小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算的探讨

陈 雅 罗造时

（安徽省霍山县淠河河道管理局 霍山 237200）

1前言

截至2011年底，全国建成小型水电工程约4.5万座，总装机容量达5000多万千瓦，在建装机1000多万千瓦，年发电量达2000多亿千瓦时，占水电总量的33%，累计解决了3亿多农村无电人口的用电问题。为保证小型水电工程的安全运行，应设置事故备用电源，以保证在小型水电工程停电时，继续给溢洪道闸门启闭机供电。由于小型水电工程中溢洪道闸门启闭电机功率相对较小，且低压柴油发电机组具有热效率高、起动迅速、结构紧凑、占地面积小、维护操作简单等特点，故在小型水电工程中采用低压柴油发电机组作为事故备用电源。

目前，小型水电工程中低压柴油发电机组容量的选择多采取估算的方法，结果往往并不准确。容量选择过小，在启动电动机时导致柴油机熄火停机或发电电压过低导致电动机根本无法启动；容量选择过大，投资和维护成本高，并且柴油机由于长期大马拉小车，造成活塞环处、喷油嘴处积炭严重，气缸磨损加剧等严重后果。本文将根据小型水电工程应急负荷特性探讨低压柴油发电机组容量计算的方法，以供小型水电工程设计人员参考。

2 容量计算

目前，水利水电设计规范及手册中都没有关于低压柴油发电机组容量计算的论述，故低压柴油发电机组容量计算只能参考其他行业。因此，本文参考《工业与民用配电设计手册》中柴油发电机组容量计算的方法，并根据小型水电工程的应急负荷特性及相关规范的要求，经过分析探讨提出适合小型水电工程特点的低压柴油发电机组容量计算方法。

2.1参考计算公式

在《工业与民用配电设计手册》的供配电系统设计中，所选择的发电机容量应同时满足以下三个条件：①发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；②发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；③在最大单台电动机或成组电动机启动时，发电机的瞬时电压降不大于20%。2.1.1按稳定负荷计算

式中：

SG1——按稳定负荷计算的发电机视在功率（kVA）；

PΣ——计算总负荷（kW）；

ηΣ——所带负荷综合效率，一般取=0.82～0.88；

cosΦ——柴油发电机组功率因数；取=0.8。

2.1.2按尖峰负荷计算

式中：

SG2——按尖峰负荷计算的发电机视在功率（kVA）；

Sm——最大单台电动机或成组电动机的起动容量（kVA）；

Kj——电动机功率下降的系数，一般取0.9～0.95；

KG——发电机组允许短时过载系数，一般取1.4～1.6。

2.1.3按发电机母线允许瞬时压降计算

式中：SG3——按母线允许瞬时压降计算的发电机视在功率（kVA）；

X'd——发电机暂态阻抗，一般取0.2；

ΔU——母线允许瞬时电压降，一般取0.2；

SstΔ——导致发电机最大电压降的电动机的最大起动容量（kVA）；

Se——单台电动机额定容量（kVA）；

ki——堵转电流与额定电流比值；

n1——同时启动的闸门启闭电机的台数；

n2——在n1台闸门启闭电机启动同时稳定运行闸门启闭电机的台数；

Pe——电机的额定功率（kW）；

η——电机的额定效率；

cos——电机的额定功率因素。

2.2计算公式的探讨

2.2.1参考计算公式的分析

在小型水电工程中，溢洪道闸门启闭机起动负荷是稳定负荷的数倍，照明、办公等事故应急负荷也很小，故按公式（1）计算出的发电机容量最小；公式（2）的 Sm、（3）的 SstΔ的取值相同，而公式（2）中其他各项积的最大值小于公式（3）中其他各项的积，故按公式（2）计算的发电机容量小于公式（3）计算的发电机容量。因此，在小型水电工程中低压柴油发电机组容量仅需参考公式（3），并根据小型水电工程中应急负荷特性对公式进行完善即可。

公式（3）中母线允许瞬时压降△U一般取0.2，而《水利水电启闭机设计规范》（SL41-2011）规定：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（即380V）的15%。即电动机启动端子电压不小于其额定电压（即380V）的85%（即320V）。当采用低压柴油发电机供电时也应满足该规范对电动机起动端子压降的要求。低压柴油发电机组额定电压为400V，当发电机母线允许瞬时压降△U取0.2时，发电机母线允许瞬时电压为320V，考虑到母线至电动机端子之间还有线路电压损失，不能满足该规范的要求，故发电机母线允许瞬时压降应根据工程实际计算。

2.2.2母线允许瞬时压降的计算方法

在小型水电工程中，要使溢洪道闸门能起动的充分必要条件为闸门启闭电机的起动转矩应大于闸门启闭最大静阻力矩。为保证工程运行安全可靠，应留有一定安全系数，具体见公式（6）。溢洪道闸门启闭最大静阻力矩由闸门设计人员给出，电动机额定转矩计算公式见（7）。

式中：Mst——电机起动力矩（N·m）；

ust——电机起动端子电压与额定电压的比值；

km——电机堵转与额定转矩的比值；

Mn——电机额定转矩；

k——安全系数，一般取1.1；

Mj——闸门最大静阻力矩（N·m）。

根据公式（6）可求得电机起动电压与额定电压的比值ust，同时根据《水利水电启闭机设计规范》（SL41-2011）中的规定，可知 ust应不小于 0.85，见公式（8）。

电动机起动端子电压等于发电机母线额定电压减去母线允许瞬时压降和线路电压损失，具体见公式（9）。

表1YZ250M1-8型电机主要技术参数

式中：Vu——电机起动时的线路电压损失百分数，公式见《工业与民用配电设计手册》中表9-63。

根据公式（9）可得到发电机母线允许瞬时压降△U，见公式（10）。

2.2.3容量计算的方法

从上文论述可知，小型水电工程中低压柴油发电机组容量计算如下：根据溢洪道闸门启闭电机参数，利用公式（7）计算电机额定转矩；根据溢洪道闸门设计人员提供的闸门最大静阻力矩，并利用公式（8）计算电机起动端子电压与额定电压的比值ust；利用公式（10）计算发电机母线允许瞬时电压降△U；利用公式（3）、（4）、（5）计算低压柴油发电机组的容量。

3 工程案例

某小型水电工程溢洪道共设8孔闸门，闸门最大静阻力矩为900N·m，闸门启闭电机型号为YZ250M1-8，电机主要技术参数见表1。在低压柴油发电机组供电时，应急负荷主要包括：溢洪道8孔闸门启闭电机：最大稳定运行方式为2孔闸门启闭电机同时运行，最不利短时运行方式为1孔闸门启闭电机稳定运行同时启动另1孔闸门启闭机，最远1台闸门启闭机起动时线路电压损失百分数为2.0%；事故照明、办公等负荷约10kW。

低压柴油发电机组容量计算如下：

3.1电动机额定转矩

3.2电机起动端子电压与额定电压的比值ust

由于ust=0.864＞0.85，故ust取0.864即可。

3.3发电机母线允许瞬时电压降△U

3.4按发电机母线允许压降计算发电机容量

根据上述计算，该工程低压柴油发电机组容量选择330kVA即可。

4结语

本文参考《工业与民用配电设计手册》中柴油发电机组容量计算的方法，并结合小型水电工程应急负荷特点及相关规范的要求对其进行分析讨论，提出小型水电工程中柴油发电机组容量计算的方法。按本文计算出的柴油发电机组容量，在小型水电工程的运行过程中没有出现安全问题，满足工程运行要求■