概述
小型水电站的技术改造，必须贯彻“四性”原则，即先进性、合理性、经济性和特殊性。应该针对各个水电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。所谓先进性就是要择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；合理性就是要紧密结合和妥善处理本电站的不可变更或不宜变更的制约条件；经济性就是要在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益；特殊性就是特殊问题用特殊办法处理。例如，针对多泥沙河流上运行的水轮机，既要改善其运行特性，又要采取抗泥沙磨损的综合治理措施，延长水轮机的使用寿命，只有全面考虑才能较好地达到先进性、合理性和经济性。多数小型水电站的技术改造以水轮发电机组的改造为主。
技术原理
一、水轮发电机组的改造
水轮机
水轮机的转轮是水电站实现水能转变成机械能的关键部件，不同的水头，不同的流量就要用不同的转轮。而且同一只转轮在过流量发生变化时其效率也发生变化，如果转轮选择失当，即会导致效率下降，不但不能提高电站经济效益，反而会带来一些负面影响，如发生振动、气蚀等。上世纪七八十代，由于科技发展的限制，水轮机型谱的不全，需要的水轮机难以如意配套；也由于物资的缺乏，计划经济指标下达的有限，设计水电站时有时只能勉强凑合，如桐坑溪二级电站设计水头110米，选用的水轮机型号为XJ-W-55/1×12.5,较高效率的转速应该是750转,但由于当时物资缺乏,选用了1000转的发电机，造成效率低下，在更新改造时应重新配套。因此，在进行电站增容改造过程中，应根据电站水头、流量等条件进行详细分析，在保证各项参数相适应情况下更换效率高、过流量大的转轮，以满足增容要求，同时选择新型转轮的流道和转轮直径与原机组基本相同。对反击式水轮机中的轴流定浆式机组可通过调整叶片装置角、修整叶片流线，对混流式水轮机则采用更换水轮机转轮，来达到满足增大过流量加大机组出力之目的；对冲击式水轮机则采用改变喷嘴口径，改进叶轮，加大流量，达到增加出力之目的。为满足发电机改造的需要，增容后宜保持机组转速不变。根据水轮机制造厂改造水轮机转轮的经验，一般出力可增加20%以上。
发电机
发电机定子的改造
要使发电机达到增容目的，对原绕组必须进行改变，必须增大定子绕组线径，达到降低定子绕组电阻，使定子绕组电阻发热总量不高于原绕组，以此来达到电机增容。由于发电机定子线槽尺寸裕度限制，对增容所需增大线规存在一定局限性。对此，在改造过程中，可以采用以下技术措施：一是改变绝缘浸漆工艺，提高绝缘等级为F级，采用耐电压高介质损耗低的绝缘材料，减薄绝缘层厚度，腾出空间；二是采用特有烘漆工艺填充线圈间和线圈与铁芯的空隙，增加线圈的散热能力降低温升；对于小型机组还可通过改变励磁方式，去掉电机附加绕组线圈，改为静止可控硅励磁；加大通风量和提高功率因数，装设无功补偿装置，提高有功输出功率，保持定子绕组发热总量不变。通过上述技术措施，一般发电机均可增加一个容量等级。
发电机转子的改造
由于当发电机容量增加20%-25%时，其空载励磁功率并没有增加，一般只需增加10%左右的励磁功率即可。转子线圈常采用翻新改造的方案。将原旧线圈退火处理，一方面软化铜排，另一方面烧去旧绝缘。转子线圈重新热压，并将其绝缘等级提高为F级。由于老匝绝缘材料厚，一般线圈翻新时可增加10%-15%的匝数。通过增加匝数，提高绝缘等级措施后，转子绕阻一般可扩容20%～25%。
发电机改造后的技术参数和烘漆工艺
发电机增容后，必须通过电磁计算和试验来提供发电机的技术参数，如励磁电流、电压、发电机效率、定子电流、允许温升、短路比、定子漏抗等，供发电站进行短路计算、继电保护计算及调整各种保护整定值。发电机增容改造中浸漆烘焙工艺也是发电机增容的关键技术措施之一。发电机在运行过程中，定子线圈端部要承受很大的电磁力，如果浸漆不透，烘焙不干，定子线圈端部要受到很大的电磁力，会发生扭曲变形，造成匝间短路、甚至造成整台发电机报废的重大事故。采用强迫流动浸漆工艺，使浸漆透彻，在烘焙上采用循环热风打入电机进行循环加热，达到整个电机线圈受热均匀、固化程度高的工艺要求，保证烘漆质量。
