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荷中特別重要的負荷，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、供電負荷大小及起動時柴油發(fā)電機已帶負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認為發(fā)電機帶自動調(diào)整勵磁裝置；

②電動機啟動容量達最大值是瞬間的，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)電機組的計算負荷應(yīng)考慮應(yīng)急負荷的投運規(guī)律，對于時間上能錯開運行的應(yīng)急負荷不應(yīng)全部計算，可以分階段統(tǒng)計同時運行的應(yīng)急負荷，取其最大者作為計算負荷。本工程柴油發(fā)電機組的計算負荷應(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荷進行計算。經(jīng)過計算，柴油發(fā)電機的計算負荷Sjs=338.2kVA。

3.2 按帶負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?？紤]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)電機組的計算負荷（正常運轉(zhuǎn)負荷）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].