毛 敏 蘭 松

（1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001；2.陜西省電力設(shè)計(jì)院 陜西 西安 710032）

伴隨著近些年我國(guó)對(duì)水力資源開(kāi)發(fā)利用的重視，在建或者興建了很多大中型水利工程，閘門(mén)啟閉機(jī)在水利工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用；為它們提供電源的水閘電氣設(shè)備在大中型水利設(shè)施中所占比例雖較小，卻是水利工程設(shè)施發(fā)揮其功能的重要組成部分。如果電氣設(shè)備在使用過(guò)程中，不能得到合理、科學(xué)、有效的利用，必然會(huì)影響到閘門(mén)啟閉機(jī)的整體性能和實(shí)際功能，甚至?xí)＜暗剿こ趟诘氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)，以及當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全等，因此，必須加強(qiáng)對(duì)水閘電氣設(shè)備的合理選擇，這樣才能保證水利工程的建設(shè)目標(biāo)和意義。

現(xiàn)就常遇到的水利工程閘門(mén)啟閉機(jī)配電變壓器容量選擇，作一些簡(jiǎn)要介紹，以便在類(lèi)似工程設(shè)計(jì)中給予關(guān)注。本文以引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐大壩閘門(mén)電氣設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和說(shuō)明。

1 工程概述

三河口水利樞紐大壩閘門(mén)由泄洪閘門(mén)和電站進(jìn)口閘門(mén)組成。

大壩泄洪部分閘門(mén)由設(shè)于壩底的兩孔泄洪放空底孔和壩表面的三孔泄洪表孔組成；壩底的泄洪放空底孔設(shè)兩面弧形工作閘門(mén)，兩扇事故檢修閘門(mén)。每個(gè)底孔閘門(mén)安裝兩臺(tái)工作液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，每臺(tái)工作液壓?jiǎn)㈤]機(jī)電動(dòng)機(jī)容量為2×55kW，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式為一用一備；每扇事故檢修閘門(mén)采用一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)容量為160kW。泄洪表孔設(shè)工作閘門(mén)三扇，安裝三臺(tái)雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，每臺(tái)啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)容量3×55kW，電機(jī)運(yùn)行方式為兩用一備。電站進(jìn)口部分由一臺(tái)臺(tái)車(chē)和一臺(tái)檢修橋機(jī)組成；臺(tái)車(chē)主啟升機(jī)構(gòu)132kW，檢修橋機(jī)35kW，事故檢修閘門(mén)由200kW的卷?yè)P(yáng)機(jī)提升。

三河口水利樞紐大壩用電包括大壩泄洪建筑物閘門(mén)用電、電站進(jìn)口閘門(mén)用電以及檢修用電、壩區(qū)照明用電。根據(jù)負(fù)荷特性，樞紐設(shè)置兩臺(tái)變壓器作為供電電源，結(jié)合拱壩特點(diǎn)，配電室布置在大壩右岸，并由配電室低壓屏引電纜至閘房?jī)?nèi)的分配電屏，距離約250m；再由分配電屏給各閘門(mén)控制箱供電。

2 決定變壓器容量選擇因素

變壓器容量選擇過(guò)小將造成過(guò)負(fù)荷，燒毀變壓器，選的過(guò)大又會(huì)使電網(wǎng)功率因數(shù)變低，損耗增多，投資增大，造成浪費(fèi)。水閘供電工程中，變壓器容量的選擇應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)情況、閘門(mén)電機(jī)型式、電機(jī)容量及臺(tái)數(shù)等進(jìn)行計(jì)算分析確定。在實(shí)際工程中，還應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

2.1 閘門(mén)的正常運(yùn)行方式

水利工程中閘門(mén)提升屬于短時(shí)不連續(xù)負(fù)荷，一般情況下，不同時(shí)運(yùn)行；最不利工況下，可考慮一臺(tái)正在運(yùn)行，另一臺(tái)啟動(dòng)，不考慮兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)的工況。

2.2 閘門(mén)電動(dòng)機(jī)的型式及其啟動(dòng)方式

隨著電動(dòng)機(jī)功率的增大，閘門(mén)電動(dòng)機(jī)有Y型異步電動(dòng)機(jī)及繞線(xiàn)式（YZR）異步電動(dòng)機(jī)等；異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式也有很多種，比如直接起動(dòng)、Y—△起動(dòng)、自耦變壓器起動(dòng)、軟啟動(dòng)器起動(dòng)、變頻啟動(dòng)等，不同的起動(dòng)方式對(duì)變壓器容量選擇差別較大。在做具體設(shè)計(jì)時(shí)，須向廠(chǎng)家確定電機(jī)的啟動(dòng)方式。

