潮汐电站电气设计特点探讨

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【摘 要】潮汐是一种世界性的海平面周期性涨落的现象，这种现象蕴藏的能量可以转变成电能，潮汐能作为一种可再生的洁净的自然能源，在国内外很早就引起了人们的关注，世界各国已建成的潮汐电站有几十座，是一项潜力巨大的事业。本文详细介绍了潮汐电站电气设备选择的特殊性，特殊环境对电气设备的影响及解决方法，潮汐电站机组控制特殊要求，潮汐电站接地特殊要求等，取得一定的研究成果，可为同类电站设计提供参考。

【关键词】潮汐电站 盐雾腐蚀；机组防腐；机组控制

【文献标识码】A

1 概述

我国潮汐能资源丰富，潮汐发电作为可再生能源的一种，有着巨大的发展前景。在全球对人类生存环境愈来愈关注的今天，人们对建设潮汐电站的观念势必会发生改变，因为潮汐发电不需燃料，不会污染环境，更无需淹地、移民，年发电量稳定，取之不尽，用之不竭，其发展前景不可低估。

经过多年来的实践，潮汐电站在工作原理和总体构造上基本成型，即将进入大规模开发利用阶段。中国地处太平洋西岸，潮汐能蕴藏量十分丰富。根据调查统计，中国潮汐能总蕴藏量为1.9亿kW，年发电量2750亿kWh。目前我国潮汐能开发已有40多年的历史，建成并长期运行的电站有8座，总装机容量只有6120kW，可开发潜力巨大。我国的一些沿海地区具有建设大型潮汐电站的资源优势，可开发200kW及以上的潮汐424处，装机容量21790 MW，在潮汐能丰富经济发达的滨海地区如福建、浙江、江苏3省，建立大型潮汐能发电站是大势所趋。

2 潮汐电站电气设备的特殊性

潮汐电站的运行方式和运行环境有别于一般的水电站，需要在电站设计时采取相应的措施，使电气设备能满足潮汐电站的特殊需要。

1）电站一般地处沿海地区，湿度大、盐雾严重，为免使电气设备受潮和开关触头结露，故应采用户内式升压开关站。

2）双向发电的潮汐电站，机组有正、反向发电，正、反向泄水等运行工况，当发电机正、反向发电时，由于发电机转子旋转方向相反，因而发电机电压三相相序也随之正、反向变化。为使并联时取得固定的A、B、C相序，在主变高压侧采用两段母线（上母线为定相母线，下母线为倒相母线），两母线之间安装两组倒相开关，以保证在出线线路上维持固定的A、B、C相序。

3）设置多台机组共同准同期。潮汐电站的特点是机组台数多，在发电工况时，所有机组均需要启动并网，各发电机开关也需要进行同期合闸，由于操作开关数目很多，全部同期需要的时间就较长，这对于一座发电时间较短的潮汐电站来说是个损失，所以要求同期时间尽可能地短。为此，在同期系统中，除设有一般水电站常有的手动准同期和自动准同期外，还设置了多台机组共同准同期。

多台机组共同准同期可以减少同期次数：当进入发电工况时，将全部机组同时启动，并合上发电机开关，在机组低转速下投入发电机手动单元空载励磁，使全部机组在低转速、低电压下自整步为一等效机组，然后通过中压开关用自动准同期方式一次同期并网。

3 环境对电气设备的影响和解决方法

3.1机组防腐防污一般方式

机组防腐防污方案选择原则有：长期有效，至少能保证机组在一次大修期限内得到可靠的保护；便于施工，维护简单，并易于测定；不会污染自然环境，不会影响生态规律；经济上合理。潮汐电站机组防腐防污一般方式有：

1）防腐防污配套漆。把涂料装在与海水接触的流道及机组构件的表面，使被保护面与海水隔离，防止腐蚀的发生。涂料中还能逐渐释放出有毒物质，能杀死海生物，涂料起着防腐和防污的双重作用。

2）外加电流阴极保护。潮汐电站机组在海水中运行，海水是天然的电解质，钢铁本身还有杂质及表面的不均匀性，这样就形成了无数的微电池，产生电化学腐蚀。在这个过程中，阴极不腐蚀，而受到腐蚀的是阳极。如果设法外加一个电流使整个钢铁表面都成为阴极状态，从而抑制微阳极区电子的释放，就可以使钢铁得到保护。

