相互接触，会发生短路，瞬间会产生巨大的电流，给发电机和变压器造成严重的损坏。第三，对电气接线进行定期检查和维护，以保证水电站电气一次设备的安全运行。

2.3快速闸门控制回路

快速闸门控制回路的优化设计，对保证水电站电气机组的安全性具有重要的作用。快速闸门控制回路主要应用于进水口的设计，合理设计手动闸门接点，主要以二次电缆通道设计为主。利用二次电缆通道，能够有效对电气机组进行有效的监控，避免发生进水口的快速落门。除了二次电缆通道的设计之外，对监控系统与水坝之间的光纤需要进行有效的设计。首先将电磁阀的线圈内阻限制在较低的范围内，避免电气运行系统发生霉断。其次，电气设备机组与进水口之间需要连接电缆，电缆的长度决定着进水口快速门能否有效实现对电气机组的保护，一般情况下，电缆的长度不低于1km。第三，相关工作人员应该加强安全意识，对电缆通道的设计以及光纤的设计重视起来，严格进行监督检查，避免安全事故的发生。

3.二次电气设备的合理优化

水电站电气二次设备主要以电源系统、计算机监控系统、机组保护、辅机控制设备以及相关自动装置为主，电气二次设备的优化设计包括直流电源优化、交流电源优化以及计算机监控系统优化。

3.1电源设备

出于电气设备进行检测和维护的需要，水电站可以应用直流电源，与此同时，直流电源在一定程度上起到了备用电池的作用，以应对不时之需。一般所选取单母线直流电源，单组充电电池和单组蓄电池装配在直流母线上，并安装相应的监控装置，对直流电源的运行进行实时的监控。

在安装直流电源的基础之上，同时需要进行交流电源的安装，在电力供应当中发挥着重要的作用，因此交流电源的优化是十分必要的。交流电源与二次电气设备之间要安装无触点开关，能够在发生紧急情况时，及时的断开开关，更换备用电源，该过程需要的在短时间内完成。值得注意的是，开关断开的同时，要关闭交流电源，以保证备用直流电源的正常使用[3]。

3.2计算机监控系统

水电站电气二次设备当中，计算机监控系统起到了关键的作用。计算机监控系统的应用促进了水电站的现代化发展。电站控制级和限制控制单元级是监控系统的主要构成，其主要功能是对水电站电气设备进行有效的监控，保障水电站整体的安全运行，同时为电气机组进行有效的保护。利用计算机信息系统，发挥监控系统的重要作用。当某项电力数据超过了标准，监控系统能够及时的发出警示信号，能够快速的对电气设备故障予以解决。水电站计算机监控系统配置有远程通信系统、操作和控制系统、GPS定位系统。根据水轮发电机组的实际需要，优化计算机监控系统的配置，保证电气设备机组的安全运行，对通信系统和报警系统进行完善和改进，以配合监控系统的工作，保证通讯的畅通，实时获取水电站的运行数据，使水电站电气设备机组能够安全平稳的运行[4]。

结论：水利发电是节能环保的背景下所诞生的新兴发电形式，充分利用水资源，对严峻的能源危机和环境压力予以有效的缓解。当前，水电站正呈现规模化的发展，充分利用丰富的水资源储备这一优势，在环境和经济的不同层面，都创造了巨大的社会价值。水电站的一次电气设备和二次电气设备进行合理的优化设计，极大的推动了水电站的自动化发展，水利发电有着很大的进步空间。经过电气优化设计的水电站，将会为社会生产创造更大的价值。

参考文献

[1]崔领谦.水电站电气优化设计的几点思考[J].水科学与工程技术，2013，03：68-70.

[2]钟亚平.水电站电气设计问题的探讨[J].硅谷，2014，03：159+142.

[3]陈英婕.水电站计算机监控系统的研究[D].河北工业大学，2007.

[4]孙煜.小型水电站计算机监控系统设计[D].内蒙古大学，2013.