2.3 變壓器的安裝位置及電纜截面

變壓器的安裝位置決定了供電電源與負(fù)荷的距離，即電纜的長(zhǎng)度；電纜截面決定了阻抗的大小，這兩種因素對(duì)正常運(yùn)行時(shí)要求的壓降及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的端子壓降起著極其重要的作用，這也是最容易被大家所忽視的。

3 變壓器容量的選擇計(jì)算

三河口水利樞紐泄洪閘門(mén)選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，采用Y型異步電動(dòng)機(jī)，使用軟啟動(dòng)器方式啟動(dòng)；正常工作時(shí)，最大運(yùn)行方式為兩表孔閘門(mén)同時(shí)工作。單臺(tái)最大功率電動(dòng)機(jī)為事故檢修閘門(mén)，選用200kW的繞線(xiàn)式Y(jié)ZR型電動(dòng)機(jī)。配電室低壓屏引至閘房的分配電屏采用250m的兩根YJV-3×150＋1×70電纜并聯(lián)連接，分配電屏至表孔閘門(mén)控制箱采用70m的單根YJV-3×150＋1×70電纜，至200kW的事故檢修閘門(mén)選用兩根70m的YJV-3×150＋1×70電纜并聯(lián)。

3.1 滿(mǎn)足正常運(yùn)行方式下，可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷

根據(jù)閘門(mén)運(yùn)行方式，泄洪閘門(mén)和電站進(jìn)口閘門(mén)不同時(shí)工作，泄洪表孔3孔閘門(mén)和泄洪底孔2孔閘門(mén)不同時(shí)開(kāi)啟、檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)不同時(shí)工作等特點(diǎn)，壩區(qū)閘門(mén)最大運(yùn)行工況為泄洪表孔的3孔雙吊點(diǎn)閘門(mén)有2孔同時(shí)工作，最大運(yùn)行方式為55×2×2=220kW，另外再考慮20kW的照明負(fù)荷，壩區(qū)樞紐變壓器容量滿(mǎn)足壩區(qū)正常運(yùn)行時(shí)的最大計(jì)算負(fù)荷，Seb==307kVA。

3.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的校驗(yàn)

根據(jù)《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》“對(duì)于交流電源供電，在尖峰電流時(shí)，自供電變壓器的低壓母線(xiàn)至啟閉機(jī)任何一臺(tái)電動(dòng)機(jī)端子的電壓損失不應(yīng)超過(guò)額定電壓的15%?！币虼?，需校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的端電壓。

3.2.1 工作閘門(mén)的電壓降

依據(jù)多層輻射供電電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式，計(jì)算表孔工作閘門(mén)的電壓降。選取一臺(tái)泄洪表孔弧形工作閘門(mén)運(yùn)行，另一孔閘門(mén)正在啟動(dòng)的工況校核變壓器容量。本工程泄洪閘選用Y型電動(dòng)機(jī)，并且采用軟起動(dòng)器方式，取電動(dòng)機(jī)輸出的起動(dòng)電流倍數(shù)為3倍。

（1）工作閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)變壓器壓降△Ub

由正常運(yùn)行時(shí)的最大計(jì)算負(fù)荷可初選以下變壓器容量做校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如表1：

表1 變壓器容量校驗(yàn)

（2）線(xiàn)路壓降△UL

根據(jù)本工程供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及配電室位置，電纜線(xiàn)路應(yīng)分兩段計(jì)算其壓降；主分屏間線(xiàn)路L1長(zhǎng)度為250m，其電壓降△U1=16.39kV；分屏至電動(dòng)機(jī)線(xiàn)路L2長(zhǎng)度為70m，電壓降△U2=21kV。

（3）工作閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓Ud%

由以上初選的變壓器容量，計(jì)算工作閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓，結(jié)果見(jiàn)表2；

表2 工作閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，變壓器容量選用315kVA時(shí)，泄洪表孔閘門(mén)電動(dòng)機(jī)端電壓損失超過(guò)15%，不能滿(mǎn)足要求，需選用400 kVA變壓器。

3.2.2 校驗(yàn)單臺(tái)最大閘門(mén)啟動(dòng)壓降

變壓器容量除滿(mǎn)足工作閘門(mén)正常運(yùn)行及啟動(dòng)時(shí)的壓降要求外，還需滿(mǎn)足單臺(tái)最大功率閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)端電壓值。本工程最大單臺(tái)功率為事故檢修閘門(mén)，其配200kW的繞線(xiàn)式（YZR型）電動(dòng)機(jī)，并取其啟動(dòng)倍數(shù)為2.5倍。

