水利水电工程泄洪闸门柴油发电机组容量选择

毛 敏

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

水利水电工程中具有泄洪功能的大坝枢纽闸门属于一级负荷中特别重要的负荷，它们一旦中断供电将造成人员伤亡和重大的经济损失。为确保其正常工作，这些负荷除由双重电源供电外，还应增设应急电源。

柴油发电机具有功率范围广、结构简单、体积小、价格便宜、易起动、运行平稳、操作维护简单、方便等特点，是作为水利工程一级负荷应急电源最好的选择。在配置柴油发电机组时，最重要的是机组额定功率的确定，即容量的选择。由于水利工程的应急电源需要较高的可靠性，但其利用率很低，因此容量过大会造成初期投资大、运行经济效益差，也造成运输、安装的困难和不必要的浪费，增加维护量；过小的功率又会使发电机负荷过重，在电动机起动时，使压降过大，电动机不能起动，降低机组可靠性和寿命，甚至在关键时刻超载停机，造成事故。因此，需要根据柴油发电机组的励磁及调压方式、调速性能、供电负荷大小及起动时柴油发电机已带负荷的多少和功率的大小等合理选择机组的容量。

本文以引汉济渭工程三河口水利枢纽大坝泄洪闸门配置的柴油发电机容量选择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泄洪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，三孔开敞式泄流表孔与两个泄洪放空底孔交错相间并排布置。坝底的泄洪放空底孔设两面弧形工作闸门，每个底孔闸门安装两台工作门液压启闭机，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。泄洪表孔设工作闸门三扇，运行方式为动水启闭、任意开度运行，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。

根据拱坝特点，柴油发电机房与配电室紧邻布置，一并放于大坝右岸景观平台处。

2 水利枢纽泄洪闸门负载特性及柴油发电机组容量选择要求

2.1 水利枢纽泄洪闸门负载特性

（1）水利水电工程中闸门运行时间较短，属于短时不连续负荷；

（2）起泄洪作用的闸门一般不同时运行，根据泄流要求顺序开启；

（3）闸门容量负荷较大，不易启动；

（4）需保证较高的可靠性。

2.2 柴油发电机容量选择一般要求

（1）满足连续输出容量需要；

（2）满足电动机启动时电压降的要求：

①认为发电机带自动调整励磁装置；

②电动机启动容量达最大值是瞬间的，不考虑两台及以上电动机的同时启动造成冲击的问题；

③不考虑电动机按容量大小顺次启动以减小发电机容量的工况，与泄洪要求存在矛盾；

④按空载启动单台最大容量电动机及发电机母线已接负荷两种情况，对电动机启动时压降分别检验；

⑤柴油发电机至电动机之间配电线路电压降的影响。

3 柴油发电机容量的选配

针对水利工程闸门特点，在实际工程中，柴油发电机容量选择着手下面三个方面进行，并按其最大者确定机组的选择容量。

引汉济渭工程泄洪工作闸门均选用液压启闭机，其配套油泵电机采用Y型节能电机。本工程55kW的Y型电动机采用目前较为普遍的软起动器方式，Y型异步电动机软启动器启动时起动电流为额定电流的2倍～4倍。因不同厂家产品的差异，取电动机输出的起动电流倍数为3倍。

3.1 按最大计算负荷选择发电机容量

依据《水利水电工程厂（站）用电系统设计规范》（SL485-2010），柴油发电机组的计算负荷应考虑应急负荷的投运规律，对于时间上能错开运行的应急负荷不应全部计算，可以分阶段统计同时运行的应急负荷，取其最大者作为计算负荷。本工程柴油发电机组的计算负荷应选取两孔泄洪表孔双吊点闸门同时运行的状况，即每孔双吊点闸门额定功率为55kW×2，并考虑一定的照明负荷进行计算。经过计算，柴油发电机的计算负荷Sjs=338.2kVA。

