大功率低壓電機供電用變壓器的選擇與探討

張沛廣

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

目前國內(nèi)常規(guī)大功率電機通常采用高壓電機，但是由于本工程根據(jù)實際工程情況布置及電機特性，綜合考慮，閘門采用的是低壓電機。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，將對人民生命安全造成威脅，對人民生產(chǎn)生活造成不可估量的損失，因此對供電提出了更高要求。本文通過簡化計算對變壓器進行了選擇，為后續(xù)工程中低壓大功率電機供電變壓器的選擇提供了借鑒。

2 選型設(shè)計

2.1 工程狀況

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 ℃，多年平均相對濕度54%，地震烈度為Ⅷ度。阿爾塔什水利樞紐工程總裝機容量為755 MW。其中主電站單機容量175 MW，裝機臺數(shù)為4臺，利用小時數(shù)為2 457 h，距離壩區(qū)約16 km。生態(tài)電站單機容量為27.5 MW，裝機臺數(shù)為2臺，利用小時數(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)負荷主要分布在左右岸，其中1號發(fā)電洞進口閘房、1號深孔防控排沙泄洪洞閘房、2號發(fā)電洞進口閘房布置在壩區(qū)聯(lián)合進水口。

2.2 壩區(qū)電源接線方案

考慮到生態(tài)電站距離壩區(qū)近，年利用小時數(shù)高，因此壩區(qū)工作電源取自生態(tài)電站發(fā)電機出口10 kV側(cè)。根據(jù)SL 74《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》中2.1.3“泄水和水閘系統(tǒng)工作閘門的啟閉機，應(yīng)設(shè)備用動力”，在SL 485《水利水電工程廠（站）用電系統(tǒng)設(shè)計規(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應(yīng)有2個電源”，因此另一回電源取自喀群一級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)期間施工對電力的需求，工程竣工后的運行期還可作為壩區(qū)的備用電源。0.4 kV側(cè)配置一臺柴油發(fā)電機作為壩區(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、對環(huán)境適應(yīng)性強的特點，由于聯(lián)合進水口布置空間有限，故在1號深孔泄洪洞閘房旁布置1套變壓器。

2.3 變壓器容量的選擇

2.3.1 聯(lián)合進水口負荷

表1 壩區(qū)右岸負荷表

由于聯(lián)合進水口閘門正常運行時，最大負荷為1號深孔泄洪洞的事故閘門和2號發(fā)電洞事故閘門存在同時運行，根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊（電氣一次部分）》P271，公式7-18，

式中：S—所選變壓器容量（kVA）；

Kl—動力負荷換算系數(shù)，同時率取1，Kl取1.25；

∑P1—所有動力負荷之和，取820 kW；

∑PZ—電熱及照明負荷之和，取300 kW；

最終計算得：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)合進水口變壓器進口電源，一回來自生態(tài)電站10 kV廠用電，電纜型號為ZRYJV22-8.7/15-3×95，電纜長度為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ZRYJV22-8.7/15-3×120，長度約6.8 km，電纜型號為計為ZR-YJV22-8.7/15-3×95，電纜長度為2.4 km。

（1）根據(jù)來自生態(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—線路長度，取2.4 km；

當采用第一回生態(tài)電站供電時，因為電源側(cè)壓降較小，所以聯(lián)合進水口變壓器高壓側(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)合進水口變壓器計，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—第二段線路長度，取2.4 km；

當采用第二回管理區(qū)施工變電源供電時，聯(lián)合進水口變壓器高壓側(cè)可采用10 kV。

考慮到后期聯(lián)合進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荷較大，后期運行期間負荷較小，壓降較小，故綜合考慮，變壓器高壓側(cè)采用10.5 kV、無載調(diào)壓變壓器。由于變壓器主要供電對象為閘門電機、動力箱、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,變壓器的型號確定為SC13-1600/10.5。

2.3.3 變壓器容量校驗

變壓器布置在1號發(fā)電洞事故閘門閘房下游側(cè)，供電對象為1號發(fā)電洞事故閘門、2號發(fā)電洞事故閘門、1號深孔檢修閘門、動力箱、照明箱等，由上可知，最大負荷為1號深孔泄洪洞的事故閘門和2號發(fā)電洞事故閘門存在同時運行，且2號發(fā)電洞事故閘門負荷最大。因此只需對2號發(fā)電洞事故閘門電機啟動進行校驗。

（1）校驗正常情況下2號發(fā)電洞事故閘門啟動，根據(jù)廠家資料，閘門電機負荷為4×160 kW，電機采用變頻啟動，啟動電流倍數(shù)取2，功率因數(shù)取0.8，考慮到近年來常常因為電纜老化發(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110 m。根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計規(guī)程》計算變壓器母線壓降。

1）電機的啟動容量為：

2）1號深孔泄洪洞事故閘門容量：

3）發(fā)電洞閘門電機啟動前，變壓器已帶負荷：

4）母線壓降：

式中：Kqd—啟動電流倍數(shù)，取2；

Pd—電機功率，取640kW；

ηdcosΦd—電動機效率和額定功率因數(shù)的乘積，簡化計算時取0.8；

S1—1號深孔泄洪洞的事故閘門負荷；

Sz—照明及采暖負荷，取300 kVA；

—啟動時母線電壓（標幺值）；

Sqd—電動機的啟動容量，kVA；

S2—啟動前廠用低壓母線上已帶負荷，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)計規(guī)程》中6.3.1中規(guī)定“電機不經(jīng)常啟動時不宜大于15%”，滿足要求。

（2）求電動機端壓降。

1）電動機啟動電流：

2）電動機端壓降為：

式中：Kqd—啟動電流倍數(shù)，取2；

Ind—額定電流，A；

Pd—電機功率，取640 kW；

ηdcosΦd1—電動機效率和額定功率因數(shù)的乘積，簡化計算時取0.8；

—啟動時母線電壓（標幺值）；

Iqd—電動機的啟動電流，取342A；

r1、x1—導線單位長度的電阻取0.014 25 mΩ/m、電抗取0.1 mΩ/m；

L—導線長度，取110m；

cosΦd—電動機啟動功率因數(shù)，取0.6；

Und—電動機額定電壓，取0.38 kV；

最終計算得：=0.878，壓降為12.2%，小于15%，滿足要求。

3 結(jié)論

由于大功率低壓電機啟動電流大，為簡化計算，只考慮電機在啟動階段的運行工況。目前本工程機電設(shè)備基本已安裝完成，通過變壓器的設(shè)置滿足本工程的要求，對后續(xù)工程設(shè)計提供了參考。