大河口水电站建于滦河上游,水库总库容 2 600万 m3,总装机容量为1 260 kW,是集发电、防洪、供水、灌溉、养鱼、旅游为一体的水利枢纽工程,于 1993 年 8月开工建设,1996 年 8 月竣工。现已运行近 20 年,为本地区的经济发展发挥了巨大作用。
1 存在问题
1. 1 水轮发电机组问题
在当前小水电上网电价较低,小水电站经济效益较差的情况下,电站很少有能力进行水轮机大修及水轮机转轮的更新。机组运行长时间没有经过大修,水轮机导叶间隙过大,在正常停机时漏水严重,使有限的水资源白白浪费,直接影响机组的发电量。发电机部分绝缘老化,转子集电环磨损及碳刷接触不良。大河口水电站两发电机并网于 10 kV 农电网,在设计时并未考虑到 10 kV 电网电压在 ±10 kV 的运行工况。在这种情况下,机组为了并网发电,势必加大励磁电流,使机端电压升高,发电机定子铁芯工作接近饱和状态,电压额定工作点接近或高于发电机空载特性曲线拐点,即使正常运行加大转子励磁电流,机组也很难发出额定无功功率,同时,由于加大了励磁电流使发电机转子发热严重,损耗加大,加快了发电机的绝缘老化,从而使发电机的使用寿命大大缩短。
1. 2 水电站辅助设备部分存在的问题
( 1) 水轮机调速器问题: 大河口水电站水轮发电机组采用的是 YT 型机械液压调速器,由于有机械杠杆间的配合,转动套和针塞间隙的存在及主配压阀搭接量的存在,致使其反应速度慢、灵敏度低,在开、停机及并网过程中时间较长,一般为 3 ~ 10 min 才能并网发电,同时,机组事故甩负荷后,机组易过速飞车,给水轮发电机组造成危害。
机械离心飞摆在工作中,由于转动套间隙及主配压阀搭接量的存在,即使调速器接力器不动,调速器处于动平衡状态时,其工作油压也要被消耗,工作油压不降,工作压油泵就得启动,所以,在调速器不做任何调整时就消耗工作油压,使压油泵频繁启动,这也是该种机械离心飞摆式调速器固有的缺点,同时,也增加了设备的维护量及能源的消耗。针对此种调速器存在问题和缺点分析,有 3 个方面问题需要解决,一是压油泵频繁启动问题; 二是机组失控飞车,开、停机及并网速度慢,机组事故甩负荷易飞车; 三是电站无法实现微机自动化控制。压油泵频繁启动问题是此种调速器固有的缺点,是无法解决的。
油泵频繁启动,对电能的消耗,泵体的磨损以及电接点压力表控制回路的可靠性等,都带来极大的负作用。据统计,调速器压油泵启动最短的时间间隔为 15 min,最长的压油泵启动间隔为 30 min 左右。按照 15 min启动 1 次,则 1 d 要启动 96 次,对电站经济效益以及设备的维护量等都产生极大的负效应。
( 2) 发电机励磁系统存在问题: 大河口水电站发电机组采用的是半导体硅整流方式,即可控硅励磁系统,其存在问题主要有两个方面。控制励磁电流的大小是由“十转电位器”来完成控制的,该电位器经过长期运行磨损,滑头经常接触不良,造成机组开机过程中,励磁系统启励建不了电压,或者造成机组励磁电流无法控制,同时,机组在开机时,发电机建电压的空载点很难掌握,容易产生空载过电压,该种励磁设计有单调差环节,其缺点是无论怎样改变接线,也不能作到励磁调差环节只反应机组的无功分量,所以,当水头波动变化,发电机的励磁电流也跟着变化,使机组的无功不稳定,如果水头发生大的变化时,励磁电流增加很多时,发电机组易过负荷,造成机组甩负荷跳闸。若无调差环节,两机组将争抢无功功率,即某台机组发很多无功,甚至造成过负荷,而另一台机组则发很少的无功,甚至使机组进行相运行,不能很合理分配无功功率,造成整个系统不稳定。
此种励磁方式以模拟信号来完成测量、比较、放大、移相等等一系列控制,没有计算机通讯接口,电站不能实现完全的微机自动化,同时其检修及维护工作量较大。
1. 3 电站电气设备所存在的问题
( 1) 变压器存在的问题: 大河口水电站 2 台主变及 2 台厂 S7 变压器,与现阶段生产的 S9 - S10 系列变压器相差很多。①由于变压器铁芯材质导磁率较低,涡流损耗较大,造成空载损耗较大,发电运行噪声很大,同时其直流电阻较大,致使变压器负载损耗较大。②由于变压器的设计及制造工艺问题,使变压器多处漏油。③经多年温度较高运行,使线圈绝缘老化较快,介质损失试验逐年增大。
( 2) 电气设备开关存在的问题: ①大河口水电站高压开关采用的是 SN。系列高压少油断路器,其开关的操作机构为 CD 型系列,其缺点如下: 维护量大,开关每年都得检修且密封性能差,经常漏 45#绝缘油,规范规定油开关满负荷跳闸 3 次,要求停电检修换油,否则,45#绝缘油变黑碳化后,造成开关爆炸,同时,在开关合闸时,电磁铁的动作电流,对电站的直流系统有较大的冲击,影响电站整体的安全运行。②大河口水电站低压开关多采用 DW10 系列,其合闸机构不灵活,容易发卡,在机构发卡时经常烧毁合闸线圈,其维护量较大。
2 建议和思考
2. 1 水轮发电机组的大修
首先在机组运行过程中尽量避免水轮机导叶在小开度下运行,在开机过程中应加快并网时间,机组并入电网后,导叶开度应在 70% 以上开度运行,当机组出力明显下降时,要及时检查水轮机的气蚀情况,如水轮机气蚀严重,在枯水季节安排机组进行大修。
发电机的集电环运行过程中,如果磁刷打火,说明集电环不平,碳刷接触不好,或碳刷弹簧压紧度不够,应及时进行处理和和调整。同时,要及时清理碳刷粉末及油污,以防止碳刷打火造成引线等燃烧。
2. 2 水电站辅助部分的建议
( 1) 采用微机调速器替代以前的 YT 型机械液压调速器。
( 2) 励磁系统技术改造及发展方向: 目前,发电机励磁系统较为先进的均为可控硅微机励磁系统。①有恒电压/恒电流/恒 COSΦ/恒无功运行方式 4 种选择功能。②有自动调差功能。③有空载过电压保护功能。④有甩负荷自动稳压功能。⑤有低频过励限制功能。⑥有低转速自动截止励磁电流功能。⑦有逆变环节及励磁系统在≤15% 机组额定电压下,就可以自励闭环运行。⑧有计算机控制功能。
3 水电站电气设备技术改造及发展方向
3. 1 变电力变压器
目前,新建电站的变压器均选择了 S9 - S10 系列变压器。此系列变压器有如下特点: ①变压器铁芯选择了高导磁材料,线圈选择较大的导线截面积以及先进的生产工艺,使变压器空载及负载损耗均较小。②变压器的电气绝缘较高,达到“E 级”以上。③变压器体积及噪音小,甚至采用全密封结构等。
3. 2 电气开关设备
针对 10 KV 以下高压少油断路器,建议选用高压真空开关。此开关机械使用寿命 10 000 次,适用于频繁操作,开关整机体积小,操作合闸机构为弹簧储能机构,操作功率小,使用寿命长等优点。对于低压开关,建议选用 ME 或 CW17 开关,该开关克服了 DW10 空气开关所有缺点。