【摘要】通過(guò)對(duì)水電站廠(chǎng)用電最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷的分析統(tǒng)計(jì)，找出了最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷；利用綜合系數(shù)法初步計(jì)算和選擇了廠(chǎng)用電變壓器的容量；并通過(guò)計(jì)算電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和成組自啟動(dòng)時(shí)廠(chǎng)用電低壓母線(xiàn)的電壓下降，校驗(yàn)了所選擇的變壓器容量；本文結(jié)合水電站設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)計(jì)算和選型中的原則、方法疑難點(diǎn)進(jìn)行了解釋和說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】負(fù)荷統(tǒng)計(jì)；綜合系數(shù)法；電壓校驗(yàn)；轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)

1、概述

文昌水電站位于肇慶市懷集縣城區(qū)文昌塔河段的綏江河流干流上，電站為低壩河床式電站，蓄水量為300.60萬(wàn)m3（正常蓄水位）。水電站安裝有2臺(tái)1600kW燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量3200kW，保證出力815kW。年發(fā)電量1430萬(wàn)kW·h，利用小時(shí)4466h。電站主要向懷集縣負(fù)荷中心縣城鎮(zhèn)及鄰近地區(qū)供電，多余電力輸入省電網(wǎng)。在電力系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)基荷，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)電站的要求，不擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相任務(wù)。

文昌水電站發(fā)電機(jī)變壓器組合采用兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線(xiàn)方式，發(fā)電機(jī)電壓母線(xiàn)為6.3kV，主變升高電壓側(cè)母線(xiàn)為10kV，并由1回10kV架空線(xiàn)路接入附近電網(wǎng)。電站機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，單機(jī)容量較小，因此預(yù)估廠(chǎng)用電負(fù)荷容量也小，采用機(jī)組自用電和全廠(chǎng)公用電共用的供電方式，廠(chǎng)用電負(fù)荷采用380/220V供電。廠(chǎng)用電電源由兩個(gè)電源供電：工作電源從10kV電壓母線(xiàn)引接，由一臺(tái)10/0.4kV配電變壓器向低壓廠(chǎng)用電系統(tǒng)供電；備用電源采用一臺(tái)400V柴油發(fā)電機(jī)組。

2、 廠(chǎng)用電最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷的分析統(tǒng)計(jì)

分析統(tǒng)計(jì)最大負(fù)荷的目的是選擇廠(chǎng)用電變壓器的容量。水電站廠(chǎng)用電最大負(fù)荷的出現(xiàn)與機(jī)組的運(yùn)行方式有關(guān)，不同的運(yùn)行方式有不同的負(fù)荷。例如北方寒冷地區(qū)的水電廠(chǎng)，冬季屬于枯水期，運(yùn)行管理單位往往安排機(jī)組檢修，最大負(fù)荷出現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)組檢修而其他機(jī)組運(yùn)行的時(shí)候；具有調(diào)相運(yùn)行功能的水電廠(chǎng)，用空氣壓縮機(jī)壓水的負(fù)荷是比較大的，因此最大負(fù)荷出現(xiàn)在電站調(diào)相運(yùn)行時(shí)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)程并結(jié)合本工程實(shí)際情況，廠(chǎng)用電最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷分兩種運(yùn)行方式分別分析統(tǒng)計(jì)①全部機(jī)組運(yùn)行；②一臺(tái)機(jī)組檢修，另一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。

