高性价比的小水电机电技术优化方案

1949年以前，中国基本不具备制造小水电设备的能力，不得不依赖进口。1949年后，中国的设备制造能力得到了快速的发展，1952年生产了第一台800kW水轮发电机组，1954年生产了10MW机组。目前，中国有80多个厂家可以生产小水电设备，年产量超过4500MW，小水电设备的当地制造满足了全国小水电发展的需要。

1．小型水轮机

中国疆域广大，各地的地形及水能条件千差万别，因而需要有各种型式的水轮机。为了满足小水电的发展需要，实现小水电设备的标准化是非常必要的。为此，中国于1965年开始生产中小型水轮机标准化样机，并先后在1972、1990、1993年颁布了500kW以下水轮机的行业标准。随后还对100kW以下的微型机组进行了系列化生产，与水轮机配套的发电机、调速器和闸门也进行了系列化设计。

以标准图纸生产的产品可以消除错误设计的可能性，减少设计和试验时间。由于标准化设计是以电站的运行情况为基础的，各个方面都由有关专家检验过的，因此生产的设备结构简单、技术先进、运行稳定可靠、主机和辅机设备容易匹配。以有限的形式大量生产零部件，对于降低成本、方便供应、完善服务都有好处。标准化产品的缺点是对有的电站不尽合适，且不一定在最优工况点运行。

根据容量，中国一般将小型水轮机分为两类，即500kW以下的与500～10000kW之间的，主要型式可分为轴流式、混流式和冲击式，500kW以下也有斜击式的。在1990年制定的系列型谱中两大类机组有21种轮转系列、85种不同机组，工作水头2～400m，品种系列都比较齐全，形成了一个完整的体系。1993年一些性能参数更先进的转轮入谱，标志着中国中小水电设备的参数性能已达到了较高的水平。此外，近年来由于计算和模拟技术的发展，在市场经济的推动下，出现了更多性能参数较高的转轮，这些新转轮常常以各研究单位和设备生产厂家的系列编号，并陆续在生产中应用，起到了很好的效果。

2．小型水轮发电机

发电机应该与各种水轮机相匹配，与其他发电机相比，水轮发电机具有转速低、转动惯量大的特点，因而有较大的飞逸转速。小型发电机的飞逸转速一般是额定转速的1．8～2．2倍。在选择发电机时，要考虑的主要参数包括容量、电压、转速、励磁方式和主轴方向等。在选择发电机励磁的方式时，应考虑电网要求的供电质量和建设成本，发电机的励磁设备包括直流励磁设备、无刷励磁、可控硅励磁和双回路绕组电抗器等。一般来说，大机组用前两种励磁方式，而小机组则多用后两种方式。定/转子的绝缘等级多为B/B、B/F。50Hz发电机高压机组的额定电压是10500V或6300V、低压机组是400V，对于60Hz发电机，额定电压为480V。

小型发电机的其他特征还包括通风、润滑及连接方式等，630kW以下机组可用柔性连接，而对于630kW以上机组则采用刚性方式。630kW以下机组可以采用滚珠轴承，若采用自循环轻油润滑的滑动轴承，则一般为开敞式。800kW以上机组有通风槽或封闭的自循环通风系统，这种系统可以装上加热器以防潮。近年来除了出现高效发电机、双支点水轮发电机等很多新产品外，发电机的结构型式起了很大的变化，还出现了发电机定子、转子可同时相对旋转的特殊发电机。

为了提高小型发电机的转速，还常常采用增速器机构。在老电站的改造过程中采用增速器后，虽然可能会增加不到0．5%～1%的能量损耗，但通过使用高转速发电机，可大大降低电站费用，并提高机组效率。增速器的使用寿命一般都在十万小时到几十万小时左右，可以长期可靠地运行，为电站带来更多的经济效益。低水头电站由于通过增速器可以改变传动比，从而使水轮机处于在最优工况，保持高效率运行，并能改善厂房布置设计。

