水電站廠用電變壓器容量選擇的方法應用與分析

【摘要】通過對水電站廠用電最大同時運行負荷的分析統計，找出了最大同時運行負荷；利用綜合系數法初步計算和選擇了廠用電變壓器的容量；并通過計算電動機啟動和成組自啟動時廠用電低壓母線的電壓下降，校驗了所選擇的變壓器容量；本文結合水電站設計實例，對計算和選型中的原則、方法疑難點進行了解釋和說明。

【關鍵詞】負荷統計；綜合系數法；電壓校驗；轉矩校驗

1、概述

文昌水電站位于肇慶市懷集縣城區文昌塔河段的綏江河流干流上，電站為低壩河床式電站，蓄水量為300.60萬m3（正常蓄水位）。水電站安裝有2臺1600kW燈泡貫流式機組，總裝機容量3200kW，保證出力815kW。年發電量1430萬kW·h，利用小時4466h。電站主要向懷集縣負荷中心縣城鎮及鄰近地區供電，多余電力輸入省電網。在電力系統中主要擔負基荷，根據系統對電站的要求，不擔負調峰、調頻、調相任務。

文昌水電站發電機變壓器組合采用兩機一變擴大單元接線方式，發電機電壓母線為6.3kV，主變升高電壓側母線為10kV，并由1回10kV架空線路接入附近電網。電站機組臺數為2臺，單機容量較小，因此預估廠用電負荷容量也小，采用機組自用電和全廠公用電共用的供電方式，廠用電負荷采用380/220V供電。廠用電電源由兩個電源供電：工作電源從10kV電壓母線引接，由一臺10/0.4kV配電變壓器向低壓廠用電系統供電；備用電源采用一臺400V柴油發電機組。

2、 廠用電最大同時運行負荷的分析統計

分析統計最大負荷的目的是選擇廠用電變壓器的容量。水電站廠用電最大負荷的出現與機組的運行方式有關，不同的運行方式有不同的負荷。例如北方寒冷地區的水電廠，冬季屬于枯水期，運行管理單位往往安排機組檢修，最大負荷出現在一臺機組檢修而其他機組運行的時候；具有調相運行功能的水電廠，用空氣壓縮機壓水的負荷是比較大的，因此最大負荷出現在電站調相運行時。根據設計規范規程并結合本工程實際情況，廠用電最大同時運行負荷分兩種運行方式分別分析統計①全部機組運行；②一臺機組檢修，另一臺機組運行。

由于廠用電負荷的運行方式多種多樣，組合情況很多，既要細微謹慎的考慮，符合理論和邏輯，又要結合水電站在不同運行方式下的實際情況。在實際統計中，一般先將明顯不可能同時運行的負荷分開，統計出可能參加同時運行的負荷。在統計中有以下幾點原則需要注意：①經常連續運行、經常短時運行的負荷如機組冷卻水泵、滲漏排水泵等，應計入；②互為備用的電動機，只計算參加運行的工作設備，不考慮備用設備；③考慮到變壓器具有一定的短時過負荷能力，可用來應付特殊情況，因此消防水泵等僅在事故情況下應用的設備，不計入最大同時運行負荷；④閘門啟閉機、清污機等在兩臺機同時運行時不經常使用，在檢修期運行的概率也很小，因此一般都不考慮；⑤油庫的油系統僅考慮在一臺機組檢修、另一臺機組運行時，計入最大同時運行負荷，因為兩臺機組同時運行時不進行油的過濾和處理工作。⑥一臺機組檢修、另一臺機組運行時，檢修負荷不必全部統計進去，這是考慮到檢修安排一般分為拆裝、檢修、裝復及調試等階段。最大負荷往往在檢修階段出現。此時已不需要吊運大件物品，且流道中的積水已經基本排空，這時橋式起重機僅考慮副鉤和大車行走負荷，檢修排水泵只需考慮流道內已基本排空情況下，開一臺泵短時運行排閘門滲漏水。

