高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目噴灌機(jī)選型與供電技術(shù)淺析

王 爽，李鄭淼

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施，貫徹“十分珍惜、合理利用土地和切實(shí)保護(hù)耕地”的基本國(guó)策。噴灌機(jī)選型與供電作為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目的順利實(shí)施起著決定性作用。 本文通過分析噴灌機(jī)型式及負(fù)荷構(gòu)成， 擬定供電設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算， 系統(tǒng)完成了噴灌機(jī)選型與供電設(shè)計(jì)，加快了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目的基本建設(shè)，具備較強(qiáng)的可行性及實(shí)用性。

1 工程概況

呼倫貝爾農(nóng)墾集團(tuán)莫拐農(nóng)場(chǎng)2020 年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)面積約680 hm2, 主要包含泵站和灌溉區(qū)噴灌設(shè)施兩部分。新建四隊(duì)提水泵站，并對(duì)已有的三隊(duì)提水泵站和三隊(duì)配水泵站進(jìn)行更新改造，引水至北側(cè)的灌溉區(qū)［1］。本文主要敘述灌溉區(qū)內(nèi)噴灌機(jī)的配電設(shè)計(jì)情況。

根據(jù)工程規(guī)模，考慮灌溉區(qū)種植情況、地塊大小形狀及便于管理等因素， 分別采用中心支軸式噴灌機(jī)和平移式噴灌機(jī)進(jìn)行噴灌， 其中中心支軸式噴灌機(jī)3 臺(tái)，平移式噴灌機(jī)17 臺(tái)。

2 項(xiàng)目地區(qū)地貌類型

項(xiàng)目區(qū)地處于大興安嶺西麓， 屬于低山丘陵區(qū)地貌，整體地勢(shì)西南低東北高，坡度緩而長(zhǎng)，海拔在650～760 m。地勢(shì)平坦、廣闊，起伏幅度不大,低山丘陵山頂呈渾圓狀，地形坡度較緩。

本次高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū)主要集中在地勢(shì)相對(duì)平坦、土壤肥沃的區(qū)域。因此，采用噴灌機(jī)作為農(nóng)田噴灌設(shè)施的設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

3 噴灌機(jī)型式及負(fù)荷構(gòu)成

3.1 噴灌機(jī)型式構(gòu)成

根據(jù)灌溉區(qū)地塊的形狀、大小及田間道路分布情況，對(duì)噴灌機(jī)型式因地制宜地進(jìn)行確定。

中心支軸式噴灌機(jī)又稱指針式噴灌機(jī)或圓形噴灌機(jī)，如圖1。對(duì)于形狀不規(guī)則、面積較大的地塊，采用中心支軸式噴灌機(jī)［2］。該種類噴灌機(jī)主要包含中心支軸和跨體兩部分， 跨體長(zhǎng)度可根據(jù)地塊大小結(jié)合樣本進(jìn)行選擇。噴灌機(jī)工作時(shí)，跨體以中心支軸為圓點(diǎn)，像時(shí)針一樣轉(zhuǎn)動(dòng)，通過灌溉半徑長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)灌溉面積。跨體上的行走支架在田間作圓周運(yùn)動(dòng)，為避免對(duì)農(nóng)作物的損害， 行走支架上配備特制的灌溉型輪胎，該種輪胎具備輪胎軌跡窄、浮動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖1 中心支軸式噴灌機(jī)

平移式噴灌機(jī)主要用于較為規(guī)整、 形狀為矩形的地塊［2］，如圖2。該種類噴灌機(jī)主要包含行走支架和跨體兩部分， 跨體長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際地塊面積結(jié)合樣本進(jìn)行選擇。噴灌機(jī)工作時(shí)，行走支架沿矩形地塊的長(zhǎng)邊移動(dòng)，帶動(dòng)跨體進(jìn)行平移式噴灌。

圖2 平移式噴灌機(jī)

3.2 噴灌機(jī)負(fù)荷構(gòu)成

本工程灌溉區(qū)共劃分20 個(gè)地塊，每個(gè)地塊設(shè)置1 臺(tái)噴灌機(jī)，編號(hào)為1#～20#。結(jié)合各地塊形狀等實(shí)際情況對(duì)噴灌機(jī)進(jìn)行選型，噴灌機(jī)的設(shè)置情況如表1。

表1 各地塊噴灌機(jī)設(shè)置數(shù)量及功率

4 噴灌機(jī)供電設(shè)計(jì)方案及相關(guān)計(jì)算

4.1 噴灌機(jī)電源引接及設(shè)備布置

噴灌機(jī)主要功能為農(nóng)田噴灌， 考慮按三級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)，采用單電源供電。噴灌機(jī)主要采用柱上變電站或柴油發(fā)電機(jī)供電。本工程噴灌區(qū)共設(shè)置2 座容量為50 kVA 的柱上變電站、2 臺(tái)容量不小于25 kW 的柴油發(fā)電機(jī)和5 臺(tái)容量不低于50 kW 的柴油發(fā)電機(jī)。