由于廠(chǎng)用電負(fù)荷的運(yùn)行方式多種多樣，組合情況很多，既要細(xì)微謹(jǐn)慎的考慮，符合理論和邏輯，又要結(jié)合水電站在不同運(yùn)行方式下的實(shí)際情況。在實(shí)際統(tǒng)計(jì)中，一般先將明顯不可能同時(shí)運(yùn)行的負(fù)荷分開(kāi)，統(tǒng)計(jì)出可能參加同時(shí)運(yùn)行的負(fù)荷。在統(tǒng)計(jì)中有以下幾點(diǎn)原則需要注意：①經(jīng)常連續(xù)運(yùn)行、經(jīng)常短時(shí)運(yùn)行的負(fù)荷如機(jī)組冷卻水泵、滲漏排水泵等，應(yīng)計(jì)入；②互為備用的電動(dòng)機(jī)，只計(jì)算參加運(yùn)行的工作設(shè)備，不考慮備用設(shè)備；③考慮到變壓器具有一定的短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力，可用來(lái)應(yīng)付特殊情況，因此消防水泵等僅在事故情況下應(yīng)用的設(shè)備，不計(jì)入最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷；④閘門(mén)啟閉機(jī)、清污機(jī)等在兩臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)不經(jīng)常使用，在檢修期運(yùn)行的概率也很小，因此一般都不考慮；⑤油庫(kù)的油系統(tǒng)僅考慮在一臺(tái)機(jī)組檢修、另一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，計(jì)入最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷，因?yàn)閮膳_(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)不進(jìn)行油的過(guò)濾和處理工作。⑥一臺(tái)機(jī)組檢修、另一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，檢修負(fù)荷不必全部統(tǒng)計(jì)進(jìn)去，這是考慮到檢修安排一般分為拆裝、檢修、裝復(fù)及調(diào)試等階段。最大負(fù)荷往往在檢修階段出現(xiàn)。此時(shí)已不需要吊運(yùn)大件物品，且流道中的積水已經(jīng)基本排空，這時(shí)橋式起重機(jī)僅考慮副鉤和大車(chē)行走負(fù)荷，檢修排水泵只需考慮流道內(nèi)已基本排空情況下，開(kāi)一臺(tái)泵短時(shí)運(yùn)行排閘門(mén)滲漏水。

3、 廠(chǎng)用電變壓器容量的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)程，本工程廠(chǎng)用電變壓器的容量應(yīng)滿(mǎn)足在各種運(yùn)行方式下可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷。計(jì)算方法主要有“負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法”和“綜合系數(shù)法”。

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法過(guò)去應(yīng)用較多，多數(shù)工程技術(shù)人員已習(xí)慣沿用，主要分為幾個(gè)步驟：①對(duì)所有負(fù)荷收集其功率因數(shù)和效率值，分別進(jìn)行有功P和無(wú)功Q的計(jì)算；②估計(jì)全廠(chǎng)公用電和機(jī)組自用電各自的負(fù)荷率、同時(shí)率取值，并考慮廠(chǎng)用電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗；③利用公式計(jì)算出廠(chǎng)用電最大負(fù)荷。在實(shí)際工程中，這種方法也有不足之處：一、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法過(guò)程比較復(fù)雜，要想提高計(jì)算精度，各項(xiàng)設(shè)備的參數(shù)和公式系數(shù)取值都要力求精準(zhǔn)，從而使計(jì)算更加繁雜；二、在工程設(shè)計(jì)的前期階段，有不少?gòu)S用電負(fù)荷項(xiàng)目的容量等設(shè)備參數(shù)值本來(lái)就是估計(jì)值，難以滿(mǎn)足精度要求；三、假使廠(chǎng)用電負(fù)荷的容量、功率因數(shù)、效率等參數(shù)值準(zhǔn)確，但是在設(shè)備實(shí)際工況中這些值往往是變化的，計(jì)算并不能達(dá)到提供精度的愿望。

綜合系數(shù)法是在負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法的基礎(chǔ)上科學(xué)簡(jiǎn)化而成。通過(guò)實(shí)測(cè)國(guó)內(nèi)18個(gè)水電廠(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，取得負(fù)荷運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)、廠(chǎng)用電負(fù)荷率、同時(shí)率的樣本庫(kù)，從中得出一個(gè)綜合系數(shù)，將統(tǒng)計(jì)出的廠(chǎng)用電最大負(fù)荷轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足廠(chǎng)用電變壓器選擇要求的計(jì)算值。這種方法比負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法大大簡(jiǎn)化了，并通過(guò)實(shí)際工程案例印證了其計(jì)算結(jié)果也是比較準(zhǔn)確的?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)已經(jīng)推薦采用這種方法，也應(yīng)用在了文昌水電站工程設(shè)計(jì)中。