3．微型整装发电机组

微型整装机组的特点是水轮机和发电机结合在一起，便于安装。有些微型整装机组还把控制设备也连接在一起，接上管子就可以发电。一般容量在0．5～100kW范围内，微型整装机组有标准化系列产品。

由于微型整装机组有安装方便、造价低廉、便于维护等优点，在早期小水电建设中得到了广泛应用。一方面，微型整装机组很适用于人口比较分散的大电网不易到达的边远地区，由于实行分散方式的农村电气化，因此对微型整装机组有不小的需求。另一方面，出于对生态环境的关注，一些发达国家现在纷纷回过头来，在大电网覆盖区内开始修复过去废弃的电站，或建设新的对周围环境没有多大影响的低水头微型电站，因此微型机组的制造和销售也呈上升势头。

4．调速器

水轮机调速器可以用来操作和控制发电机组以满足各种不同的运行要求。中小型的调速器与大型的有较大区别，首先中小型水电站一般是径流式的，在网内担任基荷，调速器的主要功能不是调节转速而是调节出力。其次，中小型电站的设计没有像大电站那样复杂，如在使用长输水管道时，在首部往往没有调压室等。

目前，中国小型调速器已按标准化生产，其调节功有8个种类：即3000、1800、1000、 600、 300、 150、 75、35kg·m，，并根据容量的不同可分为微型和小型两种，微型的有4种型号：TT35、TT75、TT150和TT300，它们都是电动液压型，压力直接来自油泵。小型调速器有YT3000、YT6000 等，它们是带有压力油罐的。除了小型机调外，近年来新的微机调速器在小水电站得到了应用。

此外，对于在电网中负担基荷的小水电机组，由于其不需要调频，可取消结构复杂、价格昂贵的调速器，用维护运行费用低的弹簧蓄能电手动或液压操作器代替。当机组操作电源消失时，可利用弹簧蓄能自动关闭水轮机，且能实现分段关闭。

5．调压阀(www.xing528.com)

水电站长压力引水隧洞的∑LV：H大于15~30时，一般需设置调压井，但调压井土建工程量较大，工期较长，还需要有合适的地形。小水电站采用调压阀取代调压井，可以节约投资，缩短工期。调压阀的作用是在机组甩负荷导叶快速关闭时可快速开启，将原通过机组的流量从调压阀排出，待机组关闭后，调压阀再慢慢关闭，使引水系统的流量缓慢变化，防止引水系统压力升高及机组飞车。

6．进水阀

进水阀门包括闸阀、重锤式蝴蝶阀或球阀等。进水阀的作用是在水轮机检查、大修或停机时阻断水流，以避免通过导叶过流及由此引起的空蚀破坏。另外，当导叶失灵时，进水阀可用来关闭水轮机以防止飞逸。进水阀可以手动、电动或按要求由水力驱动。过去小水电机组的进水阀主要采用电手动碟阀、球阀或闸阀，当机组出现故障时，由于厂用电不可靠，往往不能自动关闭。为了克服这个缺点，近年来开发了重锤式碟阀、球阀，依靠重锤实行自动关闭，且关闭时间可调，动作可靠，并能实现分段关闭，防止引水系统压力过高，同时还可快速关闭，防止飞车。

7．电控设备

根据用户要求，控制柜可以是开敞和封闭式结构，可以是固定的，也可以是带有开关设备的车厢型的。总的来说，低压机组的主要断路器是空气断路器。控制柜也可以安装不同的延时和测量仪器，以便在正常运行和事故发生时对系统进行保护和检测。另外，同步并网设备和报警系统也可附在控制柜内。近年来电控设备的品种有了很多变化，以适应无人值守的需要。

