陳 雅 羅造時

（安徽省霍山縣淠河河道管理局 霍山 237200）

1前言

截至2011年底，全國建成小型水電工程約4.5萬座，總裝機容量達(dá)5000多萬千瓦，在建裝機1000多萬千瓦，年發(fā)電量達(dá)2000多億千瓦時，占水電總量的33%，累計解決了3億多農(nóng)村無電人口的用電問題。為保證小型水電工程的安全運行，應(yīng)設(shè)置事故備用電源，以保證在小型水電工程停電時，繼續(xù)給溢洪道閘門啟閉機供電。由于小型水電工程中溢洪道閘門啟閉電機功率相對較小，且低壓柴油發(fā)電機組具有熱效率高、起動迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、維護操作簡單等特點，故在小型水電工程中采用低壓柴油發(fā)電機組作為事故備用電源。

目前，小型水電工程中低壓柴油發(fā)電機組容量的選擇多采取估算的方法，結(jié)果往往并不準(zhǔn)確。容量選擇過小，在啟動電動機時導(dǎo)致柴油機熄火停機或發(fā)電電壓過低導(dǎo)致電動機根本無法啟動；容量選擇過大，投資和維護成本高，并且柴油機由于長期大馬拉小車，造成活塞環(huán)處、噴油嘴處積炭嚴(yán)重，氣缸磨損加劇等嚴(yán)重后果。本文將根據(jù)小型水電工程應(yīng)急負(fù)荷特性探討低壓柴油發(fā)電機組容量計算的方法，以供小型水電工程設(shè)計人員參考。

2 容量計算

目前，水利水電設(shè)計規(guī)范及手冊中都沒有關(guān)于低壓柴油發(fā)電機組容量計算的論述，故低壓柴油發(fā)電機組容量計算只能參考其他行業(yè)。因此，本文參考《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》中柴油發(fā)電機組容量計算的方法，并根據(jù)小型水電工程的應(yīng)急負(fù)荷特性及相關(guān)規(guī)范的要求，經(jīng)過分析探討提出適合小型水電工程特點的低壓柴油發(fā)電機組容量計算方法。

2.1參考計算公式

在《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》的供配電系統(tǒng)設(shè)計中，所選擇的發(fā)電機容量應(yīng)同時滿足以下三個條件：①發(fā)電機的連續(xù)運行額定功率大于或等于穩(wěn)定負(fù)荷計算功率；②發(fā)電機的備用運行功率大于或等于負(fù)荷的尖峰功率；③在最大單臺電動機或成組電動機啟動時，發(fā)電機的瞬時電壓降不大于20%。2.1.1按穩(wěn)定負(fù)荷計算

式中：

SG1——按穩(wěn)定負(fù)荷計算的發(fā)電機視在功率（kVA）；

PΣ——計算總負(fù)荷（kW）；

ηΣ——所帶負(fù)荷綜合效率，一般取=0.82～0.88；

cosΦ——柴油發(fā)電機組功率因數(shù)；取=0.8。

2.1.2按尖峰負(fù)荷計算

式中：

SG2——按尖峰負(fù)荷計算的發(fā)電機視在功率（kVA）；

Sm——最大單臺電動機或成組電動機的起動容量（kVA）；

Kj——電動機功率下降的系數(shù)，一般取0.9～0.95；

KG——發(fā)電機組允許短時過載系數(shù)，一般取1.4～1.6。

2.1.3按發(fā)電機母線允許瞬時壓降計算

式中：SG3——按母線允許瞬時壓降計算的發(fā)電機視在功率（kVA）；

X'd——發(fā)電機暫態(tài)阻抗，一般取0.2；

ΔU——母線允許瞬時電壓降，一般取0.2；

SstΔ——導(dǎo)致發(fā)電機最大電壓降的電動機的最大起動容量（kVA）；

Se——單臺電動機額定容量（kVA）；

ki——堵轉(zhuǎn)電流與額定電流比值；

n1——同時啟動的閘門啟閉電機的臺數(shù)；

n2——在n1臺閘門啟閉電機啟動同時穩(wěn)定運行閘門啟閉電機的臺數(shù)；

Pe——電機的額定功率（kW）；

η——電機的額定效率；

cos——電機的額定功率因素。

2.2計算公式的探討

2.2.1參考計算公式的分析

在小型水電工程中，溢洪道閘門啟閉機起動負(fù)荷是穩(wěn)定負(fù)荷的數(shù)倍，照明、辦公等事故應(yīng)急負(fù)荷也很小，故按公式（1）計算出的發(fā)電機容量最小；公式（2）的 Sm、（3）的 SstΔ的取值相同，而公式（2）中其他各項積的最大值小于公式（3）中其他各項的積，故按公式（2）計算的發(fā)電機容量小于公式（3）計算的發(fā)電機容量。因此，在小型水電工程中低壓柴油發(fā)電機組容量僅需參考公式（3），并根據(jù)小型水電工程中應(yīng)急負(fù)荷特性對公式進行完善即可。