作者：张勇

水电站电气设计研究论文 篇2：

水电站发变组单元接线变压器保护配置研究

作者简介：何璐 （1981-），女，硕士，高级工程师，研究方向为水电厂电气设计。

摘要：结合部分水电站电气主接线型式，本文对受穿越功率或送出影响的水电站，装机容量不大的主变压器接入高电压等级电力系统时，主变压器保护的配置需要考虑的问题进行了分析;另外对受到枢纽布置影响，当主变高压侧电缆敷设长度过长时，需要在主变高压侧增设短电缆保护进行了分析，为后续水电站有类似情况的主变压器继电保护系统设计提供借鉴。

关键词：水电站  主变压器  纵差保护  整定值

变压器作为水电站中重要的电气设备，它的安全运行是保证水电站提供高质量连续电力的必要条件。由于水电站一般地处偏僻，远离负荷中心，其接入系统的设计受水电站所处区域、送出的规模、穿越功率等条件限制[1]，某些电站虽然装机容量不大，但可能接入330kV及以上高电压等级电网，某些水电站由于枢纽布置的影响，主变高压侧至升压站之间会有超过600m的高压电缆等，这些因素都对发变组单元接线型式的变压器主保护的配置产生影响。

本文针对以上提出的情况，对水电站的发变组单元接线型式下的变压器保护的配置方案进行分析研究。

1变压器差动保护启动电流整定值的影响

某水电站发电机单机容量为250MW，变压器容量为270MVA，电压比为550/15.75kV，全厂共3台机，发变组采用单元接线接入500kV系统，开关站采用3/2接线型式，主变各侧电流互感器的配置如表1所示，可选择的保护配置方式如图1所示。根据主接线型式，变压器主保护可采用两种配置方案：（1）主变差动保护;（2）主变差动保护+小区保护。两种主保护配置方案的主要区别为变压器主保护范围是否包括主变高压侧至3/2断路器区域。

对于第一种主保护配置方案，变压器差动保护输入的电流为主变低压侧电流、3/2断路器QF1侧电流及3/2断路器QF2侧电流[2]。此方案接线简单，没有死区，采用的保护装置数量最少，仅为双重化的主变保护装置。这种保护配置方案，如果是设置在装机容量较大，机组接入的升压站没有穿越功率的情况下是可行的，但是由于本站有较大的穿越功率，3/2串内电流互感器的变比高达4000/1A，如采用第一种主保护配置方案，实际中将不可行，具体分析如下：

变压器的额定容量Sn为270MVA，主变高压侧电压等级为550kV，低压侧为15.75kV，因此主变高压侧的二次额定电流Inh===0.07A，主变低压侧二次额定电流为Inl===0.66A。根據DL/T 684 《大型发电机变压器保护整定计算导则》中的规定，变压器纵差保护的最小动作电流的整定值，在工程实用整定计算中可选取为Iop=（0.3～0.6）Ie，其中Ie为变压器基准侧二次额定电流。以变压器高压侧为基准侧，则启动值可设定为Iop=0.4Ie=0.4×0.07=0.03A。

参考主要的继电保护生产厂商的变压器保护装置说明书，其启动电流的最小整定值一般要求大于0.05A，且如果定值设定的过小，由于装置的零漂或者电流互感器的测量误差等都有可能引起保护装置的误动作，因此这种方案将不可行。

通过以上的分析可以得出，主变高压侧采用的电流互感器一次额定电流与主变高压侧的额定电流相差过大是造成保护配置方案不可行的主要原因。主变高压侧额定电流为Inh==283A，输入保护装置的主变高压侧电流互感器的一次额定电流为4000A，相差14倍，而变压器差动保护的启动电流是根据变压器基准侧的二次额定电流的百分比确定的，二次额定电流过小，保护装置的定值就不能设定为一个合理的范围内[3-6]。但由于本站有较大的穿越功率，升压站3/2 串内电流互感器，不仅需要考虑本站主变输入的电流，同时也要考虑穿越功率产生的负荷电流，电流互感器一次额定电流的选择本身就要考虑可能流过的最大负荷电流，因此也不可能为了满足变压器保护定值设定的要求而降低电流互感器的一次额定电流，在这种情况下，主变差动保护高压侧电流互感器不能采用3/2串内电流互感器，因此也不能采用第一种保护配置方案。

对于第二种保护配置方案，在主变高压侧增设主变差动保护、小区差动保护用TPY级电流互感器，将保护范围划分为主变与小区两个部分，变压器压器差动保护输入的电流为主变低压侧电流、主变高压侧电流，高压侧电流互感器的一次额定电流为1000A。这种接线型式下，主变高压侧的二次额定电流Inh===0.28A，变压器纵差保护的最小动作电流的整定值为Iop=0.4Ie=0.4×0.28=0.11A，可以满足保护装置的最小整定范围的要求。对于增设的主变高压侧的小区保护，输入的各侧电流的变比差距在4倍以内，也可以满足小区保护对互感器的参数要求。