如机组自动控制系统，由于计算机的普及，该系统可实现自动控制，并具有运行可靠性高，设计、维护、安装工作量小，占地面积少的优点，是小水电机组少人值守的理想设备，其主要功能有按单机和并网运行方式。单机运行方式可使机组按给定的频率和给定的电压运行，机组可进行自动准同期并网，可按前池水位变化运行，机组具有过电流、过电压、过负荷、欠电压、过速、低频、技术供水中断、轴承温度过高等保护功能。1996年以来通过国际小水电中心引进加拿大无人值守控制系统，它是一种造价低廉、性能较好的新产品，已执行了三期项目文件，在中国农村电力系统得到了应用，并正在逐渐由中国向其他发展中国家转移。

8．农村地方电网设备

（1）节能型变压器。目前农村电网中高耗能变压器使用量还很大，早期经科研人员及有关厂家的努力，相继开发出了S7、S9系列节能型变压器。为了满足农村电网调压需要，还开发出了SZ7（SZL7）、SZ9系列有载调压变压器，进行分级调压，以达到稳定次级电压的目的，提高供电质量，保证用电设备的安全性。

（2）10kV柱上油重合器。10kV柱上油重合器是结合中国农村电网的特点研制成功的一种无需外界操作电源，能够按照预先设定的操作程序进行故障电流分断和重新合闸的设备。若故障属暂时的，则可重新合闸成功；若故障是永久性的，则再次分闸。该重合器适应中国农村电网改造的需要，使农村变电站向户外式、小型化、低造价、安全可靠和技术先进等方向发展，一般安装在变电所的构架上，作为10kV的出线头，本身具有控制和保护功能。

（3）SF6断路器。在农村35kV、10kV电压等级的电网中，SF6开关是目前性能较好的设备，SF6断路器采用SF6气体作为灭弧介质绝缘，其性能优异，额定参数高，使用寿命和不检修周期可长达10年，且没有火灾危险，可大大提高电力系统可靠性。特别是10kV、SF6断路器体积小巧，占地面积较少，可大幅降低工程造价。

（4）组合式微机集控台。农村35kV、110kV变电站组合式微机集控台将控制、保护、中央信号和测量汇成一体，改变了传统的电磁式屏柜拼装结构。控制台通过I/O接口采集断路器和隔离开关的状态及电站运行参数，处理后输出有关指令，通过通信接口实现遥测、远程通信和遥控。随着计算机和信息技术的发展，还不断出现一些更新换代产品，在小水电行业中得到了推广应用。

（5）地方电网SCADA系统。随着小水电的发展，小水电站相继并网，形成了由小水电站和用户组成的农村电网，农村电网需要有一个可靠的实时调度管理中心，建立以计算机监控为基础的调度自动化系统是实现这一目标的技术途径。调度自动系统从硬件角度可分为主站MS，通信传输设备，远方终端RTU。主站是人机联系最直接的设备，远方终端用于与电站及变电站联系，通信传输设备是MS与RTU之间信息交换的通道。现在，这种系统的很多功能通过芯片固化在计算机中，出现了技术更加先进可靠的新产品。

（6）模式化变电站。模式化变电站以户外型为主，一次设备采用小型高性能开关电器设备、节能变压器等。二次设备以微机集控台为主，改变传统柜屏模式，减少户内、户外设备的占地面积，节省土建投资。由于集控台等为成套设备，其二次设计非常简单，仅提供接口设计就行，其余均由工厂完成成套设计制作。在现场安装调试时间也很短，维护工作量小。因此，小型化户外式模式变电站是今后的发展方向。

9．水工金属结构产品

如链式清污机、自动水力清污机、自动水位控制闸门、水力控制闸门等。使用自动清污机，可以降低运行维护费用，提高电站运行的可靠性，而且造价不高，很值得推广。对于电站水头损失来说，拦污栅前后水位差20～30cm是很常见的事情，但对低水头水电站而言，2%～3%的效率提高就非常不容易。因此，采用自动清污机将成为低水头电站安全，高效运行的一个重要措施。

以上高性价比机电新技术的逐步推广形成了一种参数先进、价格合理、运行可靠、维护方便的新的小水电行业技术，而且由于机电产品的更新换代非常快，这些技术还在不断创新之中，它将不断地促进中国小水电的发展。