公式（3）中母線允許瞬時壓降△U一般取0.2，而《水利水電啟閉機設(shè)計規(guī)范》（SL41-2011）規(guī)定：在尖峰電流時，自供電變壓器的低壓母線至啟閉機任何一臺電動機端子的電壓損失不應(yīng)超過額定電壓（即380V）的15%。即電動機啟動端子電壓不小于其額定電壓（即380V）的85%（即320V）。當(dāng)采用低壓柴油發(fā)電機供電時也應(yīng)滿足該規(guī)范對電動機起動端子壓降的要求。低壓柴油發(fā)電機組額定電壓為400V，當(dāng)發(fā)電機母線允許瞬時壓降△U取0.2時，發(fā)電機母線允許瞬時電壓為320V，考慮到母線至電動機端子之間還有線路電壓損失，不能滿足該規(guī)范的要求，故發(fā)電機母線允許瞬時壓降應(yīng)根據(jù)工程實際計算。

2.2.2母線允許瞬時壓降的計算方法

在小型水電工程中，要使溢洪道閘門能起動的充分必要條件為閘門啟閉電機的起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于閘門啟閉最大靜阻力矩。為保證工程運行安全可靠，應(yīng)留有一定安全系數(shù)，具體見公式（6）。溢洪道閘門啟閉最大靜阻力矩由閘門設(shè)計人員給出，電動機額定轉(zhuǎn)矩計算公式見（7）。

式中：Mst——電機起動力矩（N·m）；

ust——電機起動端子電壓與額定電壓的比值；

km——電機堵轉(zhuǎn)與額定轉(zhuǎn)矩的比值；

Mn——電機額定轉(zhuǎn)矩；

k——安全系數(shù)，一般取1.1；

Mj——閘門最大靜阻力矩（N·m）。

根據(jù)公式（6）可求得電機起動電壓與額定電壓的比值ust，同時根據(jù)《水利水電啟閉機設(shè)計規(guī)范》（SL41-2011）中的規(guī)定，可知 ust應(yīng)不小于 0.85，見公式（8）。

電動機起動端子電壓等于發(fā)電機母線額定電壓減去母線允許瞬時壓降和線路電壓損失，具體見公式（9）。

表1YZ250M1-8型電機主要技術(shù)參數(shù)

式中：Vu——電機起動時的線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，公式見《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》中表9-63。

根據(jù)公式（9）可得到發(fā)電機母線允許瞬時壓降△U，見公式（10）。

2.2.3容量計算的方法

從上文論述可知，小型水電工程中低壓柴油發(fā)電機組容量計算如下：根據(jù)溢洪道閘門啟閉電機參數(shù)，利用公式（7）計算電機額定轉(zhuǎn)矩；根據(jù)溢洪道閘門設(shè)計人員提供的閘門最大靜阻力矩，并利用公式（8）計算電機起動端子電壓與額定電壓的比值ust；利用公式（10）計算發(fā)電機母線允許瞬時電壓降△U；利用公式（3）、（4）、（5）計算低壓柴油發(fā)電機組的容量。

3 工程案例

某小型水電工程溢洪道共設(shè)8孔閘門，閘門最大靜阻力矩為900N·m，閘門啟閉電機型號為YZ250M1-8，電機主要技術(shù)參數(shù)見表1。在低壓柴油發(fā)電機組供電時，應(yīng)急負(fù)荷主要包括：溢洪道8孔閘門啟閉電機：最大穩(wěn)定運行方式為2孔閘門啟閉電機同時運行，最不利短時運行方式為1孔閘門啟閉電機穩(wěn)定運行同時啟動另1孔閘門啟閉機，最遠(yuǎn)1臺閘門啟閉機起動時線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為2.0%；事故照明、辦公等負(fù)荷約10kW。

低壓柴油發(fā)電機組容量計算如下：

3.1電動機額定轉(zhuǎn)矩

3.2電機起動端子電壓與額定電壓的比值ust

由于ust=0.864＞0.85，故ust取0.864即可。

3.3發(fā)電機母線允許瞬時電壓降△U

3.4按發(fā)電機母線允許壓降計算發(fā)電機容量

根據(jù)上述計算，該工程低壓柴油發(fā)電機組容量選擇330kVA即可。

4結(jié)語

本文參考《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》中柴油發(fā)電機組容量計算的方法，并結(jié)合小型水電工程應(yīng)急負(fù)荷特點及相關(guān)規(guī)范的要求對其進行分析討論，提出小型水電工程中柴油發(fā)電機組容量計算的方法。按本文計算出的柴油發(fā)電機組容量，在小型水電工程的運行過程中沒有出現(xiàn)安全問題，滿足工程運行要求■