毛 敏

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

水利水電工程中具有泄洪功能的大壩樞紐閘門屬于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，它們一旦中斷供電將造成人員傷亡和重大的經(jīng)濟損失。為確保其正常工作，這些負(fù)荷除由雙重電源供電外，還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源。

柴油發(fā)電機具有功率范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格便宜、易起動、運行平穩(wěn)、操作維護簡單、方便等特點，是作為水利工程一級負(fù)荷應(yīng)急電源最好的選擇。在配置柴油發(fā)電機組時，最重要的是機組額定功率的確定，即容量的選擇。由于水利工程的應(yīng)急電源需要較高的可靠性，但其利用率很低，因此容量過大會造成初期投資大、運行經(jīng)濟效益差，也造成運輸、安裝的困難和不必要的浪費，增加維護量；過小的功率又會使發(fā)電機負(fù)荷過重，在電動機起動時，使壓降過大，電動機不能起動，降低機組可靠性和壽命，甚至在關(guān)鍵時刻超載停機，造成事故。因此，需要根據(jù)柴油發(fā)電機組的勵磁及調(diào)壓方式、調(diào)速性能、供電負(fù)荷大小及起動時柴油發(fā)電機已帶負(fù)荷的多少和功率的大小等合理選擇機組的容量。

本文以引漢濟渭工程三河口水利樞紐大壩泄洪閘門配置的柴油發(fā)電機容量選擇為例進行相關(guān)計算和說明。

1 工程概述

三河口水利樞紐大壩泄洪閘門由設(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，三孔開敞式泄流表孔與兩個泄洪放空底孔交錯相間并排布置。壩底的泄洪放空底孔設(shè)兩面弧形工作閘門，每個底孔閘門安裝兩臺工作門液壓啟閉機，每臺工作液壓啟閉機電動機容量為2×55kW，電動機運行方式為一用一備。泄洪表孔設(shè)工作閘門三扇，運行方式為動水啟閉、任意開度運行，安裝三臺雙吊點液壓啟閉機，每臺啟閉機電動機容量3×55kW，電機運行方式為兩用一備。

根據(jù)拱壩特點，柴油發(fā)電機房與配電室緊鄰布置，一并放于大壩右岸景觀平臺處。

2 水利樞紐泄洪閘門負(fù)載特性及柴油發(fā)電機組容量選擇要求

2.1 水利樞紐泄洪閘門負(fù)載特性

（1）水利水電工程中閘門運行時間較短，屬于短時不連續(xù)負(fù)荷；

（2）起泄洪作用的閘門一般不同時運行，根據(jù)泄流要求順序開啟；

（3）閘門容量負(fù)荷較大，不易啟動；

（4）需保證較高的可靠性。

2.2 柴油發(fā)電機容量選擇一般要求

（1）滿足連續(xù)輸出容量需要；

（2）滿足電動機啟動時電壓降的要求：

①認(rèn)為發(fā)電機帶自動調(diào)整勵磁裝置；

②電動機啟動容量達(dá)最大值是瞬間的，不考慮兩臺及以上電動機的同時啟動造成沖擊的問題；

③不考慮電動機按容量大小順次啟動以減小發(fā)電機容量的工況，與泄洪要求存在矛盾；

④按空載啟動單臺最大容量電動機及發(fā)電機母線已接負(fù)荷兩種情況，對電動機啟動時壓降分別檢驗；

⑤柴油發(fā)電機至電動機之間配電線路電壓降的影響。

3 柴油發(fā)電機容量的選配

針對水利工程閘門特點，在實際工程中，柴油發(fā)電機容量選擇著手下面三個方面進行，并按其最大者確定機組的選擇容量。

引漢濟渭工程泄洪工作閘門均選用液壓啟閉機，其配套油泵電機采用Y型節(jié)能電機。本工程55kW的Y型電動機采用目前較為普遍的軟起動器方式，Y型異步電動機軟啟動器啟動時起動電流為額定電流的2倍～4倍。因不同廠家產(chǎn)品的差異，取電動機輸出的起動電流倍數(shù)為3倍。

3.1 按最大計算負(fù)荷選擇發(fā)電機容量

依據(jù)《水利水電工程廠（站）用電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（SL485-2010），柴油發(fā)電機組的計算負(fù)荷應(yīng)考慮應(yīng)急負(fù)荷的投運規(guī)律，對于時間上能錯開運行的應(yīng)急負(fù)荷不應(yīng)全部計算，可以分階段統(tǒng)計同時運行的應(yīng)急負(fù)荷，取其最大者作為計算負(fù)荷。本工程柴油發(fā)電機組的計算負(fù)荷應(yīng)選取兩孔泄洪表孔雙吊點閘門同時運行的狀況，即每孔雙吊點閘門額定功率為55kW×2，并考慮一定的照明負(fù)荷進行計算。經(jīng)過計算，柴油發(fā)電機的計算負(fù)荷Sjs=338.2kVA。

3.2 按帶負(fù)荷后仍滿足最大單臺電動機或成組電動機的啟動需要校驗發(fā)電機容量

（1）發(fā)電機連續(xù)輸出容量（即發(fā)電機的額定容量）應(yīng)大于最大計算負(fù)荷；

（2）柴油發(fā)電機組的容量大小，除滿足連續(xù)輸出容量外，還必須進行電動機啟動時的電壓校驗，即按帶負(fù)荷后仍滿足最大單臺電動機或成組電動機的起動需要校驗發(fā)電機容量。

