張沛廣
(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)
目前國(guó)內(nèi)常規(guī)大功率電機(jī)通常采用高壓電機(jī),但是由于本工程根據(jù)實(shí)際工程情況布置及電機(jī)特性,綜合考慮,閘門采用的是低壓電機(jī)。由于本工程屬于大(I)型水利樞紐工程,一旦發(fā)生潰壩或閘門不能正常啟動(dòng),將對(duì)人民生命安全造成威脅,對(duì)人民生產(chǎn)生活造成不可估量的損失,因此對(duì)供電提出了更高要求。本文通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)變壓器進(jìn)行了選擇,為后續(xù)工程中低壓大功率電機(jī)供電變壓器的選擇提供了借鑒。
新疆阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河干流山區(qū)河段上,是葉爾羌河干流山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程,是一座具有防洪、灌溉、生態(tài)和發(fā)電等綜合任務(wù)的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。本電站壩頂海拔1 821.80 m,多年平均氣溫10.2 ℃,極端最高氣溫39.8 ℃,極端最低氣溫-24 ℃,多年平均相對(duì)濕度54%,地震烈度為Ⅷ度。阿爾塔什水利樞紐工程總裝機(jī)容量為755 MW。其中主電站單機(jī)容量175 MW,裝機(jī)臺(tái)數(shù)為4臺(tái),利用小時(shí)數(shù)為2 457 h,距離壩區(qū)約16 km。生態(tài)電站單機(jī)容量為27.5 MW,裝機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái),利用小時(shí)數(shù)為7 418 h,布置在壩后右岸,距離壩區(qū)約1~2 km。
新疆阿爾塔什水利樞紐工程采用混凝土面板砂礫石-堆石壩,壩區(qū)負(fù)荷主要分布在左右岸,其中1號(hào)發(fā)電洞進(jìn)口閘房、1號(hào)深孔防控排沙泄洪洞閘房、2號(hào)發(fā)電洞進(jìn)口閘房布置在壩區(qū)聯(lián)合進(jìn)水口。
考慮到生態(tài)電站距離壩區(qū)近,年利用小時(shí)數(shù)高,因此壩區(qū)工作電源取自生態(tài)電站發(fā)電機(jī)出口10 kV側(cè)。根據(jù)SL 74《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》中2.1.3“泄水和水閘系統(tǒng)工作閘門的啟閉機(jī),應(yīng)設(shè)備用動(dòng)力”,在SL 485《水利水電工程廠(站)用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中3.1.5 也有類似的規(guī)定“有泄洪要求的大壩閘門啟閉機(jī)應(yīng)有2個(gè)電源”,因此另一回電源取自喀群一級(jí)水電站至阿爾塔什水利樞紐工程35 kV輸變電工程的10 kV側(cè),這樣不僅解決了建設(shè)期間施工對(duì)電力的需求,工程竣工后的運(yùn)行期還可作為壩區(qū)的備用電源。0.4 kV側(cè)配置一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)作為壩區(qū)的保安電源。
變壓器具有布置緊湊、占地面積小、安裝方便、選址靈活、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),由于聯(lián)合進(jìn)水口布置空間有限,故在1號(hào)深孔泄洪洞閘房旁布置1套變壓器。
2.3.1 聯(lián)合進(jìn)水口負(fù)荷
表1 壩區(qū)右岸負(fù)荷表
由于聯(lián)合進(jìn)水口閘門正常運(yùn)行時(shí),最大負(fù)荷為1號(hào)深孔泄洪洞的事故閘門和2號(hào)發(fā)電洞事故閘門存在同時(shí)運(yùn)行,根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)(電氣一次部分)》P271,公式7-18,
式中:S—所選變壓器容量(kVA);
Kl—?jiǎng)恿ω?fù)荷換算系數(shù),同時(shí)率取1,Kl取1.25;
∑P1—所有動(dòng)力負(fù)荷之和,取820 kW;
∑PZ—電熱及照明負(fù)荷之和,取300 kW;
最終計(jì)算得:S≥1 325 kW。
所以變壓器容量選擇1 600 kVA。
2.3.2 變壓器變比及接線組別的選擇
由于本工程聯(lián)合進(jìn)水口變壓器進(jìn)口電源,一回來(lái)自生態(tài)電站10 kV廠用電,電纜型號(hào)為ZRYJV22-8.7/15-3×95,電纜長(zhǎng)度為2.4 km,生態(tài)電站高壓廠用電電壓為10.5 kV;另一回來(lái)自管理區(qū)變電站,中間采用兩種類型的電纜,其中電纜型號(hào)ZRYJV22-8.7/15-3×120,長(zhǎng)度約6.8 km,電纜型號(hào)為計(jì)為ZR-YJV22-8.7/15-3×95,電纜長(zhǎng)度為2.4 km。
(1)根據(jù)來(lái)自生態(tài)電站的一回電源選擇的變壓器高壓側(cè)電壓.