3、 廠用電變壓器容量的選擇

根據設計規范規程，本工程廠用電變壓器的容量應滿足在各種運行方式下可能出現的最大負荷。計算方法主要有“負荷統計法”和“綜合系數法”。

負荷統計法過去應用較多，多數工程技術人員已習慣沿用，主要分為幾個步驟：①對所有負荷收集其功率因數和效率值，分別進行有功P和無功Q的計算；②估計全廠公用電和機組自用電各自的負荷率、同時率取值，并考慮廠用電系統網絡損耗；③利用公式計算出廠用電最大負荷。在實際工程中，這種方法也有不足之處：一、負荷統計法過程比較復雜，要想提高計算精度，各項設備的參數和公式系數取值都要力求精準，從而使計算更加繁雜；二、在工程設計的前期階段，有不少廠用電負荷項目的容量等設備參數值本來就是估計值，難以滿足精度要求；三、假使廠用電負荷的容量、功率因數、效率等參數值準確，但是在設備實際工況中這些值往往是變化的，計算并不能達到提供精度的愿望。

綜合系數法是在負荷統計法的基礎上科學簡化而成。通過實測國內18個水電廠的運行數據，取得負荷運行實時參數、廠用電負荷率、同時率的樣本庫，從中得出一個綜合系數，將統計出的廠用電最大負荷轉化為滿足廠用電變壓器選擇要求的計算值。這種方法比負荷統計法大大簡化了，并通過實際工程案例印證了其計算結果也是比較準確的。現在業內已經推薦采用這種方法，也應用在了文昌水電站工程設計中。

文昌水電站全廠公用電與機組自用電混合供電，因此廠用電最大負荷計算時不必分別考慮兩部分，可進行整體計算。從廠用電負荷統計表可以看出，廠用電最大同時運行負荷出現在一臺機組檢修、另一臺正常運行時，最大同時運行負荷值為486.2kW。

本工程屬于小型水電站，且容量較小，綜合系數k0可參照中型水電站取值為0.79，廠用電最大負荷時的負荷額定功率總和∑P為486.2kW，則廠用電最大負荷Sjs= k0*∑P=384（kVA）。因此廠用電變壓器容量初步選擇為400kVA。

4、 廠用電變壓器容量的校驗

廠用電變壓器容量選擇一般不考慮溫度修正系數的影響，主要是滿足電動機啟動和成組自啟動時的電壓校驗要求。

4.1電動機啟動時的的電壓校驗

電動機正常啟動時，在廠用電系統低壓母線上引起的電壓下降不能妨礙其他用電設備的工作，且其端子電壓應保證被拖動機械要求的起動轉矩。

1）本工程廠用電動力負荷、照明和其他負荷共用廠用電電源，接在同一個母線上，照明和監控設備等負荷對電壓波動較為敏感，這就要求經常啟動的電動機引起的母線電壓降不宜大于10%，不經常啟動的電動機引起的母線電壓降不宜大于15%。

起動機主鉤電動機是廠用電負荷中最大功率的單臺電動機之一，因此作為典型進行校驗。主鉤電動機功率為60kW，啟動容量Sqd =6*Pn/cosφ/η，功率因數和效率的乘積取0.8，則Sqd =450kVA；廠用電變壓器額定容量Snb=400kVA；考慮最不利的啟動情況，假設啟動前廠用電低壓母線上已經帶有最大同時運行負荷S=384kVA，則根據設計手冊和規范，啟動時廠用電低壓母線標幺值

計算結果滿足要求，表明廠用變壓器容量的選擇是合理的，能保證電動機正常啟動時在廠用電系統低壓母線上引起的電壓下降不妨礙其他用電設備的工作。

2）電動機拖動的機械一般都具有一定的靜阻轉矩，它與機組轉動部分無關，主要為拖動的機械負載阻力。電動機的起動轉矩應保證能克服靜阻轉矩，才能正常起動，而起動轉矩又與電動機端電壓的平方成正比；這就要求啟動時電動機端電壓應能保證電動機拖動機械所要求的啟動轉矩。因此需要校驗，尤其是起動條件嚴酷的電動機如特重載起動設備。

