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1、1400V 低压机组少人值班自动化控制系统卢任文 （湖南长沙 华自科技股份有限公司 410205 ）【摘要】为了提高 400V 低压机组水电站的技术水平，达到少人值班的运行模式，本文从设备组成、计算机技术的应用及通讯网络的选择等方面，叙述如何提高 400V 低压机组少人值班自动化控制水平。 图 6 幅。【关键词】低压机组 少人值班 一拖三 通讯网络一、中国农村小水电的概况我国是小水电资源十分丰富的国家, 全国小水电可开发的装机容量约为 1.2 亿 kW 左右, 居世界第一位，而且分布十分广泛, 这些小水电分布在全国 1600 多个山区县。适合广大农村地区和偏远山区因地制宜开发利用, 既发展了地
2、方经济 , 解决当地人民用电困难的问题, 又给投资人带来一定的效益回报。农村水电被中国亿万农民称作改善生活、点亮山区的“夜明珠” 。近年来，中国重点实施农村水电增效扩容改造、小水电代燃料、水电新农村电气化县建设等三项工程。目前，全国已建成农村水电站.8 万多座，装机容量万千瓦，年发电量亿千瓦时，涉及全国地域、县市和的人口。但是，投产发电的水电站多建成在上世纪的 6080 年代，在 4.8 万多座水电站中，有7580以上都是小容量的 400V 低压机组，许多电站已经运行了 30 年以上，基本没有进行过设备的更新维护和技术改造，电站设施、设备老化严重，安全隐患突出，直接威胁电站周围及下游群众生命财
3、产安全。为此，采用增效扩容改造是农村水电转变发展方式的重要举措，在促进节能减排，消除安全隐患，改善生态环境，巩固和扩大农村水电发展成果等方面都具有十分重要的意义。在小水电的增效扩容的改造中，采用现代自动化控制技术，提高国内小水电站的技术水平，是一项重要的增效扩容改造的措施。2012 年,水利部提出将继续建设“民生水电、平安水电、绿色水电、和谐水电” 。抓住发展机遇，推进农村水电工作迈上新的台阶。二、低压机组容量的分类400V 低压机组单机容量都在 800kW 以下，其容量系列为：800kW、630kW、500kW、400kW、320kW、200kW、150kW 、100kW、75kW、50kW
4、 、40kW、30kW、25kW、20kW、15kW、10kW、5kW 等等。由于我国水利部行业标准将容量在 5 万 kW 以下的水电站称为小型水电站，我们只好将 400V 的小小型水电站再进行细分。我们可以分成三种类型分别来谈它们的自动化控制技术。1、75kW 及其以下容量的微型水电站微型水电站适用于偏远山区，利用小河沟水力资源发电，用于照明、烧水做饭、各种电器用电，而且，机组采用卧式结构，可配皮带轮，还可直接用于带动打米机、粉碎机等各种动力加工，是农村致富好门路！这种水能发电机容量小，造价低廉，适用于家庭、小牧场、流动施工的小型单位等用户，一般都是安装一台水能发电机，采用孤网运行，用户直接
5、使用 400V（230V），不用升压变压器，电网的输电距离在 13 公里左右。2、100kW 320kW 的特小型水电站特小型水电站适用于村庄、边远山区的居民点，可以单机运行，也可以是几台发电机并网运行，可以是孤网运行，也可以并入大电网运行。一般升压到 1 万伏，送电距离可以达 510 公里。23、400kW 800kW 的小小型水电站小小型水电站装机容量较大，一般都是升压到 10kV 或 35kV 并入大电网。各种微型、特小型和小小型的小型水电站，由于使用范围、投资大小、水力资源的情况不同，它们的自动控制系统要求也各不相同。其中，500kW 以下的水电站还可以组成箱式小水电站，把全部设备，包
