水閘工程變壓器容量選擇

毛 敏 蘭 松

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001；2.陜西省電力設(shè)計院 陜西 西安 710032）

伴隨著近些年我國對水力資源開發(fā)利用的重視，在建或者興建了很多大中型水利工程，閘門啟閉機在水利工程中發(fā)揮著越來越重要的作用；為它們提供電源的水閘電氣設(shè)備在大中型水利設(shè)施中所占比例雖較小，卻是水利工程設(shè)施發(fā)揮其功能的重要組成部分。如果電氣設(shè)備在使用過程中，不能得到合理、科學(xué)、有效的利用，必然會影響到閘門啟閉機的整體性能和實際功能，甚至?xí)＜暗剿こ趟诘氐慕?jīng)濟建設(shè)，以及當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全等，因此，必須加強對水閘電氣設(shè)備的合理選擇，這樣才能保證水利工程的建設(shè)目標(biāo)和意義。

現(xiàn)就常遇到的水利工程閘門啟閉機配電變壓器容量選擇，作一些簡要介紹，以便在類似工程設(shè)計中給予關(guān)注。本文以引漢濟渭工程三河口水利樞紐大壩閘門電氣設(shè)計為例，進(jìn)行相關(guān)計算和說明。

1 工程概述

三河口水利樞紐大壩閘門由泄洪閘門和電站進(jìn)口閘門組成。

大壩泄洪部分閘門由設(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；壩底的泄洪放空底孔設(shè)兩面弧形工作閘門，兩扇事故檢修閘門。每個底孔閘門安裝兩臺工作液壓啟閉機，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；每扇事故檢修閘門采用一臺卷揚機，電動機容量為160kW。泄洪表孔設(shè)工作閘門三扇，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。電站進(jìn)口部分由一臺臺車和一臺檢修橋機組成；臺車主啟升機構(gòu)132kW，檢修橋機35kW，事故檢修閘門由200kW的卷揚機提升。

三河口水利樞紐大壩用電包括大壩泄洪建筑物閘門用電、電站進(jìn)口閘門用電以及檢修用電、壩區(qū)照明用電。根據(jù)負(fù)荷特性，樞紐設(shè)置兩臺變壓器作為供電電源，結(jié)合拱壩特點，配電室布置在大壩右岸，并由配電室低壓屏引電纜至閘房內(nèi)的分配電屏，距離約250m；再由分配電屏給各閘門控制箱供電。

2 決定變壓器容量選擇因素

變壓器容量選擇過小將造成過負(fù)荷，燒毀變壓器，選的過大又會使電網(wǎng)功率因數(shù)變低，損耗增多，投資增大，造成浪費。水閘供電工程中，變壓器容量的選擇應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)情況、閘門電機型式、電機容量及臺數(shù)等進(jìn)行計算分析確定。在實際工程中，還應(yīng)特別注意以下幾點：

2.1 閘門的正常運行方式

水利工程中閘門提升屬于短時不連續(xù)負(fù)荷，一般情況下，不同時運行；最不利工況下，可考慮一臺正在運行，另一臺啟動，不考慮兩臺電機同時啟動的工況。

2.2 閘門電動機的型式及其啟動方式

隨著電動機功率的增大，閘門電動機有Y型異步電動機及繞線式（YZR）異步電動機等；異步電動機啟動方式也有很多種，比如直接起動、Y—△起動、自耦變壓器起動、軟啟動器起動、變頻啟動等，不同的起動方式對變壓器容量選擇差別較大。在做具體設(shè)計時，須向廠家確定電機的啟動方式。

2.3 變壓器的安裝位置及電纜截面

變壓器的安裝位置決定了供電電源與負(fù)荷的距離，即電纜的長度；電纜截面決定了阻抗的大小，這兩種因素對正常運行時要求的壓降及電動機啟動的端子壓降起著極其重要的作用，這也是最容易被大家所忽視的。

3 變壓器容量的選擇計算

三河口水利樞紐泄洪閘門選用液壓啟閉機，采用Y型異步電動機，使用軟啟動器方式啟動；正常工作時，最大運行方式為兩表孔閘門同時工作。單臺最大功率電動機為事故檢修閘門，選用200kW的繞線式Y(jié)ZR型電動機。配電室低壓屏引至閘房的分配電屏采用250m的兩根YJV-3×150＋1×70電纜并聯(lián)連接，分配電屏至表孔閘門控制箱采用70m的單根YJV-3×150＋1×70電纜，至200kW的事故檢修閘門選用兩根70m的YJV-3×150＋1×70電纜并聯(lián)。

3.1 滿足正常運行方式下，可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷

根據(jù)閘門運行方式，泄洪閘門和電站進(jìn)口閘門不同時工作，泄洪表孔3孔閘門和泄洪底孔2孔閘門不同時開啟、檢修閘門和工作閘門不同時工作等特點，壩區(qū)閘門最大運行工況為泄洪表孔的3孔雙吊點閘門有2孔同時工作，最大運行方式為55×2×2=220kW，另外再考慮20kW的照明負(fù)荷，壩區(qū)樞紐變壓器容量滿足壩區(qū)正常運行時的最大計算負(fù)荷，Seb==307kVA。

