摘要：结合实际本文阐述了小型水电站在增效扩容设计和实施过程中，对水轮发电机和电气设备的改造要同水轮机改造一样予以重视。这不仅关系到增效扩容后电站的综合效益，也关系到今后运行过程中人身和设备的安全。一个好的改造方案不仅能提高经济效益，而且能降低生产成本，减少运行费用，降低劳动强度。
关键词：小型水电站；水轮发电机；增效扩容；改造设计
中图分类号：TV文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1、水轮发电机增效扩容改造的合理选取
增效扩容的水电站大多建于上世纪，由于当时材料、工艺、技术和设计水平的限制，设备经过几十年的运行后，出现发电机绝缘老化、温升高、定子铁心松动、效率下降等问题，影响电站的安全运行。但各个电站由于运行管理水平和生产厂家的技术不同，出现的问题也各不相同，因此需要认真分析，找出主要原因“对症下药”。
1.1 发电机的整体更新
水轮发电机增效扩容最简单的方法是在维持机座不变、转速不变、埋入部件不动的情况下，按照全新的设计整体更换（发电机所有部件），但其一次性投资大，既浪费资金，也浪费公共资源。
由于发电机部件比较多，影响效率和出力的因素也多，如发电机定子铁心、定子绕组、转子绕组、通风冷却装置、推动轴承等。是否对发电机组整体更换应进行综合分析和论证。为此，需要到现场详细了解发电机的运行情况，投产时电站的设计参数和技术水平，以及历年来的重大事故、改造和维修情况，与运行人员一起分析论证，并根据增效扩容的要求，通过全面检测来确定对机组进行局部改造（更换部件），还是整机更换。为了保证水电站运行安全，需整体更换发电机时，应按目前的先进技术进行设计和制造，并满足立式机组现有机墩、埋件不改动的要求。
1.2 定子绕组转子绕组的改造
在发电机增效扩容改造中，要求增容后机组转速保持不变，因此发电机极对数也维持不变。要达到增容的目的，对原定子绕组必须进行改变，增大绕组线规，降低绕组电阻，使绕组电阻发热总量不高于原绕组。同时改变绝缘浸漆工艺，将B级绝缘等级提高到F级，采用新型的耐压高、介质损耗低的绝缘材料，减薄绝缘厚度，为增大线规腾出空间。
定子绕组和转子绕组改为F级绝缘后，仍控制机组温升在B级绝缘水平允许的极限温度内，各项电气安全指标达到设计要求，以保证机组安全可靠运行。通过改造，一般能使发电机在额定条件下增加出力15%～25%。
由于发电机定转子绕组设计制造时均留有一定的裕量，一般在机组增容10%～15%的范围内，定转子绕组可不做变动。如果机组增容幅度较大时，应根据扩容幅度的大小，通过计算确定需要的匝数及绕组截面积，更换定子绕组和转子绕组。
在水轮机增容幅度较大的情况下，由于机墩受限或其他原因不能与增容后的水轮机出力相匹配时，也可以采取更换定转子绕组附加提高机组功率因数的方式来解决。
1.3 通风冷却系统的改造
发电机通风冷却系统的好坏，对发电机温升和扩容也有较大的影响。早期的发电机冷却器和风机由于受当时技术水平的限制，通风冷却系统存在不少弊病，散热效果差、效率低、噪音大，长期运行后会在冷却器内部发生结垢、锈蚀、堵塞等现象，使冷却效果进一步下降，机组温升上升。因此，一般情况下应予更换，并根据机组扩容的最大容量计算冷却容量且留有一定的裕量。
对于小型机组，有的采用自然冷却或通风管的冷却方式，发电机直接与屋外相连通，环境温度对发电机温升有直接影响。特别对于南方地区，在机组停运期间，屋外潮湿空气和小蚊虫进入发电机舱会对发电机绝缘产生影响，对绝缘性能本来就较差的机组，在开机前须先加热驱潮后才能开机运行。对于此类电站建议封堵现有风道改造为冷却器冷却方式，提高冷却效果，保证电机安全运行。
1.4 定子铁心的改造
定子铁心出现故障的几率比较少，其是否更换应进行检测和分析判断。笔者认为对运行年限达到报废年限或有严重缺陷、发生过重大事故、直接影响机组安全可靠运行的机组应予以更换，并建议采用新材料的定子铁心。经检验和论证不需要更换定子铁心的机组，应根据扩容条件，配合定子绕组的改造，改进铁心结构，优化铁心设计，改善冷却条件，重新迭片，更换部分不合格硅钢片。
铁心损耗是发电机电磁损耗的主要部分之一。投产较早的机组定子铁心大多采用热轧硅钢片或有取向冷轧硅钢片，磁滞损耗较大，加之多年运行后铁心松动，绝缘老化，涡流损失增加，在更换时应选用性能优越的高导磁、低损耗的无取向冷轧硅钢片，可使发电机效率进一步提高。
1.5 推力轴承及其它改造
在水轮发电机运行时，推力轴承承受全部的轴向负荷。推力轴承工作性能的好坏，会直接影响水轮发电机能否长期、安全稳定运行。在确定了机组最终容量后，根据新的资料需要复核推力轴承的推力负荷，确定推力负荷能否满足扩容的要求，并根据运行情况综合分析是否需要对推力轴承进行更换或改造。