6、括水轮发电机在内，都安装在一个集装箱中，这样，使用、安装、维护都很方便。三、励磁系统的选择微型水电站的发电机有二种励磁方式。一种是采用永磁的转子，另一种是采用 3 次谐波励磁。永磁发电机用第三代稀土永磁钕铁硼，其磁能积相当于铁氧体的十倍，永磁体替代普通发电机的励磁，省去电刷滑环，结构简单可靠，无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁磁体和铁心固定成为一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。 而其良好的负载性能,不论是“电感性、电容性负载,还是电阻性负载”, 其电压波形与空载基本一致，几乎无失真,克服了电励磁发电机带负载后波形会产生畸变的不
7、足。三次谐波励磁发电机的结构简单，使用方便，这种发电机在单机孤网运行时，还是不错的，在单机运行时有自动恒压的功能，调压率一般为 58，在负载突变的动态过程中，能自动维持 UF于一定水平。但是不能多台同网运行，尤其是并网困难。其基本结构可参看图 1，有些发电机是无刷励磁系统，有些发电机是有刷励磁系统，在小容量发电机中，有不少的使用。在特小型和小型水电站中，除了采用三次谐波励磁装置外、还有电抗器移相式相复励励磁装置、电容器移相式相复励励磁装置、磁耦合电抗移相式相复励自励恒压装置、可控相复励自励恒压装置、可控硅自励恒压装置、无刷励磁等方式。这些励磁设备大都设备老化，技术落后，由于调节性能差，易引起振
8、荡，不适应机组并网运行，同时其故障较多影响机组安全运行，所以必须加以更新改造为了发电机工作正常，并网顺利，无功调节方便，不使电网发生振荡，无论什么类型的发电机，都可以选择晶闸管励磁技术，采用微机励磁的自并励系统。农村小水电励磁系统的选择与改造，可参看“农村小水电增效扩容的励磁系统改造”一文（ 小水电2012 年第 05 期） 。四、调速器的选择微型水电站由于机组容量小，设备力求简单、可靠，造价便宜，一般都没有安装调速器，只要有水就满发，多余的电量用“假负荷”泄放。为控制水量的多少，大都是在进水口安装一个简易手动闸门，用来粗略地调节进水量。特小型水电站都不会要求调频，但应能够根据负荷的变化调节发
9、电量，故应该安装调速器，但也要考虑节省投资，可以考虑选择 TC 弹簧储能操作器。TC 型操作器由小型电机（黑启动时可用手摇）驱动，经传动机构和蓄能弹簧推动接力器，使机组顺利开机、停机、同步并网、增减负荷、直至发电机稳定运行。开机时，接力器内蓄能弹簧压缩，储蓄能量。当电网发生事故时，按下紧停按钮，图 2 TC 型弹簧储能操作器图 1 三相谐波励磁系统3电磁机构失压，滚轮传动脱扣，机构迅即动作，蓄能弹簧推动接力器按调保计算要求先快后慢自动关机；如在机旁按紧停操纵杆，就同 YT 型调速器手动操作紧停杆一样，导水机构迅即按 调保计算关闭；当接到各类事故信号（包括定子三相短路）自动保护系统动作时均能失压
10、脱扣，自动关机。关机时间可根据不同电站调保计算 要求，在 228 秒内整定。TC 型操作器在无电源的情况下，可手动开机，升压后即改电动操作，而紧急关机则不必手扳，靠蓄能弹簧自动紧急关机。显然，TC 型水轮机操作器除自身无自动调节功能之外，所有功能与小水电普遍采用的 YT 型自动调速器完全一样，而相对于油压突然消失时的自动调速器来说，TC 型操作器更为安全可靠。对于手电两用调速器，由于使用性能差，调节不可靠，同期并网困难，难以保证机组的安全运行，尤其是事故跳闸后，发生甩负荷时，不能安全关闭导叶，使发电机发生飞车事故，虽然造价低廉，我们不推荐使用。小小型水电站由于机组容量较大，要求控制可靠，调节精
11、细，推荐采用 16MPa 高油压的微机调速器。这种调速器采用可编程控制器 PLC 进行调节，运用 PID 比例积分微分的控制规律，控制数字式调节阀，达到完美的控制效果。采用 16MPa 高油压的微机调速器有许多好处，它是采用数字阀来调节的，并采用了高压氮气做储能，可以省去 2 套高压充气泵，而且810 年不用补气，节省了电站的投资，减轻了员工的劳动强度；高压氮气是装在一个橡皮囊中，油气分离，不会污染透平油；数字阀工作在“全开、全关”的工作状态，依靠全开、全关的时间比例控制压力油的流量，对油质要求不高，允许透平油含有 50 的杂质，而采用比例调节阀则要求透平油不超过 2 的杂质。为了节省小水电站