文昌水電站全廠(chǎng)公用電與機(jī)組自用電混合供電，因此廠(chǎng)用電最大負(fù)荷計(jì)算時(shí)不必分別考慮兩部分，可進(jìn)行整體計(jì)算。從廠(chǎng)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表可以看出，廠(chǎng)用電最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷出現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)組檢修、另一臺(tái)正常運(yùn)行時(shí)，最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷值為486.2kW。

本工程屬于小型水電站，且容量較小，綜合系數(shù)k0可參照中型水電站取值為0.79，廠(chǎng)用電最大負(fù)荷時(shí)的負(fù)荷額定功率總和∑P為486.2kW，則廠(chǎng)用電最大負(fù)荷Sjs= k0*∑P=384（kVA）。因此廠(chǎng)用電變壓器容量初步選擇為400kVA。

4、 廠(chǎng)用電變壓器容量的校驗(yàn)

廠(chǎng)用電變壓器容量選擇一般不考慮溫度修正系數(shù)的影響，主要是滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和成組自啟動(dòng)時(shí)的電壓校驗(yàn)要求。

4.1電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的的電壓校驗(yàn)

電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，在廠(chǎng)用電系統(tǒng)低壓母線(xiàn)上引起的電壓下降不能妨礙其他用電設(shè)備的工作，且其端子電壓應(yīng)保證被拖動(dòng)機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

1）本工程廠(chǎng)用電動(dòng)力負(fù)荷、照明和其他負(fù)荷共用廠(chǎng)用電電源，接在同一個(gè)母線(xiàn)上，照明和監(jiān)控設(shè)備等負(fù)荷對(duì)電壓波動(dòng)較為敏感，這就要求經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)引起的母線(xiàn)電壓降不宜大于10%，不經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)引起的母線(xiàn)電壓降不宜大于15%。

起動(dòng)機(jī)主鉤電動(dòng)機(jī)是廠(chǎng)用電負(fù)荷中最大功率的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)之一，因此作為典型進(jìn)行校驗(yàn)。主鉤電動(dòng)機(jī)功率為60kW，啟動(dòng)容量Sqd =6*Pn/cosφ/η，功率因數(shù)和效率的乘積取0.8，則Sqd =450kVA；廠(chǎng)用電變壓器額定容量Snb=400kVA；考慮最不利的啟動(dòng)情況，假設(shè)啟動(dòng)前廠(chǎng)用電低壓母線(xiàn)上已經(jīng)帶有最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷S=384kVA，則根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范，啟動(dòng)時(shí)廠(chǎng)用電低壓母線(xiàn)標(biāo)幺值

計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求，表明廠(chǎng)用變壓器容量的選擇是合理的，能保證電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)在廠(chǎng)用電系統(tǒng)低壓母線(xiàn)上引起的電壓下降不妨礙其他用電設(shè)備的工作。

2）電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械一般都具有一定的靜阻轉(zhuǎn)矩，它與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分無(wú)關(guān)，主要為拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載阻力。電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)保證能克服靜阻轉(zhuǎn)矩，才能正常起動(dòng)，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又與電動(dòng)機(jī)端電壓的平方成正比；這就要求啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓應(yīng)能保證電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械所要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此需要校驗(yàn)，尤其是起動(dòng)條件嚴(yán)酷的電動(dòng)機(jī)如特重載起動(dòng)設(shè)備。

考慮最不利的啟動(dòng)情況，選起重機(jī)主鉤電動(dòng)機(jī)作為典型進(jìn)行校驗(yàn)。根據(jù)轉(zhuǎn)矩特性可知，起重機(jī)的起動(dòng)靜阻轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范，要保證起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)電壓需滿(mǎn)足

考慮最不利的啟動(dòng)情況，取，，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。這表明文昌水電站電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)低壓電源電壓會(huì)下降，但可以滿(mǎn)足機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

4.2電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí)的的電壓校驗(yàn)

在運(yùn)行中，廠(chǎng)用電母線(xiàn)突然失去電壓，成組電動(dòng)機(jī)均處于惰行狀態(tài)；當(dāng)電壓恢復(fù)后，電動(dòng)機(jī)將會(huì)成組自啟動(dòng)。若失電壓時(shí)間較短，電動(dòng)機(jī)未完全停轉(zhuǎn)，則電壓恢復(fù)后，電動(dòng)機(jī)較容易啟動(dòng)。因此成組電動(dòng)機(jī)失電壓自啟動(dòng)時(shí)廠(chǎng)用電母線(xiàn)允許的電壓下降可比單機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的要求低。