考慮最不利的啟動情況，選起重機主鉤電動機作為典型進行校驗。根據轉矩特性可知，起重機的起動靜阻轉矩，啟動轉矩。根據設計手冊和規范，要保證起動轉矩，啟動時電壓需滿足

考慮最不利的啟動情況，取，，計算結果滿足要求。這表明文昌水電站電動機啟動時低壓電源電壓會下降，但可以滿足機械要求的起動轉矩。

4.2電動機成組自啟動時的的電壓校驗

在運行中，廠用電母線突然失去電壓，成組電動機均處于惰行狀態；當電壓恢復后，電動機將會成組自啟動。若失電壓時間較短，電動機未完全停轉，則電壓恢復后，電動機較容易啟動。因此成組電動機失電壓自啟動時廠用電母線允許的電壓下降可比單機直接啟動時的要求低。

在水電廠中大多數的電動機均由主回路中的接觸器來控制啟動和停止。一般來說接觸器的吸合線圈只能在電壓為額定電壓的85%～105%下正常工作；若電壓過低，雖然線圈中會產生吸合力但過小，觸頭不能正常接觸；若電壓接近85%下限值時，一般可以正常的吸合，偶爾會產生抖動。因此，需要綜合考慮電動機成組自啟動的情況，母線電壓不能過低。

1）根據國家規范要求，當電動機成組自啟動時，低壓廠用電母線電壓應滿足①空載或失壓自啟動不低于65%；②帶負荷自啟動或低壓母線與高壓母線串接自啟動不低于60%。

由負荷統計表可以看出，接于低壓母線上的自啟動負荷的啟動容量之和為Sqd=6*152/0.8=1140kVA，廠用電變壓器額定容量Snb=400kVA；考慮最不利的啟動情況，假設啟動前廠用電低壓母線上已經帶有最大同時運行負荷S=384kVA，則根據設計手冊和規范，廠用電變壓器擔負自啟動負荷時，0.4kV廠用電母線電壓標幺值

計算結果表明廠用變壓器容量的選擇是合理的，能保證電動機成組自啟動時在低壓廠用電母線上引起的電壓下降不妨礙其他用電設備的工作。

2）根據水電站廠用電負荷的實際情況，大多數為油泵、水泵及空氣壓縮機等負荷。這些負荷的起動靜阻轉矩倍數（對額定轉矩）要求不高，為。雖然電動機成組自啟動時低壓電源電壓會下降，一般都可以滿足這類機械要求的起動轉矩，此處不再計算。

5 、容量選擇結果

通過對文昌水電站廠用電最大同時運行負荷的分析統計，找出了最大同時運行負荷；利用綜合系數法初步計算和選擇了廠用電變壓器的容量；并通過計算電動機啟動和成組自啟動時廠用電低壓母線的電壓下降，校驗了所選擇的變壓器容量可靠性。

6 、結語

水電站廠用變壓器容量的選擇是水電站電氣設計中的重要部分，為水電站設計中的后續步驟打下基礎，例如低壓廠用電短路電流計算、廠用電變壓器所涉及到的高低壓配電裝置和導體的選型和校驗等。需要設計人員對水電站的運行管理方式、水電站廠用電負荷的種類特性等都有全面深刻的了解，涉及到的實踐方面較多，還要對規程規范和設計手冊非常熟悉。本文結合水電站設計實例，對計算和選型中的原則、方法疑難點進行了解釋和說明，例如廠用電負荷統計中的要點和經驗技巧，變壓器容量計算的兩種方法的優缺點比較和說明，電壓校驗和轉矩校驗的電學解釋等，使其應用更加準確科學合理。

參考文獻：

[1]工業與民用配電設計手冊（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2005

[2]NB/T 3544-2014.水力發電廠廠用電設計規程[S].國家能源局，2014

[3]GB 50055-2011.通用用電設備配電設計規范[S].中華人民共和國住房和城鄉建設部，2011