3）牺牲阳极阴极保护。牺牲阳极阴极保护原理是将电位较负的金属或合金连接在被保护的构件上，当浸入电解质溶液时，由于它们之间的电位差产生电流，使被保护的构件阴极化。

4）电解海水系统。海水是一电解质，只需要采用适当的电极、控制适当的电极电位，经电解后可产生氯和次氯酸钠（NaClO），而氯和次氯酸钠是强氧化剂，它能分解附着生物生命所必需的酵素，使附着生物的呼吸系统产生强烈的化学性烧伤。电解海水防污原料广、安全性好、不产生污染且有长效性。

3.2电气设备防腐主要解决方式

潮汐电站在盐雾严重的环境中运行，一些电气设备和自动化元件不能适应运行环境的特殊性，如开关的相间绝缘距离需要增大，这增加了选型难度。因此，只有改变运行环境才能解决问题。除开关站设在户内外，所有安装电气设备的场所应实施全封闭，并有加热、除湿装置，使运行环境得到彻底改善，以满足电气设备的运行要求，使其能正常工作。对于一些特殊设备，设计时可提高其绝缘等级，并用不锈钢壳体封闭，使其与外界环境隔绝，以提高运行的可靠性，为实现潮汐电站无人值班创造条件。

一般的潮汐机组有局部渗漏水现象，可将磁极、定子等结构设计为封闭式，并增大爬电距离，要求主机厂家备品备件整体准备，完全封闭。

3.3输配电线路防盐雾腐蚀

盐雾指悬浮在大气中的气溶液状的Na2O粒子。它的形成主要是因为海风引起海面扰动和涨、落潮时，海水相互间的冲击和海浪拍击海岸，致使很多海浪粒子拖入空中，水分发蒸后，留下一些极小的盐粒，在大气团的平流和紊流交换作用下，这些盐粒在空气中散开来，并随风流动形成沿海地区盐雾。盐雾对电气设备的危害程度主要与沉积在电气设备表面盐粒的多少有关，沉积又与盐雾含量、有无阻隔物、近海或远海等诸多因素有关，其中影响最大的是阻隔物。

除将主要电气设备场所实施全封闭外，对于的输配电线路，也应采取相应的防护措施。

1）对于瓷体绝缘子，应采取提高瓷件的单位泄漏距离，采取阻隔物减少盐雾沉降量。主要方法有：人工定期清扫擦拭，在绝缘瓷件上涂有机硅；在瓷件上涂地腊；设计时增大外绝缘爬电距离，提高泄漏比距值，优化伞裙结构。对电气设备外绝缘表面采取“憎水性”技术处理。电气设备绝缘介质外表面发生闪络现象与介质的亲水性有关，亲水性强的物质由于表面容易潮湿且易形成水膜，会导致绝缘体表面泄漏电流增大，使闪络电压降低。而用做绝缘体的陶瓷和玻璃是亲水性较强的材料，虽然在生产制作时进行了表面处理如陶瓷材料制品的表面喷釉，但对亲水性改善不大。试验证明，具有憎水性的物质可以防止绝缘体表面形成水膜，从而提高闪络电压，对防止电气设备发生污闪是有益的。

合理选用防污型绝缘子和新型材料绝缘子，复合绝缘子（硅橡胶绝缘子）具有体积小、重量轻、耐污性能好、不需测零值等优越性。具有高度的抗表面污染力和防止碳化泄漏。复合绝缘子所需的爬距比瓷和玻璃绝缘子所需爬距平均少30%。当线路使用钢芯铝绞线架设，绝缘子最好选用复合绝缘子。

