水闸工程变压器容量选择

2014-02-27毛敏兰松

陕西水利 2014年3期

毛敏兰松

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001；2.陕西省电力设计院陕西西安 710032）

伴随着近些年我国对水力资源开发利用的重视，在建或者兴建了很多大中型水利工程，闸门启闭机在水利工程中发挥着越来越重要的作用；为它们提供电源的水闸电气设备在大中型水利设施中所占比例虽较小，却是水利工程设施发挥其功能的重要组成部分。如果电气设备在使用过程中，不能得到合理、科学、有效的利用，必然会影响到闸门启闭机的整体性能和实际功能，甚至会危及到水利工程所在地的经济建设，以及当地居民的生命财产安全等，因此，必须加强对水闸电气设备的合理选择，这样才能保证水利工程的建设目标和意义。

现就常遇到的水利工程闸门启闭机配电变压器容量选择，作一些简要介绍，以便在类似工程设计中给予关注。本文以引汉济渭工程三河口水利枢纽大坝闸门电气设计为例，进行相关计算和说明。

1 工程概述

三河口水利枢纽大坝闸门由泄洪闸门和电站进口闸门组成。

大坝泄洪部分闸门由设于坝底的两孔泄洪放空底孔和坝表面的三孔泄洪表孔组成；坝底的泄洪放空底孔设两面弧形工作闸门，两扇事故检修闸门。每个底孔闸门安装两台工作液压启闭机，每台工作液压启闭机电动机容量为2×55kW，电动机运行方式为一用一备；每扇事故检修闸门采用一台卷扬机，电动机容量为160kW。泄洪表孔设工作闸门三扇，安装三台双吊点液压启闭机，每台启闭机电动机容量3×55kW，电机运行方式为两用一备。电站进口部分由一台台车和一台检修桥机组成；台车主启升机构132kW，检修桥机35kW，事故检修闸门由200kW的卷扬机提升。

三河口水利枢纽大坝用电包括大坝泄洪建筑物闸门用电、电站进口闸门用电以及检修用电、坝区照明用电。根据负荷特性，枢纽设置两台变压器作为供电电源，结合拱坝特点，配电室布置在大坝右岸，并由配电室低压屏引电缆至闸房内的分配电屏，距离约250m；再由分配电屏给各闸门控制箱供电。

2 决定变压器容量选择因素

变压器容量选择过小将造成过负荷，烧毁变压器，选的过大又会使电网功率因数变低，损耗增多，投资增大，造成浪费。水闸供电工程中，变压器容量的选择应根据供电系统情况、闸门电机型式、电机容量及台数等进行计算分析确定。在实际工程中，还应特别注意以下几点：

2.1 闸门的正常运行方式

水利工程中闸门提升属于短时不连续负荷，一般情况下，不同时运行；最不利工况下，可考虑一台正在运行，另一台启动，不考虑两台电机同时启动的工况。

2.2 闸门电动机的型式及其启动方式

随着电动机功率的增大，闸门电动机有Y型异步电动机及绕线式（YZR）异步电动机等；异步电动机启动方式也有很多种，比如直接起动、Y—△起动、自耦变压器起动、软启动器起动、变频启动等，不同的起动方式对变压器容量选择差别较大。在做具体设计时，须向厂家确定电机的启动方式。

2.3 变压器的安装位置及电缆截面

变压器的安装位置决定了供电电源与负荷的距离，即电缆的长度；电缆截面决定了阻抗的大小，这两种因素对正常运行时要求的压降及电动机启动的端子压降起着极其重要的作用，这也是最容易被大家所忽视的。

3 变压器容量的选择计算

三河口水利枢纽泄洪闸门选用液压启闭机，采用Y型异步电动机，使用软启动器方式启动；正常工作时，最大运行方式为两表孔闸门同时工作。单台最大功率电动机为事故检修闸门，选用200kW的绕线式YZR型电动机。配电室低压屏引至闸房的分配电屏采用250m的两根YJV-3×150＋1×70电缆并联连接，分配电屏至表孔闸门控制箱采用70m的单根YJV-3×150＋1×70电缆，至200kW的事故检修闸门选用两根70m的YJV-3×150＋1×70电缆并联。