二、发电机磁装置的改造
要使发电机安全和稳定地运行，发电机励磁系统的性能是关键，早些年使用的三次谐波式、相复励变压器式、双绕组电抗分流式、可控硅半波整流等几种励磁装置，由于调节性能差，易引起振荡，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。
励磁装置的改造应根据原有励磁方式进行改造，如把双绕组电抗分流式励磁改造成可控硅分流的电抗分流，此装置在双绕组电抗分流式的基础上增加了可控硅分流的自动电压调节器，空载电压调节范围大，并网后运行稳定，无功功率调节方便。安装在发电机上结构简单紧凑，不需另占地方。在主断路器跳开后不失磁，发电机仍有端电压。在电网停电时仍有电源供给调速器，能迅速将机组关闭，省去了备用电源。如原先的励磁装置是半波整流的则可改造成可控硅全波静止励磁装置，其性能良好，但结构相对较复杂。由于主断路器跳开时联动跳开灭磁开关，使机组无电压，故这种励磁装置尚需备用交流电源或配置TC操作器。
三、水轮机调速装置的改造
并网小型水电站一般不参与调频，调速器仅作用于正常开、停机、调节正常有功负荷以及事故停机。所以普遍采用手、电两用操作器，其结构简单、投资省而又随机配套，操作与维护简单，但是如果与可控硅励磁装置配合，则因为事故停机时发电机主开关联动跳灭磁开关，发电机没有机端电压，其电动操作器就失去操作电源无法关机,造成飞车事故。
TC(弹簧蓄能型)水轮机操作器是一种技术较先进的新型调速器，由电机（或手动）驱动，经传动机构和蓄能弹簧推动接力器活塞来控制机组开机、停机、并网、增减负荷等。当接到各类事故信号和远方紧停命令时均能失压脱扣，自动关机。关机时间根据不同电站“调保计算”要求，可在2～28S内整定。在无电源情况下，同小型调速器失去油压一样，可手动开机升压后即改电动操作，而紧急停机则不必手动，仍可同有油压时的小型调速器一样，能自动紧急关机，并且按照先快后慢的关机模式，使大部份机组能满足调保计算要求。同时可避免因木石卡塞和手动关机过度损坏导水机构问题；提高了机组运行的安全性。再配上STK-W-3可达到自动调节的目的，是一种值得推广使用的调速装置。
四、主变的改造
水电站的低压机组通常是经主变升压后与10kV农村配电线路相连接，过去老电站选用的都是定型10±5%/0.4kV系列配电变压器。由于电站地处偏远山区，线路长压降大。发电机经常需要在较高电压下运行，才能保证发送一定的无功负荷。有的电站电压值高达440V及以上，其危害：一是在高压下运行使发电机、变压器温升提高、绝缘加速老化，绝缘薄弱环节容易击穿；二是难以发足无功功率，并影响机组运行的稳定性，影响经济效益；三是老型号变压器能耗大，且运行年久老化，时常出现故障影响正常发电，需要及时更新、改造。
改造变压器时应采用低损耗的升压变压器，订购时向厂家特别提出，一般变比为11±5%/0.4kV，从而保证了水电站在正常电压下运行。
为了减少主变空载损耗，保证厂用电和生活区用电的电压质量，可另装厂用变压器，在电站停运或运行时相互切换。
五、配电设备和成套装置改造
小水电站低压机组使用的主断路器有DZ10、DW10、DW15等空气断路器，DZ10塑料外壳式空气断路器由于封闭散热差，易引起发热故障，仅用在容量小的机组上。DW10框架式空气断路器普遍在使用中，但因短路断流容量小，时有发生因短路不能有效断流，而烧坏电器设备的事故。所以主断路器应选择DW15型，机组容量大的宜选用DW17(ME)型，操动机构应选择电动机预储能合闸型。电站需长时间满负荷连续运行，主断路器和隔离开关按发电机额定容量选择，但尚需一定的裕度，才能确保设备运行的安全可靠。
