朱 敏 智[上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092]

水庫項目遠離泵站電源的閘門供電設(shè)計

朱 敏 智
[上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092]

水庫項目中,周邊無城市電網(wǎng),遠離泵站電源的閘門電機起動需要大容量電源。提出了遠離電源的小容量負荷供電方案,比較了幾種供電方案的特點。分析表明,應(yīng)急電源(EPS)電源供電方案具有經(jīng)濟、可靠的較大優(yōu)勢。

水庫項目; 閘門; 電機起動; 應(yīng)急電源

0 引 言

目前,水庫已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉篮?、城市供水、灌溉、發(fā)電的多功能水利樞紐工程,對閘門的供電系統(tǒng)提出了新的要求。尤其是周邊無城市電網(wǎng)、遠離泵站電源的閘門電機起動時需要大容量電源,這要求設(shè)計人員設(shè)計出經(jīng)濟、合理的閘門電機供電方案,以便實現(xiàn)用電的安全性和可靠性。本文對遠離電源的小容量負荷供電方案做了分析比較,提出了經(jīng)濟、可靠的供電方案。

1 項目概況

某城市建設(shè)應(yīng)急水庫的東北堤岸處有一座泄水閘門,尺寸為2 500 mm×2 500 mm,最低處位于水下6 m,閘門距離取水泵房約為2 km。運行單位要求閘門應(yīng)能電動啟閉,根據(jù)閘門廠家提供的資料,閘門阻力矩為2 400 N·M,電動執(zhí)行機構(gòu)為Y系列特種鼠籠式異步電機,功率為5.5 kW,額定電流為13.8 A。由于水庫附近無城市電網(wǎng),按照常規(guī)設(shè)計,該閘門只有從取水泵房取電。

2 供電方案的選擇

2.1 高壓供電方案

閘門距離取水泵房較遠,設(shè)計首先考慮高壓供電方案,采用10 kV架空線路,加桿上變壓器。架空線選用鋼芯鋁絞線 LGJ-35/6,桿塔50 m一檔,共40只,變壓器選擇S10(50 kVA),取水泵房還需要一臺高壓開關(guān)柜作10 kV電源饋電柜。另外,架空線路占用水庫道路旁的走廊,工程量較大,架空線路方案造價較高。如果采用10 kV電纜,為滿足電纜的熱穩(wěn)定校驗,電纜截面需70 mm2,從取水泵房敷設(shè)2 km的高壓電纜至變壓器,造價也較高。

2.2 低壓供電方案

2.2.1 直接起動

設(shè)計考慮0.4 kV低壓供電,為保證閘門正常起動,閘門廠家提出閘門電機端電壓降最低為-10%的額定電壓。按照文獻[1],無限大容量電源系統(tǒng)供電的電動機,全壓起動時計算公式:已知取水泵房變壓器容量SrT=0.16 MVA,阻抗xT=0.04,變壓器一次側(cè)短路容量Sk=50 MVA,閘門電機起動容量SStM=0.048 MVA,母線短路容量Skm=0.16 MVA/[0.04+(0.16 MVA/50 MVA)]=3.7 MVA,預(yù)接負荷的無功功率為0.05 MVA×(1-0.922)=0.007 7 Mvar,至閘門電機的低壓電纜需要120 mm2,才能保證閘門電機處-10%電壓降,起動回路輸入容量為0.044 MVA,閘門電機電壓相對值為

從取水泵房敷設(shè)2 km的大截面低壓電纜至閘門電機,全壓起動方案也是不經(jīng)濟的。

2.2.2 降壓起動

為減少起動壓降的影響,考慮采用降壓起動的方式。降壓起動方案有自耦變壓器降壓起動、電壓斜坡軟起動等。由于閘門啟閉時為恒轉(zhuǎn)矩負載,長時間起動時阻力矩基本不變,而這兩種降壓起動方案的起動轉(zhuǎn)矩較小,適合空載或輕載起動的風機水泵類負載,對于閘門負載則無法正常起動。

2.2.3 變頻起動

對于閘門恒轉(zhuǎn)矩負載,有必要采用帶有矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻起動方案。變頻器起動轉(zhuǎn)矩和低速輸出轉(zhuǎn)矩大,響應(yīng)速度快,且閘門啟動時,變頻器輸入電流可限定在1.5倍的變頻器最大連續(xù)電流,沒有全壓起動時6～7倍的電機額定電流。變頻器在-15%電壓降時能正常工作,5.5 kW閘門選用5.5 kW變頻器,按照變頻器21.5 A輸入電流、變頻器最低-15%電壓降的條件,計算出低壓電纜截面可減少至25 mm2。