3.1 满足正常运行方式下，可能出现的最大负荷

根据闸门运行方式，泄洪闸门和电站进口闸门不同时工作，泄洪表孔3孔闸门和泄洪底孔2孔闸门不同时开启、检修闸门和工作闸门不同时工作等特点，坝区闸门最大运行工况为泄洪表孔的3孔双吊点闸门有2孔同时工作，最大运行方式为55×2×2=220kW，另外再考虑20kW的照明负荷，坝区枢纽变压器容量满足坝区正常运行时的最大计算负荷，Seb==307kVA。

3.2 电动机启动的校验

根据《水利水电工程启闭机设计规范》“对于交流电源供电，在尖峰电流时，自供电变压器的低压母线至启闭机任何一台电动机端子的电压损失不应超过额定电压的15%。”因此，需校验电动机启动时，电动机的端电压。

3.2.1 工作闸门的电压降

依据多层辐射供电电动机启动方式，计算表孔工作闸门的电压降。选取一台泄洪表孔弧形工作闸门运行，另一孔闸门正在启动的工况校核变压器容量。本工程泄洪闸选用Y型电动机，并且采用软起动器方式，取电动机输出的起动电流倍数为3倍。

（1）工作闸门启动时变压器压降△Ub

由正常运行时的最大计算负荷可初选以下变压器容量做校验，计算结果如表1：

表1 变压器容量校验

（2）线路压降△UL

根据本工程供电系统网络及配电室位置，电缆线路应分两段计算其压降；主分屏间线路L1长度为250m，其电压降△U1=16.39kV；分屏至电动机线路L2长度为70m，电压降△U2=21kV。

（3）工作闸门启动时电动机的端电压Ud%

由以上初选的变压器容量，计算工作闸门启动时电动机的端电压，结果见表2；

表2 工作闸门启动时电动机的端电压

从以上计算结果可以看出，变压器容量选用315kVA时，泄洪表孔闸门电动机端电压损失超过15%，不能满足要求，需选用400 kVA变压器。

3.2.2 校验单台最大闸门启动压降

变压器容量除满足工作闸门正常运行及启动时的压降要求外，还需满足单台最大功率闸门启动时的电动机端电压值。本工程最大单台功率为事故检修闸门，其配200kW的绕线式（YZR型）电动机，并取其启动倍数为2.5倍。

（1）事故检修闸门启动时，其变压器低压侧母线压降Um*。

表3 变压器低压侧母线压降

（2）事故检修闸门启动时，电动机的端电压Ud*。

表4 电动机的端电压Ud*

（3）根据以上两种工况电压降校验，变压器容量S=315kVA时，电动机端电压不能满足相关要求；因此，变压器容量应选S=400 kVA，可满足各种工况要求。

3.3 电动机正常运行的电压降校验

根据相关规范，电动机正常运行时，单台最大功率电动机其端电压的电压降应≤5%。电动机正常运行时的电压降，与电缆线路的长度和电缆截面均有关系。

本工程电力电缆型号选用两根YJV-3×150＋1×70并联，长度为320m；经计算，△U%＝4.49%≤5%，可满足要求。

3.4 变压器容量的计算结果

经计算，三河口水闸工程同时满足以上三种条件的变压器容量应选用400kVA。

4 几点建议

4.1 计算公式的取值

在计算水闸变压器容量时，启动母线压降Um*的系数取1.0，而并非《水利水电工程厂（站）用电系统设计规范》SL485-2010中的1.05。由于此规范主要针对计算水电站厂用电动机的端电压降，而电站厂用电动机电源取自厂用母线；电站厂用母线电压取值应为额定电压的1.05倍，水闸供电工程应取变压器高压侧电压为额定电压值。

4.2 设计方案的比较

通过对三河口水闸工程不同供电方案进行计算比较，为后续的水闸工程设计方案提供一点建议，以期对类似工程有所帮助。

（1）有条件的水闸工程，应尽可能使配电室位置靠近闸室。

（2）在实际工程中，若电动机容量较大，并且配电室受条件限制，位置距水闸电动机较远时，优先考虑多层辐射形供电方式；即从配电室低压屏采用多根电缆并联方式引至离闸室较近的分配电屏，再由此分配电屏引至各闸门控制箱。这种供电方案相对单层辐射供电方式具有以下几个优点：①可节省多根大电缆的敷设，比较经济；②计算电动机启动时，由于主干线采用多根电缆并联，使得电缆阻抗较小，线路电压降较小，变压器容量的选择也经济；③电动机正常运行时的电压降较小。