2枢纽布置的影响

某些水电站并不存在较大的穿越功率，但是在实际的变压器保护配置中，由于枢纽布置的原因等，也需要考虑增设主变高压侧的小区保护。

如某水电站发变组单元接线，经5回330kV出线接入1km以外的330kV汇集站，主变高压侧设置有断路器。常规设计中，发变组单元接线+线变组出线的电站，只需要配置变压器保护和线路保护，即按照图2中（1）图所示方案配置。但由于此电站为地下厂房，主变压器布置在地下母线洞室内，330kV出线断路器设置在地面出线站，主变高压侧至出线断路器间的高压电缆敷设长度为800m左右。如果按照图2中（1）图的配置方案，主变保护相关的交流电流回路、跳闸回路等二次电缆的敷设长度将超过1km，虽然可以通过增大电缆截面的方式减小影响，但是存在信号衰减的风险。另外参考NB/T 35010《水力发电厂继电保护设计规范》中对超过600m的联络线要求配置独立的主保护，主保护宜采用光纤纵联差动保护的规定，此电站的保护配置宜按照图2中（2）图所示配置，即配置主变保护+短电缆保护+线路保护，在主变高压側至出线断路器间增设光纤差动的短电缆保护，分别在主变洞及出线平台设置短电缆保护屏，交流电流回路及跳闸回路等就近接入保护装置，两台装置之间通过光缆通道构成差动保护，避免信号衰减等风险造成保护误动或者拒动。

3结语

结合部分水电站电气主接线型式，本文对受穿越功率或送出影响的水电站，装机容量不大的主变压器接入高电压等级电力系统时，主变压器保护的配置需要考虑的问题进行了分析;另外对受到枢纽布置影响，当主变高压侧电缆敷设长度过长时，需要在主变高压侧增设短电缆保护进行了分析，为后续水电站有类似情况的主变压器继电保护系统设计提供借鉴。

参考文献

[1] 王猛.小型水电站并网方案的设计与研究[J].电工技术，2019（19）：60-61，81.

[2] 李应文，刘涛，裴东良，等.1000 kV特高压主变压器差动保护配置分析[J].电力科学与技术学报，2017，32（3）：106-113.

[3] 张明昊，何志江.变压器继电保护整定分析[J].电力系统装备，2021（5）：64-66.

[4] 叶志军，于旺，郑荣显，等.变压器空充下的励磁涌流二次谐波特性分析[J].电力系统自动化，2020，44（24）：145-150.

[5] 贺丽君，欧中杰.某发电站变压器纵联差动保护动作原因分析及整改措施[J].电工技术，2021（3）：87-88，91.

[6] 陈玉.基于输电线路暂态分量的快速距离保护原理及应用[D].武汉：华中科技大学，2019.

作者：何璐 张振 张超 司青花

水电站电气设计研究论文 篇3：

高职院校《水电站电气一次部分设计》课程改革探讨

摘 要： 本文以“水电站电气一次部分设计”这门课程为例深入探讨课程改革方法，详细介绍了课程定位、教学改革、考试改革的具体方法，提高学生电气设计的工作能力，符合职业岗位的工作要求。

关键词： 《水电站电气一次部分设计》 教学改革 考试改革

1.课程定位

1.1职业能力分析

任何岗位都有相应的岗位职责要求，一定的职业能力则是胜任某种职业岗位的必要条件。职业能力是人的发展和创造的基础。高等职业教育就是一种能有效促进职业能力发展和提高的教育形式。[1]

《水电站电气一次部分设计》是电力系统自动化技术专业的专业学习领域课程，是机电设计员岗位证书课程。本课程的作用是培养学生掌握电力系统中电气设备的基本性能、机电初步电气设计技能，能运用设计手册、规程规范等资料完成机电电气初步设计工作。根据电气一次设计任务的工作过程，得到对应的典型工作任务，并且分析归纳每个典型工作任务所需具备的职业能力。

表1 工作任务与职业能力分析表

1.2课程目标

根据上述典型工作任务及职业能力，以小型水电站为依托，分析得到本课程教学目标如下：

1.2.1知识目标：掌握电气设备的基本作用及使用范围；掌握电气主接线和自用电接线的分析设计方法及步骤；具有短路电流的计算能力和电气设备的选择能力；具有配电装置的设计能力；具有防雷接地系统设计的能力。

1.2.2能力目标：能完成小型水电站电气主接线的设计；能完成小型水电站自用电的设计；能完成小型水电站电气设备的选型；能完成小型水电站总体布置设计、屋内外配电装置的布置设计；能完成小型水电站防雷接地系统的设计；会编制小型水电站设计相关文件。

