若羌河水庫(kù)工程壩區(qū)供電設(shè)備的選擇

於文匯

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

若羌河水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州若羌縣境內(nèi)的若羌河上，是若羌河唯一的控制性工程，是一座以防洪、灌溉、工業(yè)供水為主，兼顧發(fā)電任務(wù)的樞紐工程。裝機(jī)容量為2×1.0 MW+0.6 MW，年利用小時(shí)數(shù)為3 908 h，年平均發(fā)電量為1 016萬(wàn)kW·h。

2 電氣主接線

本工程發(fā)電機(jī)—變壓器側(cè)接線方式采用擴(kuò)大單元+單元接線，發(fā)電機(jī)出口電壓為6.3 kV；兩臺(tái)主變高壓側(cè)接線方式為單母線接線，電壓等級(jí)為35 kV，2回進(jìn)線，1回出線。為保證壩區(qū)供電可靠性，在聯(lián)合進(jìn)水口處設(shè)一臺(tái)箱式變電站，箱變電源分別取自廠房擴(kuò)大單元和單元接線6.3 kV母線，在兩段進(jìn)線之間設(shè)置備自投裝置；同時(shí)在箱變附近設(shè)置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，接入箱變低壓側(cè)母線。

3 壩區(qū)用電負(fù)荷

根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)及采暖通風(fēng)專業(yè)提供資料，壩區(qū)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

其中，泄洪兼導(dǎo)流洞弧形工作閘門和灌溉引水發(fā)電洞進(jìn)口平面事故閘門有同時(shí)動(dòng)作的可能性。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》3.1.4的要求“具有防洪功能的泄水和水閘系統(tǒng)工作閘門的啟閉機(jī)應(yīng)設(shè)置備用電源”，本工程表孔溢洪道弧形工作閘門及泄洪兼導(dǎo)流洞弧形工作閘門為具有防洪功能的工作閘門，需設(shè)置備用電源。

表1 壩區(qū)用電負(fù)荷表

4 箱式變電站的選擇

4.1 計(jì)算過(guò)程

最大負(fù)荷為泄洪兼導(dǎo)流洞平面事故閘門（100 kW）與灌溉引水發(fā)電洞進(jìn)口平面事故閘門（30 kW）同時(shí)運(yùn)行,照明負(fù)荷取30 kW。變壓器的計(jì)算容量為:

K1：動(dòng)力負(fù)荷換算系數(shù)，同時(shí)率取1，K1取1.25；

∑P1：所有動(dòng)力負(fù)荷之和（kW），取130 kW；

∑PZ：電熱及照明負(fù)荷之和（kW），取30 kW；

最終計(jì)算得：S≥1.25×130＋30＝192.5

因此，變壓器的容量初步選為200 kVA。

4.2 變壓器校驗(yàn)

取最大一臺(tái)電機(jī)，即泄洪兼導(dǎo)流洞平面事故閘門（100 kW），該電機(jī)為變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流倍數(shù)取2，功率因數(shù)取0.8。箱變至電機(jī)的電纜型號(hào)為ZRYJV-0.6/1-3×120+1×70。

（1）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的母線電壓為：

式中：Um*—啟動(dòng)時(shí)母線電壓（標(biāo)幺值）；

uZ—變壓器阻抗電壓；

Pnd—電動(dòng)機(jī)的額定容量，kW；

Und—電動(dòng)機(jī)的額定電壓，kV；

Idb—電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，A；

Snb—變壓器的額定容量，kVA；

最終計(jì)算得：Um*=0.95，壓降為5%，小于10%，滿足要求。

（2）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的端電壓為：

式中：Ud*—電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)端電壓（標(biāo)幺值）；

r1、x1—導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻、電抗，mΩ/m；

L—導(dǎo)線長(zhǎng)度，m；

最終計(jì)算得：Ud*=0.927，壓降為7.3%，小于10%，滿足要求。

綜上所述，變壓器容量為200 kVA，滿足要求。變壓器的型號(hào)確定為SC13-200/6.3，聯(lián)接組別為Dyn11,變比為6.3±2×2.5%/0.4 kV。

5 柴油發(fā)電機(jī)的選擇

根據(jù)負(fù)荷點(diǎn)位置及荷載分析，壩區(qū)設(shè)置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。

水利樞紐壩上泄洪閘門啟閉機(jī)屬于不經(jīng)常斷續(xù)負(fù)荷，啟動(dòng)時(shí)間較短，表孔溢洪道弧形工作閘門（50 kW）、泄洪兼導(dǎo)流洞弧形工作閘門（100 kW）兩處起泄洪作用的工作閘門可根據(jù)泄洪要求順序啟動(dòng)，不會(huì)存在同時(shí)運(yùn)行的工況，故選擇柴油發(fā)電機(jī)容量時(shí)可以分階段統(tǒng)計(jì)，選取最大值進(jìn)行計(jì)算。因此選取泄洪兼導(dǎo)流洞工作閘門運(yùn)行時(shí)工況進(jìn)行計(jì)算。