2）对于室外的电气设备，如油断路器、SF6断路器、电缆分接箱、计量箱及各种开关柜等，外壳应采用不锈钢和热镀锌，以进一步加强防盐雾腐蚀的能力，提高设备的使用寿命。

3）在电气设备安装、电气设备检修时，可在导电排搭接处接触面涂敷电力复合脂（导电膏），能抗盐雾腐蚀，降损节能，运行效果良好，并取得较好的经济效益。

4）输配电线路的铁塔、铁杆及铁附件，全部热镀锌。为了增强线路防盐雾腐蚀能力，提高线路使用寿命，对新架设的输配电线路运行2～3年后，进行一次油漆；以后每2年除锈并油漆一次。这种方法比较简便，维护管理方便，而且效果好，也是最有效的防腐措施。低压线路的金具及附件同样采用热镀锌。而经过热镀锌制作的角钢至少可使用10年以上。线路金具、螺栓及其它配件，应采用国家定型产品和定点厂家生产，经热镀锌的产品。

4 潮汐电站机组控制特殊要求

潮汐电站的机组运行涉及多种工况，运行控制面复杂，机组的负荷变化也比较大，为此，要求励磁系统和调速器设备适应性强，调节速度快，控制精度高。同时由于机组正反向运行时，电气主接线的相序要做变换，为此要求连锁及闭锁关系需要做到可靠而正确，并且在时间上也要配合适当。

在机组运行中，有抽水工况，对于其启动方式的选择则是非常重要，可选的方式有变频启动、全电压异步启动、降压启动方式等，针对机组的容量、运行特点，需要比对各种方式的启动效果以及机组的运行振动摆度参数综合考虑，选择适合机组的抽水启动方式。

潮汐电站机组的启动控制过程中，必须采用高压油顶转子装置。在机组启动过程中，由于高压油的存在，可以减少摩擦力矩，对机组平稳运行非常有利。常规水电机组，在机组稳定运行后，高压油顶转子即停止运行。对于潮汐发电的机组，由于存在正反两个方向的旋转运行，机组的支撑结构、受力面等等将有特殊设计，因此需要的高压油顶转子的运行方式也是不同的，需要根据机组的结构要求设置适应的运行程序。

潮汐电站的机组控制方式要求具有灵活性，由于每天的最高潮位都是变化的，电站实际的开机水头、停机水头需要随时进行调整修正。一般来讲，大潮、中潮情况下，可以进行正反向双向运行，在小潮时，选择正向发电、反向泄水， 以提高机组及全厂的经济效益。具体选择何种方式运行，需要根据潮位、可运行的机组数量以及机组正反向运行的效率等因素综合考虑。

5 潮汐电站接地特殊要求

潮汐电站具有自身的特点，根据考察及查阅相关资料，潮汐电站接地系统设计一般应考虑以下几点：

1）潮汐电站湿度大、盐雾严重，采用普通接地扁钢容易腐蚀，应采用镀锌扁钢，甚至采用扁铜，并应减少明敷方式，尽量将接地材料埋入土壤或混凝土中。

2）潮汐电站应设有工作接地、保护接地、防雷接地，所有接地均接于一个总的接地网。

3）在出线站接地网及周围预埋垂直接地极，并应充分利用水工钢筋，形成等电位接地以使本电站满足DL/T 5091《水力发电厂接地设计技术导则》里对接触电势和跨步电势的要求。

4）不同用途和不同电压的电力设备，包括特殊设备接地如通信设备、计算机接地，接入同一个总接地网。

5）设计中应考虑充分利用自然接地体将金属构件及水工建筑物中的主筋相互焊接起来，并形成不大于10m有电气通路的网孔。

6 结论

随着社会发展对能源需求的不断提升和技术的进步，在全球对人类生存环境愈来愈关注的今天，人们对建设潮汐电站的观念势必会发生改变。潮汐发电不需燃料，不会污染环境，更无需淹地、移民、年发电量稳定，取之不尽，用之不竭，其发展前景不可低估。本文详细介绍了潮汐电站电气设备选择的特殊性，特殊环境对电气设备的影响及解决方法，潮汐电站机组控制特殊要求，潮汐电站接地特殊要求等，取得一定的研究成果，可为同类电站设计提供参考。

【参考文献】

[1] 导体和电器选择设计技术规定[S]. DL/T 5222-2005，2005.

[2] 水力发电厂机电设计规范[S]. DL/T 5186-2004，2004.

[3] 阮全荣. 水电站电气设备选择与布置[M]. 中国水利水电出版社，2013.

【作者简介】

刘晓东（1980-），男，陕西人，硕士，主要从事水电工程电气设计工作。