2.3 應(yīng)急電源(EPS)供電方案

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)急電源(Emergence Power Supply,EPS)越來越成為一種可靠的電源產(chǎn)品。如果EPS使用外電源給閘門電機供電,也存在全壓起動過程,為保證閘門電機壓降,需選擇較粗進線電纜截面,這不經(jīng)濟,故不使用該供電方式。設(shè)計考慮外電源僅為EPS蓄電池充電器供電,啟閉閘門時,使用EPS蓄電池支持下的逆變器供電。一方面,由于蓄電池組是串聯(lián)的,充電器僅需提供10%單只蓄電池組容量的充電電流,功率較低,EPS進線電纜只需滿足充電器充電電流,截面較??；另一方面,蓄電池的能量可以正常啟閉閘門,既解決了閘門電動啟閉問題,又使整個供電方案造價較低。因為蓄電池能量有限,充電過程較長,該工作模式EPS不能頻繁啟閉閘門電機。EPS系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)圖

該項目中,EPS電池容量P=5.5 kW,應(yīng)急時間t=1 h,閘門電機cosφ=0.8,蓄電池電壓U=12 V,逆變器效率η1=0.95,電池放電率η2=0.65,則蓄電池組容量為

逆變器選擇正弦波輸出,40 kW規(guī)格。因逆變器直流側(cè)電壓需480 V,故選用40只蓄電池串聯(lián),每只蓄電池容量為24 Ah。充電器電流為0.1×24=2.4 A,蓄電池浮充電壓選13.5 V,這樣充電器直流電壓為40×13.5=540 V,充電器功率為

P=540×2.4=1 296 W

充電器交流輸入電流為

考慮EPS進線端-5%電壓降,進線電纜截面選10 mm2。閘門電機就地設(shè)無源按鈕盒,閘門電機起動前,通過起動按鈕給EPS監(jiān)控系統(tǒng)信號,起動逆變器給閘門電機供電。閘門電機起動完畢后,通過停止按鈕給EPS監(jiān)控系統(tǒng)信號,關(guān)閉逆變器,EPS只工作在充電狀態(tài)。

3 供電方案的比較

遠離電源的閘門電機供電方案比較如表1所示。

由表1可知,各種起動方案中除10 kV架空線供電方案可靠性較低外,其他均較高。低壓變頻起動、EPS電池起動方案造價比高壓供電方案、0.4 kV全壓起動方案的低。

表1 遠離電源的閘門電機供電方案比較

4 結(jié) 語

隨著市場上電氣新技術(shù)的發(fā)展,一些新的設(shè)計思路,方案也可以應(yīng)用在工程設(shè)計中,這需要設(shè)計師對工程建設(shè)內(nèi)容、電氣新技術(shù)的特點有清晰的了解。本文對于遠離電源的小容量負荷供電方案作了分析、比較、研究,提出了可靠、經(jīng)濟的供電方案。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2005.

[2] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

【辦刊宗旨】

以現(xiàn)代信息技術(shù)、先進制造技術(shù)和智能建筑技術(shù)為引導(dǎo)，引領(lǐng)建筑電氣技術(shù)不斷開拓自主知識創(chuàng)新，向著高效、節(jié)能和綠色的目標和方向發(fā)展。及時、全面地報道國內(nèi)外建筑電氣最新研究成果和行業(yè)信息，為建筑電氣的研究與開發(fā)、產(chǎn)品制造與應(yīng)用、工程設(shè)計等領(lǐng)域打造一流的技術(shù)交流和信息傳遞平臺。

Design of Strobe Power Supply Far Away from Pumping Station in Reservoir Project

ZHU Minzhi

[Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China]

The large capacity power is required when the strobe motor starts up in reservoir project,which is without city grid electricity and far away from pumping station.This paper proposed the power supply schemes of small capacity load which was far away pumping station,and compared the characteristics of several kinds of power supply schemes.The analysis results show that the emergence power supply(EPS) has the economic and reliable advantages.

reservoir project; strobe; motor start-up; emergence power supply(EMS)

朱敏智(1983—),男,工程師,從事市政工程電氣儀表設(shè)計。

TU 852

B

1674-8417(2015)10-0017-03

2015-09-23