3.2 電動機啟動的校驗

根據(jù)《水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》“對于交流電源供電，在尖峰電流時，自供電變壓器的低壓母線至啟閉機任何一臺電動機端子的電壓損失不應(yīng)超過額定電壓的15%?！币虼耍栊ｒ炿妱訖C啟動時，電動機的端電壓。

3.2.1 工作閘門的電壓降

依據(jù)多層輻射供電電動機啟動方式，計算表孔工作閘門的電壓降。選取一臺泄洪表孔弧形工作閘門運行，另一孔閘門正在啟動的工況校核變壓器容量。本工程泄洪閘選用Y型電動機，并且采用軟起動器方式，取電動機輸出的起動電流倍數(shù)為3倍。

（1）工作閘門啟動時變壓器壓降△Ub

由正常運行時的最大計算負(fù)荷可初選以下變壓器容量做校驗，計算結(jié)果如表1：

表1 變壓器容量校驗

（2）線路壓降△UL

根據(jù)本工程供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及配電室位置，電纜線路應(yīng)分兩段計算其壓降；主分屏間線路L1長度為250m，其電壓降△U1=16.39kV；分屏至電動機線路L2長度為70m，電壓降△U2=21kV。

（3）工作閘門啟動時電動機的端電壓Ud%

由以上初選的變壓器容量，計算工作閘門啟動時電動機的端電壓，結(jié)果見表2；

表2 工作閘門啟動時電動機的端電壓

從以上計算結(jié)果可以看出，變壓器容量選用315kVA時，泄洪表孔閘門電動機端電壓損失超過15%，不能滿足要求，需選用400 kVA變壓器。

3.2.2 校驗單臺最大閘門啟動壓降

變壓器容量除滿足工作閘門正常運行及啟動時的壓降要求外，還需滿足單臺最大功率閘門啟動時的電動機端電壓值。本工程最大單臺功率為事故檢修閘門，其配200kW的繞線式（YZR型）電動機，并取其啟動倍數(shù)為2.5倍。

（1）事故檢修閘門啟動時，其變壓器低壓側(cè)母線壓降Um*。

表3 變壓器低壓側(cè)母線壓降

（2）事故檢修閘門啟動時，電動機的端電壓Ud*。

表4 電動機的端電壓Ud*

（3）根據(jù)以上兩種工況電壓降校驗，變壓器容量S=315kVA時，電動機端電壓不能滿足相關(guān)要求；因此，變壓器容量應(yīng)選S=400 kVA，可滿足各種工況要求。

3.3 電動機正常運行的電壓降校驗

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，電動機正常運行時，單臺最大功率電動機其端電壓的電壓降應(yīng)≤5%。電動機正常運行時的電壓降，與電纜線路的長度和電纜截面均有關(guān)系。

本工程電力電纜型號選用兩根YJV-3×150＋1×70并聯(lián)，長度為320m；經(jīng)計算，△U%＝4.49%≤5%，可滿足要求。

3.4 變壓器容量的計算結(jié)果

經(jīng)計算，三河口水閘工程同時滿足以上三種條件的變壓器容量應(yīng)選用400kVA。

4 幾點建議

4.1 計算公式的取值

在計算水閘變壓器容量時，啟動母線壓降Um*的系數(shù)取1.0，而并非《水利水電工程廠（站）用電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》SL485-2010中的1.05。由于此規(guī)范主要針對計算水電站廠用電動機的端電壓降，而電站廠用電動機電源取自廠用母線；電站廠用母線電壓取值應(yīng)為額定電壓的1.05倍，水閘供電工程應(yīng)取變壓器高壓側(cè)電壓為額定電壓值。

4.2 設(shè)計方案的比較

通過對三河口水閘工程不同供電方案進(jìn)行計算比較，為后續(xù)的水閘工程設(shè)計方案提供一點建議，以期對類似工程有所幫助。

（1）有條件的水閘工程，應(yīng)盡可能使配電室位置靠近閘室。

（2）在實際工程中，若電動機容量較大，并且配電室受條件限制，位置距水閘電動機較遠(yuǎn)時，優(yōu)先考慮多層輻射形供電方式；即從配電室低壓屏采用多根電纜并聯(lián)方式引至離閘室較近的分配電屏，再由此分配電屏引至各閘門控制箱。這種供電方案相對單層輻射供電方式具有以下幾個優(yōu)點：①可節(jié)省多根大電纜的敷設(shè)，比較經(jīng)濟；②計算電動機啟動時，由于主干線采用多根電纜并聯(lián)，使得電纜阻抗較小，線路電壓降較小，變壓器容量的選擇也經(jīng)濟；③電動機正常運行時的電壓降較小。

4.3 電纜截面的選擇

變壓器低壓側(cè)電纜截面的選擇，不僅要滿足正常運行時電動機載流量和運行壓降的要求，還對電動機啟動時的變壓器容量選擇起著一定的作用，但電纜截面選擇過大，既不節(jié)能又給施工帶來很多不必要的麻煩。因此，在選擇低壓電纜時，必須同時滿足以上幾種要求，還要兼顧經(jīng)濟性能。

5 結(jié)論

在水閘供電工程中，供電變壓器的容量與供電網(wǎng)絡(luò)、閘門電機型式、電機運行臺數(shù)及容量、電機啟動方式、供電電纜長度、截面大小等因素均相關(guān)，必須針對不同工況，通過詳細(xì)的計算，才能選取較為經(jīng)濟合理的變壓器。陜西水利

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

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

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

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