1)來(lái)自生態(tài)電站10 kV線路電流為:
2)變壓器高壓側(cè)電壓為:
式中:U—變壓器高壓側(cè)電壓,kV;
U1—線路標(biāo)稱電壓,取10 kV;
U2—生態(tài)電站高壓廠用電電壓,取10.5 kV;
S—變壓器容量,取1 600 kVA;
△U—線路壓降,kV;
I—線路電流,A;
Z—線路阻抗,取0.22 Ω/km;
L—線路長(zhǎng)度,取2.4 km;
當(dāng)采用第一回生態(tài)電站供電時(shí),因?yàn)殡娫磦?cè)壓降較小,所以聯(lián)合進(jìn)水口變壓器高壓側(cè)可采用10.5 kV。
(2)管理區(qū)變壓器容量為6 300 kVA。
1)第一段10 kV線路的額定電流為
2)第二段按聯(lián)合進(jìn)水口變壓器計(jì),10 kV線路的額定電流為
3)變壓器高壓側(cè)電壓為:
U—變壓器高壓側(cè)電壓,kV;
U1—線路標(biāo)稱電壓,取10 kV;
U2—生態(tài)電站高壓廠用電電壓,取10.5 kV;
S—變壓器容量,取1 600 kVA;
△U—線路壓降,kV;
I1—第一段線路電流,363.8 A;
Z1—第一段線路阻抗,取0.183 Ω/km;
L1—第一段線路長(zhǎng)度,取6.8 km;
I2—第二段線路電流,92.38 A;
Z2—第二段線路阻抗,取0.22 Ω/km;
L2—第二段線路長(zhǎng)度,取2.4 km;
當(dāng)采用第二回管理區(qū)施工變電源供電時(shí),聯(lián)合進(jìn)水口變壓器高壓側(cè)可采用10 kV。
考慮到后期聯(lián)合進(jìn)水口變壓器主電源引自生態(tài)電站,第二回管理區(qū)施工電源為備用電源,且第二回管理區(qū)施工電源在前期施工期負(fù)荷較大,后期運(yùn)行期間負(fù)荷較小,壓降較小,故綜合考慮,變壓器高壓側(cè)采用10.5 kV、無(wú)載調(diào)壓變壓器。由于變壓器主要供電對(duì)象為閘門電機(jī)、動(dòng)力箱、照明箱等,均采用0.4 kV,且根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》,低壓廠用電宜采用TN-S或TN-C-S,低壓廠用電電壓宜采用0.4 kV,因此變壓器變比為10.5±2.5%/0.4 kV,聯(lián)接組別為Dyn11,變壓器的型號(hào)確定為SC13-1600/10.5。
2.3.3 變壓器容量校驗(yàn)
變壓器布置在1號(hào)發(fā)電洞事故閘門閘房下游側(cè),供電對(duì)象為1號(hào)發(fā)電洞事故閘門、2號(hào)發(fā)電洞事故閘門、1號(hào)深孔檢修閘門、動(dòng)力箱、照明箱等,由上可知,最大負(fù)荷為1號(hào)深孔泄洪洞的事故閘門和2號(hào)發(fā)電洞事故閘門存在同時(shí)運(yùn)行,且2號(hào)發(fā)電洞事故閘門負(fù)荷最大。因此只需對(duì)2號(hào)發(fā)電洞事故閘門電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行校驗(yàn)。
(1)校驗(yàn)正常情況下2號(hào)發(fā)電洞事故閘門啟動(dòng),根據(jù)廠家資料,閘門電機(jī)負(fù)荷為4×160 kW,電機(jī)采用變頻啟動(dòng),啟動(dòng)電流倍數(shù)取2,功率因數(shù)取0.8,考慮到近年來(lái)常常因?yàn)殡娎|老化發(fā)生事故,因此本階段電纜采用四根ZR-YJV22-0.6/1-3×300+1×150的電纜并聯(lián),單根電纜長(zhǎng)110 m。根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》計(jì)算變壓器母線壓降。
1)電機(jī)的啟動(dòng)容量為:
2)1號(hào)深孔泄洪洞事故閘門容量:
3)發(fā)電洞閘門電機(jī)啟動(dòng)前,變壓器已帶負(fù)荷:
4)母線壓降:
式中:Kqd—啟動(dòng)電流倍數(shù),取2;
Pd—電機(jī)功率,取640kW;
ηdcosΦd—電動(dòng)機(jī)效率和額定功率因數(shù)的乘積,簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)取0.8;
S1—1號(hào)深孔泄洪洞的事故閘門負(fù)荷;
Sz—照明及采暖負(fù)荷,取300 kVA;
—啟動(dòng)時(shí)母線電壓(標(biāo)幺值);
Sqd—電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量,kVA;
S2—啟動(dòng)前廠用低壓母線上已帶負(fù)荷,kVA;
Snb2—低壓廠用變壓器額定容量,取1 600 kVA;
Uz2—低壓廠用變壓器的阻抗電壓,取0.06;
最終計(jì)算得:=0.972 5,壓降為2.75%,根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》中6.3.1中規(guī)定“電機(jī)不經(jīng)常啟動(dòng)時(shí)不宜大于15%”,滿足要求。
(2)求電動(dòng)機(jī)端壓降。
1)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流:
2)電動(dòng)機(jī)端壓降為:
式中:Kqd—啟動(dòng)電流倍數(shù),取2;
Ind—額定電流,A;
Pd—電機(jī)功率,取640 kW;
ηdcosΦd1—電動(dòng)機(jī)效率和額定功率因數(shù)的乘積,簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)取0.8;
—啟動(dòng)時(shí)母線電壓(標(biāo)幺值);
Iqd—電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流,取342A;
r1、x1—導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻取0.014 25 mΩ/m、電抗取0.1 mΩ/m;
L—導(dǎo)線長(zhǎng)度,取110m;
cosΦd—電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率因數(shù),取0.6;
Und—電動(dòng)機(jī)額定電壓,取0.38 kV;
最終計(jì)算得:=0.878,壓降為12.2%,小于15%,滿足要求。
由于大功率低壓電機(jī)啟動(dòng)電流大,為簡(jiǎn)化計(jì)算,只考慮電機(jī)在啟動(dòng)階段的運(yùn)行工況。目前本工程機(jī)電設(shè)備基本已安裝完成,通過(guò)變壓器的設(shè)置滿足本工程的要求,對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供了參考。