5.1 計(jì)算過(guò)程

泄洪兼導(dǎo)流洞工作閘門電動(dòng)機(jī)功率為100 kW，并考慮一定的各閘門控制、照明及日常功率。泄洪兼導(dǎo)流洞工作閘門的電動(dòng)機(jī)采用變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流取額定電流的2倍。

（1）柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備長(zhǎng)期連續(xù)帶負(fù)荷運(yùn)行的要求，即SG1≥SJC1。

式中：SJC1—計(jì)算負(fù)荷，kVA；

PΣ—可能同時(shí)運(yùn)行的負(fù)荷，本工程計(jì)算時(shí)中孔泄洪洞負(fù)荷按100 kW，控制負(fù)荷按5 kW，照明及日常負(fù)荷按20 kW計(jì)；

ηΣ—計(jì)算負(fù)荷的效率，可取0.82；

cosφ—計(jì)算負(fù)荷的功率因數(shù)，可取0.80；

（2）由于電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中有較大的沖擊電流，柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)具備在帶負(fù)荷運(yùn)行情況下，能夠啟動(dòng)其他電機(jī)，因此按照啟動(dòng)容量最大的電動(dòng)機(jī)工況計(jì)算：

式中：SG2—容量最大的電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件計(jì)算發(fā)電機(jī)容量，kVA；

Pm—啟動(dòng)容量最大的電動(dòng)機(jī)的額定功率，本工程為100 kW；

cosφm—電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率因數(shù)，取0.40；

ηdcosφd—電動(dòng)機(jī)的額定效率和額定功率因數(shù)乘積，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)取0.80；

cosφG—發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，取0.80；

Kdq—電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)；

C—電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式系數(shù)，本工程為全壓?jiǎn)?dòng)，取1.0；

（3）柴油發(fā)電機(jī)組在帶負(fù)荷情況下啟動(dòng)容量最大的電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)具備短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力，即在熱狀態(tài)下承受1.5倍發(fā)電機(jī)額定容量的時(shí)間≥0.5 min，根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》公式F2.3：

式中：SG3—發(fā)電機(jī)的額定容量，kVA；

K—換算系數(shù)，取0.8；

Pdm—啟動(dòng)容量最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW；

Kdq—電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)。

為滿足以上3種工況，從上述計(jì)算結(jié)果中選取最大值，即柴油發(fā)電機(jī)容量需大于240.36 kVA（考慮功率因數(shù)0.8，折合功率為192.29 kW）。柴油發(fā)電機(jī)容量初步選擇SG1=250 kW。

5.2 柴油發(fā)電機(jī)組容量校驗(yàn)及復(fù)核

（1）柴油發(fā)電機(jī)空載啟動(dòng)容量最大的電動(dòng)機(jī)時(shí)，母線側(cè)電壓會(huì)有所降低，但不應(yīng)低于0.75倍額定電壓，根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》公式F3.1，發(fā)電機(jī)容量校驗(yàn)如下：

式中：SG4—發(fā)電機(jī)空載啟動(dòng)最大單容量電動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)母線允許電壓降校驗(yàn)發(fā)電機(jī)容量，kVA；

Pdm—容量最大的電動(dòng)機(jī)容量，kW；本工程為100 kW；

Kdq—電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)?！l(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗，通常取0.25；

ΔE—母線允許的瞬時(shí)電壓降，通常取0.25；

經(jīng)校驗(yàn)，SG1≥SG4，因此250 kW柴油發(fā)電機(jī)滿足要求。

（2）柴油發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出還需根據(jù)使用地點(diǎn)的環(huán)境條件進(jìn)行復(fù)核。本工程柴油發(fā)電機(jī)組布置在海拔高度為1 642 m的戶外，自帶箱體，箱體內(nèi)設(shè)置有加熱器來(lái)保證冬季環(huán)境溫度。經(jīng)過(guò)與廠家進(jìn)行溝通，基本確定柴油發(fā)電機(jī)在環(huán)境溫度45 ℃、相對(duì)濕度60%、海拔高度1 500～2 000 m時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率折損系數(shù)約為0.9。計(jì)算的250 kW柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率為225 kW，大于192.29 kW（240.36 kVA），滿足環(huán)境條件對(duì)其輸出功率的影響。

綜上所述，本工程壩區(qū)選取一臺(tái)容量為250 kW的柴油發(fā)電機(jī)組可滿足本工程壩區(qū)運(yùn)行工況。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于變壓器的選擇來(lái)說(shuō)，因壩區(qū)各設(shè)備距離較遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)注意校驗(yàn)用電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的端電壓是否滿足電壓降要求。對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)的選擇來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)考慮所選容量是否能在滿足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的前提條件下，同時(shí)能夠帶負(fù)荷啟動(dòng)最大單臺(tái)容量電動(dòng)機(jī)并具備短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力，在校驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意空載啟動(dòng)最大單臺(tái)容量電動(dòng)機(jī)時(shí)的發(fā)電機(jī)母線電壓降是否滿足要求，還需注意使用環(huán)境對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的影響。本工程根據(jù)上述計(jì)算及校驗(yàn)，配置一臺(tái)容量為200 kVA的箱式變電站與一套容量為250 kW的柴油發(fā)電機(jī)，即可滿足壩區(qū)各設(shè)備的供電可靠性。