早期投产的推力轴承大多采用巴氏合金瓦，损耗相对较大，有发生烧瓦、研括时间较长等缺点。目前弹性金属塑料瓦技术成熟，造价不高，已在中小机组中广泛应用，将会逐步取代传统的巴氏合金推力瓦。与巴氏合金瓦相比，弹性金属塑料瓦有摩擦系数小、不需要高压顶起装置、可在低温情况下直接起动等突出的优点，因此，如果现有推力系统被证明故障多，或长期瓦温高无法消除，或推力负荷增加较大而需要更换时，可考虑直接更换为弹性金属塑料瓦，以减少机械损失，提高机组效率，保证安全运行。
2、电气主接线及短路电流的计算复核
2.1 电气主接线
进行增效扩容改造的电站均已运行多年，送出工程及与系统连接地点已经确定，变动的可能性不大，对电站的接入系统不必再进行论证，所以只要现有主接线相对合理，在增效扩容改造中可维持原主接线方案不变，只需根据现行规范和短路电流计算成果，对机组容量进行复核和选择设备即可。对个别电站由于多次修改，改变了原设计的主接线形式，增加或减少了部分设备，改变了布置，形成现有不合理的接线方式，造成重复容量大、损耗高、继电保护复杂、设备配置不合理等，或现有接线方式不适应目前电力系统要求，对这种情况应在设计过程中对主接线方案进行优化比选，同时复核送出线路的输送容量和电压降是否满足增效扩容的要求，复核电站内部电流互感器变比、电气设备动热稳定和开断电流等能否满足要求。基本原则是送出电压等级和接入系统点不改变，否则投入资金会相应增加比较多，浪费比较严重。如果改变了主接线的接线方式或运行方式，涉及到电力系统的计量、保护方式和保护整定值等问题，需要与电力系统调度部门共同协商。
2.2 短路电流
早期投入的水电站当时电力系统容量较小，经过几十年的发展，电力系统的容量大为增加，结构也有很大的变化，网络在不断加强，同时由于发电机的改造，电气参数也会发生变化。因此，有必要根据目前电力系统的参数，或今后5~10年电力系统发展规划和改造后机组的参数，对短路电流进行重新复核计算，依据复核计算结果来复核现有电气设备的开断能力，或重新选择电气设备的型式和参数。一般情况下，严重老化设备、高耗能设备和淘汰设备会随着机组增效扩容一起进行更换，以提高电站运行的安全性，减少维护工作量，增加电站经济效益，保证新更新的电气设备能适应电力系统的发展和长期安全稳定运行。
3、电气设备的选择与布置
35kV设备采用DW6、DW8等系列的多油断路器，或GBC户内型高压开关柜；110kV设备采用SW3、SW6及SW7少油型断路器；变压器采用SLJ1或SF7型等。这些设备是目前国家已明令禁止使用的产品，开断电流小，损耗大，不环保，由于诸多原因长期带病运行，严重影响电站和电网的安全，因此对这些电气设备进行更新换代是十分必要的。
电气设备的选择应按照安全可靠、技术先进、维护简单方便和经济合理的原则进行，并应适应农村水电站的特点。对电气设备应根据增效扩容后的参数和短路电流计算结果来选取，而不应延用旧设备的参数来确定新设备的参数，这样可保证更换的电气设备能适应目前和将来系统发展的要求。
由于设备基础、支架、房间的尺寸和开关站的位置均保持不变，因此在选择电气设备型式时还应考虑这些因素，尽可能多地利用已有基础或仅做小改动。
4、接地系统的检查与修复
水电站接地系统的好坏是关乎人身和设备安全的重要保障。接地电阻值是保证电站安全运行的重要参数，接地系统的设计不但要满足工频短路电流的要求，还要满足雷电冲击电流的要求，但在增效扩容和设备改造过程中，往往忽视了这部分内容。
由于水电站已建成并运行多年，要改造厂房、尾水渠及大坝下方的地下或水下接地网已不可能，只有改造户外开关站的接地网和外引增加接地网面积，或采用其它相应的降阻措施来实现。接地网及接地线截面积的设计应按现行的接地设计规范进行，并复核接能电势和跨步电势是否满足要求。
如果接地网系统良好，接地电阻符合目标值的要求，可以不对接地网进行改造，只需按最新设计规范对暴露于空气中锈蚀严重、接触不良的接地线以及改造设备的接地连接线进行修复。
5、结语
本文结合实例阐述了已建小型水电站的增效扩容改造是一个复杂而系统的工程，需要认真分析，综合考虑电站的整体效益，不仅要重视水轮机的选型，而且也要重视水轮发电机和电气设备的改造，如果发电机和电气设备不能与水轮机增效扩容相适应，将会给电站的安全可靠和经济运行带来隐，也难以真正达到增效扩容的目的。
参考文献：
[1]陈锡芳.水轮发电机改造增容与优化运行[M].北京:中国水利水电出版社,2010.
[2]李经禄.接地装置的运行与改造[M].北京:中国水利水电出版社,2005.