（1）事故檢修閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)，其變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)壓降Um*。

表3 變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)壓降

（2）事故檢修閘門(mén)啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的端電壓Ud*。

表4 電動(dòng)機(jī)的端電壓Ud*

（3）根據(jù)以上兩種工況電壓降校驗(yàn)，變壓器容量S=315kVA時(shí)，電動(dòng)機(jī)端電壓不能滿(mǎn)足相關(guān)要求；因此，變壓器容量應(yīng)選S=400 kVA，可滿(mǎn)足各種工況要求。

3.3 電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的電壓降校驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)最大功率電動(dòng)機(jī)其端電壓的電壓降應(yīng)≤5%。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電壓降，與電纜線(xiàn)路的長(zhǎng)度和電纜截面均有關(guān)系。

本工程電力電纜型號(hào)選用兩根YJV-3×150＋1×70并聯(lián)，長(zhǎng)度為320m；經(jīng)計(jì)算，△U%＝4.49%≤5%，可滿(mǎn)足要求。

3.4 變壓器容量的計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，三河口水閘工程同時(shí)滿(mǎn)足以上三種條件的變壓器容量應(yīng)選用400kVA。

4 幾點(diǎn)建議

4.1 計(jì)算公式的取值

在計(jì)算水閘變壓器容量時(shí)，啟動(dòng)母線(xiàn)壓降Um*的系數(shù)取1.0，而并非《水利水電工程廠(chǎng)（站）用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL485-2010中的1.05。由于此規(guī)范主要針對(duì)計(jì)算水電站廠(chǎng)用電動(dòng)機(jī)的端電壓降，而電站廠(chǎng)用電動(dòng)機(jī)電源取自廠(chǎng)用母線(xiàn)；電站廠(chǎng)用母線(xiàn)電壓取值應(yīng)為額定電壓的1.05倍，水閘供電工程應(yīng)取變壓器高壓側(cè)電壓為額定電壓值。

4.2 設(shè)計(jì)方案的比較

通過(guò)對(duì)三河口水閘工程不同供電方案進(jìn)行計(jì)算比較，為后續(xù)的水閘工程設(shè)計(jì)方案提供一點(diǎn)建議，以期對(duì)類(lèi)似工程有所幫助。

（1）有條件的水閘工程，應(yīng)盡可能使配電室位置靠近閘室。

（2）在實(shí)際工程中，若電動(dòng)機(jī)容量較大，并且配電室受條件限制，位置距水閘電動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，優(yōu)先考慮多層輻射形供電方式；即從配電室低壓屏采用多根電纜并聯(lián)方式引至離閘室較近的分配電屏，再由此分配電屏引至各閘門(mén)控制箱。這種供電方案相對(duì)單層輻射供電方式具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①可節(jié)省多根大電纜的敷設(shè)，比較經(jīng)濟(jì)；②計(jì)算電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于主干線(xiàn)采用多根電纜并聯(lián)，使得電纜阻抗較小，線(xiàn)路電壓降較小，變壓器容量的選擇也經(jīng)濟(jì)；③電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電壓降較小。

4.3 電纜截面的選擇

變壓器低壓側(cè)電纜截面的選擇，不僅要滿(mǎn)足正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)載流量和運(yùn)行壓降的要求，還對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的變壓器容量選擇起著一定的作用，但電纜截面選擇過(guò)大，既不節(jié)能又給施工帶來(lái)很多不必要的麻煩。因此，在選擇低壓電纜時(shí)，必須同時(shí)滿(mǎn)足以上幾種要求，還要兼顧經(jīng)濟(jì)性能。

5 結(jié)論

在水閘供電工程中，供電變壓器的容量與供電網(wǎng)絡(luò)、閘門(mén)電機(jī)型式、電機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)及容量、電機(jī)啟動(dòng)方式、供電電纜長(zhǎng)度、截面大小等因素均相關(guān)，必須針對(duì)不同工況，通過(guò)詳細(xì)的計(jì)算，才能選取較為經(jīng)濟(jì)合理的變壓器。陜西水利

[1]《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009[S].

[2]《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL41-2011[S].

[3]《水利水電工程廠(chǎng)（站）用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL485-2010[S].

[4]《水力發(fā)電廠(chǎng)機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5186-2004[S].