1.2.3素质目标：使学生具有勇于创新、敬业乐业的精神；具有良好的团队协作能力、协调沟通能力；具有较强的语言表达能力。

2.教学改革

2.1教学内容的选取

本课程突破了以往理论教学与实践分开进行的常规模式，将理论教学与实践教学相互穿插、同步展开、并列进行。[2]本课程以电气一次设计工作过程为导向；以真实的设计案例为载体；以学生为主体，组建设计小组实施教学。根据典型工作任务及培养目标，本课程选取了电气一次主接线设计、自用电设计、短路电流计算、电气设备选型设计、配电装置布置设计和水电站防雷接地系统设计六个学习情境。这六个学期情境是同一工作过程的六个步骤，属于递进关系。

表2 学习情境设计表

2.2教学组织与实施

本课程属于我院电力系统自动化技术专业的学习领域课程。1998年马歌德堡大学巴德（Bader）教授及慕尼黑大学斯洛安讷（Sloane）教授通过两个典型试验，[3]进一步细化学习领域课程的开发方案，其目的在于对以要素形式、结构取向和认知复制构成的传统课程模式进行改革，强调高新技术条件下与工作过程有关的隐形知识——经验的重要地位，同时强调学科体系知识不应通过灌输而应由学生在学习过程的“行动”中自我构建而得。工作过程导向是“学习领域”课程方案的基础，通过具体的“学习情境”实施，具有整体性、合作性、个性化的特点。[4]因此，本课程以工作过程为导向，以学生为中心，强调师生互动，重视能力和职业素养的培养。选取实际设计案例，按照真实电气设计工作流程组织教学，采用新四步教学法，即资讯、计划与决策、实施、检查与评价四个环节实施教学。同时，为配合学生的自主学习编写了本课程对应的任务单、学习工作单及评价表，其中的任务单和学习工作单就是引导课文。引导文教学法是指借助引导文，通过学习者对学习性工作过程的自行控制，引导学生独立进行学习性工作的教学方法。它有助于学生关键能力的培养。[4]

第一步资讯：获取信息。教师下发任务单和学习工作单，学生通过任务单了解任务要求，获得有关工作目标的整体印象，通过学习工作单里的提示性问题理解学习性工作任务的要求、组成和各部分之间的关联。例如在“电气主接线设计”学习情境中，因为学生在之前的课程中并未接触过电气一次设备的相关知识，所以首先要求学生在教师和任务单的引导下完成我院模拟电站的电气主接线图上各元件图形符号的识别，通过查阅资料，了解各电气一次设备的作用及工作原理。在此基础之上，进一步掌握电气主接线形式及设计的相关方法。

第二步计划与决策：学生自主完成工作过程的设计，完成人员分工，采用小组讨论法确定具体工作步骤并拟订工作计划。教师主要起引导作用，并找出学生工作计划中的缺陷，明确知识的欠缺，及时通过教学进行补充。

第三步实施：由学生独立开展工作，教师只在发现错误时才提供指导和帮助。例如在“电气设备选型设计”学习情境中，往往由于学生所使用的设计手册比较陈旧等原因，导致其所选设备可能是已淘汰产品，此时教师应提示并指导学生关注设计的技术先进性。

第四步检查与评价：学生以小组为单位编写好设计文件，并用PPT汇报实施过程及设计结果，并对设计任务的实施进行自评、填写评价表。教师再组织小组间互评。最后，教师提问考核，提出不足及改进意见。

3.考试改革

本课程考核方式打破以往在学期末单纯用试卷评价的方式，改为采用“应知+应会”相结合的方法，应知部分考核采取题库抽题形式，题目含单选、多选、是非、技能题，所占比重为50%；应会部分占50%，考核以过程考核为主，采取口试、汇报等多样灵活的考核形式。

表3 考核方式与成绩比例

参考文献：

[1]陈芳，李付亮.“电气原理图识读”课程教学改革初探[J].中国电力教育，2010（28）：106-107.

[2]王春民.《水电站电气一次部分》工学结合课程特色[J].教育教学论坛，2012（01）：234-235.

[3]Bader，R/Sloane，P.F.E.：Lernfeldern-Theoretische Analysen und Gestaltungsansaetze zum Lernfeldkonzept，Eusl-Verlag，Markt Schwaben，2000.

[4]姜大源.当代德国职业教育主流教学思想研究[M].北京：清华大学出版社，2007.

作者：向敏