本工程最大單臺電動機容量為泄洪表孔雙吊點閘門55kW×2=110kW，電動機的起動功率因數(shù)取0.4，電動機啟動倍數(shù)取7，電動機起動方式系數(shù)取0.42。經(jīng)校驗，柴油發(fā)電機帶負(fù)荷后仍滿足最大單臺電動機的容量，SG2=379kVA。

3.3 按空載起動最大的單臺電動機時母線允許電壓降校驗發(fā)電機容量

發(fā)電機在其母線尚未接入其它負(fù)荷而首先起動單臺最大容量電機時，在起動電流的突然沖擊下，發(fā)電機內(nèi)阻抗上產(chǎn)生電壓降，而勵磁系統(tǒng)來不及快速調(diào)壓，使其母線的電壓降最大。

發(fā)電機次暫態(tài)電抗取0.25，母線允許的瞬時電壓降取0.25，按母線上的電壓降不宜低于額定電壓的75%計算，空載起動最大的單臺電動機時母線允許電壓降范圍內(nèi)的發(fā)電機容量為SG3=303kVA。

3.4 柴油發(fā)電機組容量的確定

根據(jù)以上三種工況計算的數(shù)據(jù)，應(yīng)選取最大者作為柴油發(fā)電機組的容量。考慮cosφ=0.8時，本工程需選用300kW的柴油發(fā)電機組，可滿足各種工況要求，與使用全阻抗計算法校驗柴油發(fā)電機容量的結(jié)果一致，而且所選容量與柴油發(fā)電機組的計算負(fù)荷（正常運轉(zhuǎn)負(fù)荷）接近，證明此柴油發(fā)電機組的容量選擇較經(jīng)濟、且電動機的起動方式較合理。

4 合理選擇電動機起動方式

根據(jù)上述三種工況計算柴油發(fā)電機容量時，若SG2和SG3值比SG1大的較多，主要是由于電動機采用直接起動方式引起的。因此，選擇柴油發(fā)電機組的容量時，還必須考慮電動機的起動方式，以盡可能使變壓器運行容量較經(jīng)濟節(jié)能。而選擇電動機起動方式時，還應(yīng)考慮起動轉(zhuǎn)矩的大小，由于電動機的起動轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，為了保證生產(chǎn)機械的正常起動，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩必須大于生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩。

在選擇發(fā)電機容量時，要具體分析，是電動機降壓起動選擇小容量發(fā)電機組，還是電動機直接起動選擇較大容量發(fā)電機組，要進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較確定。我們工程希望所選的發(fā)電機容量應(yīng)盡量與發(fā)電機正常連續(xù)運轉(zhuǎn)容量近似較為有利。

5 柴油發(fā)電機的簡化選擇

5.1 電動機直接起動時的柴油發(fā)電機容量

對直接起動時發(fā)電機容量，起動倍數(shù)K取7，可按同時滿足以下三種簡化條件選取柴油發(fā)電機組的容量：

（1）SG1≥1.5 P∑

（2）SG2=1.5 P∑+2.9 Pm

（3）SG3=6.6 Pn

5.2 電動機軟起動方式時的柴油發(fā)電機容量

對較大功率的電動機采用軟啟方式時，起動倍數(shù)K取3，可按同時滿足以下三種簡化條件選取柴油發(fā)電機組的容量：

（1）SG1≥1.5 P∑

（2）SG2=1.5 P∑+0.4 Pm

（3）SG3=2.8 Pn

5.3 柴油發(fā)電機的型式要求

（1）選用的柴油發(fā)電機組應(yīng)采用快速自啟動的應(yīng)急型，當(dāng)系統(tǒng)電源失去后，柴油發(fā)電機組應(yīng)能自動啟動。首次啟動恢復(fù)供電的時間不宜大于15 s，并應(yīng)裝設(shè)手動啟動、快速自動啟動及電源自動切換裝置。

（2）柴油發(fā)電機組具有時刻準(zhǔn)備自啟動投入工作并能保證連續(xù)3次自啟動成功投入的功能。當(dāng)連續(xù)3次自啟動失敗，能發(fā)出報警信號，并閉鎖自啟動回路。

（3）發(fā)電機采用快速反應(yīng)的無刷型自動勵磁裝置，裝設(shè)過電流保護和單相接地保護。

6 結(jié)語

柴油發(fā)電機是保證泄洪閘門正常運行非常重要的電源，在外電源全部消失時，備用柴油發(fā)電機是整個樞紐的唯一供電電源，是排除險情的重要保證。因此，合理選擇發(fā)電機的容量，應(yīng)充分考慮計算負(fù)荷、電動機啟動方式及啟動倍數(shù)、電纜長度及截面等與之相關(guān)的各種條件。另外，工程中還應(yīng)考慮不同種類、型號發(fā)電機和電動機參數(shù)的差異以及設(shè)備老化對性能的影響來最終確定發(fā)電機組容量。

[1]《水利水電工程廠（站）用電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（SL485-2010）[S].

[2]《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50052-2009）[S].

[3]《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》（DL/T5186-2004）[S].

[4]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊編委會.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996年1月第1版.

[5]《水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》（SL41-2011）[S].