在水電廠(chǎng)中大多數(shù)的電動(dòng)機(jī)均由主回路中的接觸器來(lái)控制啟動(dòng)和停止。一般來(lái)說(shuō)接觸器的吸合線(xiàn)圈只能在電壓為額定電壓的85%～105%下正常工作；若電壓過(guò)低，雖然線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生吸合力但過(guò)小，觸頭不能正常接觸；若電壓接近85%下限值時(shí)，一般可以正常的吸合，偶爾會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。因此，需要綜合考慮電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)的情況，母線(xiàn)電壓不能過(guò)低。

1）根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求，當(dāng)電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí)，低壓廠(chǎng)用電母線(xiàn)電壓應(yīng)滿(mǎn)足①空載或失壓自啟動(dòng)不低于65%；②帶負(fù)荷自啟動(dòng)或低壓母線(xiàn)與高壓母線(xiàn)串接自啟動(dòng)不低于60%。

由負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表可以看出，接于低壓母線(xiàn)上的自啟動(dòng)負(fù)荷的啟動(dòng)容量之和為Sqd=6*152/0.8=1140kVA，廠(chǎng)用電變壓器額定容量Snb=400kVA；考慮最不利的啟動(dòng)情況，假設(shè)啟動(dòng)前廠(chǎng)用電低壓母線(xiàn)上已經(jīng)帶有最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷S=384kVA，則根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范，廠(chǎng)用電變壓器擔(dān)負(fù)自啟動(dòng)負(fù)荷時(shí)，0.4kV廠(chǎng)用電母線(xiàn)電壓標(biāo)幺值

計(jì)算結(jié)果表明廠(chǎng)用變壓器容量的選擇是合理的，能保證電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí)在低壓廠(chǎng)用電母線(xiàn)上引起的電壓下降不妨礙其他用電設(shè)備的工作。

2）根據(jù)水電站廠(chǎng)用電負(fù)荷的實(shí)際情況，大多數(shù)為油泵、水泵及空氣壓縮機(jī)等負(fù)荷。這些負(fù)荷的起動(dòng)靜阻轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（對(duì)額定轉(zhuǎn)矩）要求不高，為。雖然電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí)低壓電源電壓會(huì)下降，一般都可以滿(mǎn)足這類(lèi)機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此處不再計(jì)算。

5 、容量選擇結(jié)果

通過(guò)對(duì)文昌水電站廠(chǎng)用電最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷的分析統(tǒng)計(jì)，找出了最大同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷；利用綜合系數(shù)法初步計(jì)算和選擇了廠(chǎng)用電變壓器的容量；并通過(guò)計(jì)算電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和成組自啟動(dòng)時(shí)廠(chǎng)用電低壓母線(xiàn)的電壓下降，校驗(yàn)了所選擇的變壓器容量可靠性。

6 、結(jié)語(yǔ)

水電站廠(chǎng)用變壓器容量的選擇是水電站電氣設(shè)計(jì)中的重要部分，為水電站設(shè)計(jì)中的后續(xù)步驟打下基礎(chǔ)，例如低壓廠(chǎng)用電短路電流計(jì)算、廠(chǎng)用電變壓器所涉及到的高低壓配電裝置和導(dǎo)體的選型和校驗(yàn)等。需要設(shè)計(jì)人員對(duì)水電站的運(yùn)行管理方式、水電站廠(chǎng)用電負(fù)荷的種類(lèi)特性等都有全面深刻的了解，涉及到的實(shí)踐方面較多，還要對(duì)規(guī)程規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)非常熟悉。本文結(jié)合水電站設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)計(jì)算和選型中的原則、方法疑難點(diǎn)進(jìn)行了解釋和說(shuō)明，例如廠(chǎng)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)中的要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)技巧，變壓器容量計(jì)算的兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較和說(shuō)明，電壓校驗(yàn)和轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)的電學(xué)解釋等，使其應(yīng)用更加準(zhǔn)確科學(xué)合理。

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