水库项目远离泵站电源的闸门供电设计

2015-03-22上海市政工程设计研究总院集团有限公司上海200092

现代建筑电气 2015年10期

关键词：闸门蓄电池变频器

朱敏智[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092]

水库项目远离泵站电源的闸门供电设计

朱敏智
[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092]

水库项目中,周边无城市电网,远离泵站电源的闸门电机起动需要大容量电源。提出了远离电源的小容量负荷供电方案,比较了几种供电方案的特点。分析表明,应急电源(EPS)电源供电方案具有经济、可靠的较大优势。

水库项目; 闸门; 电机起动; 应急电源

0 引言

目前,水库已逐渐转变为防洪、城市供水、灌溉、发电的多功能水利枢纽工程,对闸门的供电系统提出了新的要求。尤其是周边无城市电网、远离泵站电源的闸门电机起动时需要大容量电源,这要求设计人员设计出经济、合理的闸门电机供电方案,以便实现用电的安全性和可靠性。本文对远离电源的小容量负荷供电方案做了分析比较,提出了经济、可靠的供电方案。

1 项目概况

某城市建设应急水库的东北堤岸处有一座泄水闸门,尺寸为2 500 mm×2 500 mm,最低处位于水下6 m,闸门距离取水泵房约为2 km。运行单位要求闸门应能电动启闭,根据闸门厂家提供的资料,闸门阻力矩为2 400 N·M,电动执行机构为Y系列特种鼠笼式异步电机,功率为5.5 kW,额定电流为13.8 A。由于水库附近无城市电网,按照常规设计,该闸门只有从取水泵房取电。

2 供电方案的选择

2.1 高压供电方案

闸门距离取水泵房较远,设计首先考虑高压供电方案,采用10 kV架空线路,加杆上变压器。架空线选用钢芯铝绞线 LGJ-35/6,杆塔50 m一档,共40只,变压器选择S10(50 kVA),取水泵房还需要一台高压开关柜作10 kV电源馈电柜。另外,架空线路占用水库道路旁的走廊,工程量较大,架空线路方案造价较高。如果采用10 kV电缆,为满足电缆的热稳定校验,电缆截面需70 mm2,从取水泵房敷设2 km的高压电缆至变压器,造价也较高。

2.2 低压供电方案

2.2.1 直接起动

设计考虑0.4 kV低压供电,为保证闸门正常起动,闸门厂家提出闸门电机端电压降最低为-10%的额定电压。按照文献[1],无限大容量电源系统供电的电动机,全压起动时计算公式:已知取水泵房变压器容量SrT=0.16 MVA,阻抗xT=0.04,变压器一次侧短路容量Sk=50 MVA,闸门电机起动容量SStM=0.048 MVA,母线短路容量Skm=0.16 MVA/[0.04+(0.16 MVA/50 MVA)]=3.7 MVA,预接负荷的无功功率为0.05 MVA×(1-0.922)=0.007 7 Mvar,至闸门电机的低压电缆需要120 mm2,才能保证闸门电机处-10%电压降,起动回路输入容量为0.044 MVA,闸门电机电压相对值为

从取水泵房敷设2 km的大截面低压电缆至闸门电机,全压起动方案也是不经济的。

2.2.2 降压起动

为减少起动压降的影响,考虑采用降压起动的方式。降压起动方案有自耦变压器降压起动、电压斜坡软起动等。由于闸门启闭时为恒转矩负载,长时间起动时阻力矩基本不变,而这两种降压起动方案的起动转矩较小,适合空载或轻载起动的风机水泵类负载,对于闸门负载则无法正常起动。

2.2.3 变频起动

对于闸门恒转矩负载,有必要采用带有矢量控制或直接转矩控制的变频起动方案。变频器起动转矩和低速输出转矩大,响应速度快,且闸门启动时,变频器输入电流可限定在1.5倍的变频器最大连续电流,没有全压起动时6～7倍的电机额定电流。变频器在-15%电压降时能正常工作,5.5 kW闸门选用5.5 kW变频器,按照变频器21.5 A输入电流、变频器最低-15%电压降的条件,计算出低压电缆截面可减少至25 mm2。

2.3 应急电源(EPS)供电方案

随着电力电子技术的发展,应急电源(Emergence Power Supply,EPS)越来越成为一种可靠的电源产品。如果EPS使用外电源给闸门电机供电,也存在全压起动过程,为保证闸门电机压降,需选择较粗进线电缆截面,这不经济,故不使用该供电方式。设计考虑外电源仅为EPS蓄电池充电器供电,启闭闸门时,使用EPS蓄电池支持下的逆变器供电。一方面,由于蓄电池组是串联的,充电器仅需提供10%单只蓄电池组容量的充电电流,功率较低,EPS进线电缆只需满足充电器充电电流,截面较小；另一方面,蓄电池的能量可以正常启闭闸门,既解决了闸门电动启闭问题,又使整个供电方案造价较低。因为蓄电池能量有限,充电过程较长,该工作模式EPS不能频繁启闭闸门电机。EPS系统图如图1所示。

图1 EPS系统图

该项目中,EPS电池容量P=5.5 kW,应急时间t=1 h,闸门电机cosφ=0.8,蓄电池电压U=12 V,逆变器效率η1=0.95,电池放电率η2=0.65,则蓄电池组容量为

逆变器选择正弦波输出,40 kW规格。因逆变器直流侧电压需480 V,故选用40只蓄电池串联,每只蓄电池容量为24 Ah。充电器电流为0.1×24=2.4 A,蓄电池浮充电压选13.5 V,这样充电器直流电压为40×13.5=540 V,充电器功率为

P=540×2.4=1 296 W

充电器交流输入电流为

考虑EPS进线端-5%电压降,进线电缆截面选10 mm2。闸门电机就地设无源按钮盒,闸门电机起动前,通过起动按钮给EPS监控系统信号,起动逆变器给闸门电机供电。闸门电机起动完毕后,通过停止按钮给EPS监控系统信号,关闭逆变器,EPS只工作在充电状态。

3 供电方案的比较

远离电源的闸门电机供电方案比较如表1所示。

由表1可知,各种起动方案中除10 kV架空线供电方案可靠性较低外,其他均较高。低压变频起动、EPS电池起动方案造价比高压供电方案、0.4 kV全压起动方案的低。

表1 远离电源的闸门电机供电方案比较

4 结语

随着市场上电气新技术的发展,一些新的设计思路,方案也可以应用在工程设计中,这需要设计师对工程建设内容、电气新技术的特点有清晰的了解。本文对于远离电源的小容量负荷供电方案作了分析、比较、研究,提出了可靠、经济的供电方案。

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社，2005.

[2] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

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Design of Strobe Power Supply Far Away from Pumping Station in Reservoir Project

ZHU Minzhi

[Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China]

The large capacity power is required when the strobe motor starts up in reservoir project,which is without city grid electricity and far away from pumping station.This paper proposed the power supply schemes of small capacity load which was far away pumping station,and compared the characteristics of several kinds of power supply schemes.The analysis results show that the emergence power supply(EPS) has the economic and reliable advantages.

reservoir project; strobe; motor start-up; emergence power supply(EMS)