定型的成套配电装置把发电机的配电主回路和控制、保护及水轮机自动回路等二次回路的设备安装在同一屏内。常用的BKSF型水轮发电机控制屏我们可以根据电站运行的实际来进行一些改进，如加装屏顶保护罩和两侧的边屏，加装发电机电流速断、过速和低频保护等，还可装设前池水位监测(或能自动按水位调节)装置，使机组运行在最佳工况点，发挥最大的经济效益。
六、提高自动化水平
提高电站的自动化水平是降低运行成本的一个重要方面。在计划经济条件下建设的小水电站，初步设计中考虑自动化水平时，强调了“自动化水平与电站规模相适应”，客观地起到了对其限制的作用。这是基于当时的科技发展水平和运行人员素质较低的情况所决定的。但是，科学技术是不断发展的，新设备和新材料、新工艺层出不穷，敢于使用它们才能促进生产的发展。
随着电力市场的发展，需要增加电站的竞争能力，竞价就是要物美价廉。要做到这样，除了提高供电质量外，还要降低发电成本，其根本的出路就在于减员增效。关键是敢于使用先进自动化设备。选择适用小型水电站的自动监测、控制和保护设备，对其实行遥测、遥信、遥调和遥控，使电站运行实现自动化，做到少人值班或无人值班，提高电站运行的经济性、可靠性和安全性，是技术更新改造的目的之一。
提高电站的自动化水平目前也还有一些困难，比如厂家设备质量不很稳定；电站运行工人素质难于保障，人员更难精简；设备价格较高难于承受等等。这些困难要逐步克服，电站的技术更新改造要上档次、上水平，不能停留在原有技术水平上，这是毋容置疑的。
国内发展和应用现状
建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计我国常规水电装机容量已达到7700×104ｋＷ，其中，中小型水电站4．5×104余座，拥有机组7×104余台，总装机容量达2020×104ｋＷ，有近一半为50～60年代制造的设备［1］。由于当时条件限制，这些电站的水轮机多数是应用前苏联40～50年代的技术，制造技术落后，效率较低，过流能力差，总的能量指标偏低。加上大部分国产机组生产于特殊年代，不按电厂各种条件而硬性套用定型图纸，或仅按模型试验的特定角度硬性规定设计，致使原来水力效率不高的转轮又偏离了高效率区。还有性能指标较低，如高效区狭小、振动区范围大、空化性能差等，对机组的安全稳定运行产生了严重的影响，很大程度上降低了电站设备的运行管理水平和效益。
另外，由于大部分电站已运行了三四十年，机组设备在性能和结构方面都已陈旧、事故增多、检修频繁。长期运行已使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。根据国外有关资料介绍，效率下降约为２％。特别是有些电站或由于当年是套用机组，或由于电站参数发生变化，使机组长期在低效率下运行，浪费能源，亟待早日解决。与此形成鲜明对比的是，近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷峰谷差愈来愈大，增大中小型电厂在电网系统中的调峰、调频能力也愈显重要。而电力系统越来越多地要求水电机组特别是中小型水电机组担负调峰、调频和事故备用任务，这样就增加了机组启动、停机次数，致使水轮机部件动载荷增加，运行条件变得苛刻，对那些设备陈旧的老电站，担负这样任务显然力不从心。同时，近几年大电网对地方电网实行峰谷差价和峰电超计划加价政策，让电网中调节性能较好的水电站实行顶峰发电，多发电必将会显著提高地方电网的负荷率和经济效益。
国外发展和应用现状
欧洲国家加大投入，进行小水电开发和环境保护方面的新技术、新材料和新设备的研究及应用，具体包括研究筑坝新材料用胶凝砾石技术筑坝，追求零弃料等环保内容研究采用生物可降解材料代替润滑油，防止渗漏污染下游水质研究应用鱼类友好的水轮机，有关水轮机的理论融合了保护水生物的技术在低水头或是极低水头电站，不推荐安装成本高昂的常规水轮机，研究更经济的水轮机方案采用低噪音齿轮箱、无油调速器、自动清污机多种降低噪音措施采用整个系统发电机组、建筑和附属设施的整体设计对于大的噪音源，比如齿轮可以在制造中采用极小的规定公差水轮机外壳覆盖隔音垫发电机用水冷取代风冷仔细设计附属部件采用隔音建筑使噪音降低，感觉不到电站的存在把水轮机组完全密封起来以达到降噪目的等推广无人值班电站，采用简易快速厂房、组合式电气屏柜和地下厂房等等，降低成本。