12、的投资，可以考虑采用“一拖三”或“一拖四”的微机调速器方案，其方案示意图可参看图 3。五、保护装置的考虑各种小型水电站的发电机都需要安装一个空气断路器，一般可选择 DW17 系列的断路器。这种断路器都有过流保护，为保证断路器的寿命，断路器的额定容量应选择比发电机的额定容量大 1.31.5 倍。在特小型的水电站中，经变压器升压到 10kV，由于容量小，在高压边可以不安装断路器，而是选择安装高压熔断器做过流保护。400kW 以上的小小型的水电站，高压边应该安装断路器，可以考虑安装微机保护装置，配置过流保护、速断保护、过负荷告警或保护。如果要求较高，可以安装变压器差动保护。对小小型水电站的发电机，应
13、该配置差动保护、过流保护、速断保护、过压保护、低压保护、失磁保护、高频保护、低频保护、定子一点接地 100的保护，转子一点接地和 2 点接地保护等等。采用微机保护装置，这些保护功能只需要 1 台发电机差动保护装置及 1 台发电机后备保护装置即可完成。六、自动控制装置的选择微型水电站没有调速器，为了保证负荷变化时电压的稳定，很多都采用“假负荷”调节功率的办法。假负图 3 一拖三微机调速器图 4 微型发电机负荷的调节4荷容量选择与发电机额定容量相同，采用电炉盘或水阻器作“假负荷”。此时安装一个简易型的可控硅调节器，根据用户用电量的多少，自动调节假负荷消耗功率的大小，以保证用户电压的稳定。示意图可参
14、看图 4。微型水电站和特小型水电站另一种选择是采用箱式整装小水电站。箱式整装小水电站具有建设成本低、施工周期短、运行维护方便、可实现无人值班等特点，非常适合农村偏远山区小水电建设，可解决偏远山区大电网延伸不到的孤立用户的用电需要，适用于 400V 单机容量在 500kW 以下的农村小小水电站使用，国外已能做到单机容量在 1000kW 的箱式整装小水电站。 箱式整装小水电站是一座将所有的发电设备集装在一个金属箱内，并在工厂联调完毕，实现无人值班的一体化电站。现场安装之前仅需要作简单的混凝土基础处理， 与引水钢管和输电设备连接即可发电。其优点是；便于运输和现场快速安装，简化水电站工程设计，减少厂房
15、面积，缩短电站施工期，减少施工对植被的破坏等，非常适合农村偏远山区小水电建设，而且符合国家环保要求。特小型水电站和小小型水电站的水能发电机的自动控制可以选择机电一体化控制屏，以微机控制为主的模式，在机旁安装的低压机组自动控制屏集中了自动操作、手动操作、集中监视，通过常规机械仪表、液晶显示、信号灯等显示电气量，并实行对各机电设备的运行参数进行监视，采用微机机组综合控制器完成机组、主要辅助设备（闸门、阀门等）的操作和调节（调节有功功率和无功功率）、完成机组的紧急停机、自动同期并网、无刷励磁调整等功能。保留手动操作的转换开关（操作把手）、按钮。低压机组自动控制屏把发电机的配电主回路和控制、发电机保护
16、、发电机二次测量、发电机控制、发电机励磁甚至于水轮机自动回路等二次回路的设备有序的安装在同一屏内，简化了设计。控制屏配有常规机械式指针仪表，可完成发电机的三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、频率、发电机励磁电流参数的测量，用电子式电度表完成发电机有无功电量的计量。主配电装置采用 ME 系列万能式空气断路器（也可采用 DW17 空气断路器）， HD13 系列隔离刀闸等。控制屏配备的微机机组综合控制器有微机自动准同期功能，与电动预储能式 ME 系列主开关配合，实现了并网操作的自动化，大大地提高了水电站的自动化程度。励磁部份选用低压无刷励磁调节器，如果不是无刷励磁系统，则需另配微机励磁装置。微机机组综合控制器还具有发电机的保护功能，可以完成过流保护、速断保护、过压保护、低压保护、失磁保护、高频保护、低频保护、定子 100一点接地等等的保护。对于小小型水电站如果需要更高的自动化要求，可以组成计算机控制系统，通过计算机技术的应用，可以对全站的设备进行