3.2 按带负荷后仍满足最大单台电动机或成组电动机的启动需要校验发电机容量

（1）发电机连续输出容量（即发电机的额定容量）应大于最大计算负荷；

（2）柴油发电机组的容量大小，除满足连续输出容量外，还必须进行电动机启动时的电压校验，即按带负荷后仍满足最大单台电动机或成组电动机的起动需要校验发电机容量。

本工程最大单台电动机容量为泄洪表孔双吊点闸门55kW×2=110kW，电动机的起动功率因数取0.4，电动机启动倍数取7，电动机起动方式系数取0.42。经校验，柴油发电机带负荷后仍满足最大单台电动机的容量，SG2=379kVA。

3.3 按空载起动最大的单台电动机时母线允许电压降校验发电机容量

发电机在其母线尚未接入其它负荷而首先起动单台最大容量电机时，在起动电流的突然冲击下，发电机内阻抗上产生电压降，而励磁系统来不及快速调压，使其母线的电压降最大。

发电机次暂态电抗取0.25，母线允许的瞬时电压降取0.25，按母线上的电压降不宜低于额定电压的75%计算，空载起动最大的单台电动机时母线允许电压降范围内的发电机容量为SG3=303kVA。

3.4 柴油发电机组容量的确定

根据以上三种工况计算的数据，应选取最大者作为柴油发电机组的容量。考虑cosφ=0.8时，本工程需选用300kW的柴油发电机组，可满足各种工况要求，与使用全阻抗计算法校验柴油发电机容量的结果一致，而且所选容量与柴油发电机组的计算负荷（正常运转负荷）接近，证明此柴油发电机组的容量选择较经济、且电动机的起动方式较合理。

4 合理选择电动机起动方式

根据上述三种工况计算柴油发电机容量时，若SG2和SG3值比SG1大的较多，主要是由于电动机采用直接起动方式引起的。因此，选择柴油发电机组的容量时，还必须考虑电动机的起动方式，以尽可能使变压器运行容量较经济节能。而选择电动机起动方式时，还应考虑起动转矩的大小，由于电动机的起动转矩与电压平方成正比，为了保证生产机械的正常起动，电动机的电磁转矩必须大于生产机械的转矩。

在选择发电机容量时，要具体分析，是电动机降压起动选择小容量发电机组，还是电动机直接起动选择较大容量发电机组，要进行综合技术经济比较确定。我们工程希望所选的发电机容量应尽量与发电机正常连续运转容量近似较为有利。

5 柴油发电机的简化选择

5.1 电动机直接起动时的柴油发电机容量

对直接起动时发电机容量，起动倍数K取7，可按同时满足以下三种简化条件选取柴油发电机组的容量：

（1）SG1≥1.5 P∑

（2）SG2=1.5 P∑+2.9 Pm

（3）SG3=6.6 Pn

5.2 电动机软起动方式时的柴油发电机容量

对较大功率的电动机采用软启方式时，起动倍数K取3，可按同时满足以下三种简化条件选取柴油发电机组的容量：

（1）SG1≥1.5 P∑

（2）SG2=1.5 P∑+0.4 Pm

（3）SG3=2.8 Pn

5.3 柴油发电机的型式要求

（1）选用的柴油发电机组应采用快速自启动的应急型，当系统电源失去后，柴油发电机组应能自动启动。首次启动恢复供电的时间不宜大于15 s，并应装设手动启动、快速自动启动及电源自动切换装置。

（2）柴油发电机组具有时刻准备自启动投入工作并能保证连续3次自启动成功投入的功能。当连续3次自启动失败，能发出报警信号，并闭锁自启动回路。

（3）发电机采用快速反应的无刷型自动励磁装置，装设过电流保护和单相接地保护。

6 结语

柴油发电机是保证泄洪闸门正常运行非常重要的电源，在外电源全部消失时，备用柴油发电机是整个枢纽的唯一供电电源，是排除险情的重要保证。因此，合理选择发电机的容量，应充分考虑计算负荷、电动机启动方式及启动倍数、电缆长度及截面等与之相关的各种条件。另外，工程中还应考虑不同种类、型号发电机和电动机参数的差异以及设备老化对性能的影响来最终确定发电机组容量。

[1]《水利水电工程厂（站）用电系统设计规范》（SL485-2010）[S].

[2]《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）[S].

[3]《水力发电厂机电设计规范》（DL/T5186-2004）[S].

[4]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996年1月第1版.

[5]《水利水电工程启闭机设计规范》（SL41-2011）[S].