供应商信息
广西水利电力集团有限公司
四川九力隧道工程有限公司
永州侨海投资开发有限公司
田湾河公司
经典案例
小水电站设备更新改造中新技术的应用
在现有基础上．用先进技术代替落后技术．用先进工艺和装备代替落后的工艺和装备．用先进的管理理念代替落后的管理理念．并努力提高电站员工的素质。实现以内涵为主的扩大再生产．是小水电站全面提高经济效益的有效手段。笔者现结合桃林口水电站更新改造实践．就小水电站水轮发电机组改造问题谈以下几点。
1．提高自动化程度
小型水电站特别是老电站．目前的自动化水平普遍比较低．一方面造成运行人员偏多．电力生产成本较高．效益较低：另一方面由于运行操作大部分由手动完成．并网速度慢。空载水耗大，而且容易造成非同期并网．危及电站及电网安全．为提高水电站生产的科技含量，减员增效。减少机组空载水耗．提高对电网的响应速度。确保电站、电网的安全．电站技改时，应尽可能采用先进装备．提高自动化水平。装机较大的小水电站．应采用比较成熟的计算机技术来完成电站的监控：对于年久失修或者已经瘫痪的计算机监控系统及其相关的自动化元件应进行及时的更新改造。
2．用新型调速器替代技术落后的调速器
调速器是水电站中的重要辅助设备，一些旧型号的YT、WT型调速器虽能满足水电站自动调控需要．但随着使用年限的增长．机械元件会由于磨损而产生变形：模拟电路和单板机受环境的影响较大．调速器品质下降．机组运行失稳．带来安全隐患。如果要维持调速器原有的品质．必须更换变形元件或增加维护保养工作量．而在目前的技术条件下．要从根本上解决问题尚有一定的口陈中新葛业昌困难。因此．电站在技改时必须重视对调速器的改造。
桃林口水电站在调速器更新改造过程中。采用了新技术、新理念，将WT型调速器(单板机调速器)改为数字阀PCC(可编程计算机控制器1型凋速器。该型号的调速器具有调节品质高、维护保养工作量小、抗干扰能力强、油质要求低、无杠杆、无管路、无渗漏等诸多优点。技改时．可利用原有的液压装置，节省投资。由改造后效果来看。其可靠性高、性能优良。是小水电站调速器改造的理想选择。
3．改进励磁方式
小水电站．以前采用的励磁方式一般为双绕组电抗分流半导体励磁。该类装置对孤立运行的机组效果显著．但对于并网电站来说．由于其电压调节幅度较小．存在着明显的缺点：当电网电压过高时．机组会自动吸收大网无功电流而进相运行．此时如加大水轮机导叶开度增加有功出力．机组会因此失稳甚至跳闸：当电网电压过低时，机组会自动增发无功．此时如增加有功输出则会使机组超负荷运行．从而限制了有功功率的输出．丰水期时造成水量的浪费。后来广泛采用的普通可控硅励磁装置．虽可有效地解决上述问题．但是由于当时技术条件限制．其控制调节电路多采用印刷版电路．模拟元件多．受环境影响较大．抗干扰能力差，调节品质和运行稳定性不很理想。
桃林口水电站原设计的励磁装置为ZKLF一58型可控硅励磁装置．亦存在上述弱点．多次发生设备故障．威胁安全运行．在电站设备更新改造过程中．采用了河北工业大学生产的FWLZ一2C型微机励磁装置。从运行情况看，该装置基本上解决了上述难题．稳定可靠．故障率低．改造取得了理想的效果
此外．为提高电站的经济效益和市场竞争能力．除硬件上用先进的装备替代相对落后的装备、新技术替代落后的技术外．还必须坚持“以人为本”的管理理念。在改革管理制度、转变职工的思想观念、提高职工的思想素质和业务素质的软件上下功夫．这样双管齐下．才能使水电站的更新改造取得良好的效果。
参考文献
[1] 季健康. 小水电开发中的环境管理模式研究[D].浙江：浙江大学，2010.
[2] 郭鹏程, 郑小波, 梁武科. 中小型水电站水轮机转轮改型设计的必要性和可行性[J]. 西北水力发电，2002，18（2）：12-14,17.
[3] 陈中新葛业昌. 小水电站设备更新改造中新技术的应用[J]. 河北水利，2010，（9）：43.