4.1.1 柱上變電站供電

當(dāng)噴灌機(jī)采用柱上變電站供電時(shí)，1 座柱上變電站可同時(shí)為多臺(tái)噴灌機(jī)供電。以本工程1#柱上變電站的布置情況為例，對(duì)變電站的位置選擇進(jìn)行說明，如圖3。圖3 包含4 個(gè)地塊，每個(gè)地塊均設(shè)置1 臺(tái)噴灌機(jī)（編號(hào)為4#～7#）。從減少工程投資的角度考慮，在4#～7#噴灌機(jī)的中間位置，僅設(shè)置1 座柱上變電站（1#柱上變電站），即可滿足4#～7#噴灌機(jī)集中供電的要求。 地塊的西北側(cè)有一條南北向道路， 經(jīng)實(shí)地勘察，沿路現(xiàn)有1 路10 kV 高壓線路，可為1#柱上變電站高壓側(cè)提供電源。1#柱上變電站沿10 kV 高壓線路布置，以減小高壓線路的長(zhǎng)度。由變壓器低壓側(cè)出線箱引接3 回0.4 kV 回路供電。其中，4#噴灌機(jī)（功率為3.3 kW）和5#噴灌機(jī)（功率為9.9 kW）各采用1 回0.4 kV 回路；6#和7#噴灌機(jī)（功率之和為14.3 kW）共用1 回0.4 kV 回路。 相比之下，6#和7#噴灌機(jī)的功率最大，供電電纜的截面最大，單價(jià)最高。為減小供電電纜的投資，應(yīng)盡可能縮短6#和7#噴灌機(jī)供電電纜的長(zhǎng)度，保證柱上變電站與6#和7#噴灌機(jī)的電源引接點(diǎn)的距離最短。

圖3 1#柱上變電站及4#～7#噴灌機(jī)布置

中心支軸式噴灌機(jī)和平移式噴灌機(jī)均采用接線箱配電，接線箱由廠家配套提供。當(dāng)采用柱上變電站供電時(shí)，中心支軸式噴灌機(jī)設(shè)置1 面接線箱，布置在噴灌機(jī)的中心支軸平臺(tái)處。由變壓器低壓側(cè)出線箱引接回路為該接線箱供電。如圖3，由1#柱上變電站引接一路0.4 kV 回路至4#噴灌機(jī)中心支軸平臺(tái)并與接線箱連接， 即可實(shí)現(xiàn)該噴灌機(jī)供電。平移式噴灌機(jī)設(shè)置1 組接線箱，沿噴灌機(jī)機(jī)架行走軌跡布置，間距約100 m。由變壓器低壓側(cè)出線箱引接0.4 kV 回路為其中1 面接線箱供電， 再由該接線箱向兩端輻射，為相鄰的接線箱供電，具體接線方式如圖4。6#噴灌機(jī)和7#噴灌機(jī)所處地塊相鄰，噴灌機(jī)工作時(shí)，6#噴灌機(jī)和7#噴灌機(jī)的機(jī)架均沿地塊交接位置移動(dòng)。 沿噴灌機(jī)行走軌跡僅設(shè)置1 組接線箱即可為6#噴灌機(jī)和7#噴灌機(jī)供電。6#噴灌機(jī)和7#噴灌機(jī)可根據(jù)自身行進(jìn)位置， 就近從接線箱引接電源。兩臺(tái)噴灌機(jī)可同時(shí)接入1 面接線箱，也可分別接入2 面不同的接線箱。

圖4 6#、7#平移式噴灌機(jī)接線箱接線

4.1.2 柴油發(fā)電機(jī)供電

當(dāng)噴灌機(jī)采用柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)，1 臺(tái)噴灌機(jī)配1 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電。柴油發(fā)電機(jī)布置在中心支軸式噴灌機(jī)的支軸平臺(tái)處或平移式噴灌機(jī)的機(jī)架上，由柴油發(fā)電機(jī)出線至噴灌機(jī)用電設(shè)備。

4.2 噴灌機(jī)供電電纜截面選擇

噴灌機(jī)采用柱上變電站供電時(shí)，變電站設(shè)置于多臺(tái)噴灌機(jī)中間，可同時(shí)為多臺(tái)噴灌機(jī)供電，變電站至噴灌機(jī)的距離較遠(yuǎn)；采用柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置于噴灌機(jī)附近，只為單臺(tái)噴灌機(jī)供電，柴油發(fā)電機(jī)至噴灌機(jī)的距離較近。因此，當(dāng)噴灌機(jī)采用柱上變電站供電時(shí)，噴灌機(jī)的供電電纜較長(zhǎng)、截面較大，這為田間供電造成了困難。供電線路在滿足電壓降要求的同時(shí)，應(yīng)盡可能縮小電纜截面，從而最大限度縮小工程投資。因此，供電線路截面和電壓降的計(jì)算為本工程電氣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》［3］，線路的電壓降計(jì)算式為：

式中ΔU%為線路電壓損失（%）；Δua%為三相線路每1 A·km 的電壓損失百分?jǐn)?shù)（%/（A·km））；Ii為負(fù)荷計(jì)算電流（A）；li為線路長(zhǎng)度（km）。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］，當(dāng)噴灌機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，噴灌機(jī)電動(dòng)機(jī)處電壓降計(jì)算值ΔU%小于等于5 時(shí)，所選擇的電纜截面合理可行。

本工程采用銅芯電纜為噴灌機(jī)供電， 為減小工程投資， 部分工程也有采用鋁芯電纜為噴灌機(jī)供電的設(shè)計(jì)。在負(fù)荷相同的情況下，鋁芯電纜的電壓損失高于銅芯電纜，鋁芯電纜的截面也更大，這為工程施工造成了難度。因此，本工程不考慮鋁芯電纜供電的方案。

本工程噴灌機(jī)低壓供電線路長(zhǎng)度包含兩部分：柱上變電站至噴灌機(jī)接線箱部分及噴灌機(jī)接線箱至噴灌機(jī)的電動(dòng)機(jī)端部分。相比之下，后一部分的線路長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于前一部分，所以為了簡(jiǎn)化計(jì)算，兩部分線路采用相同截面的電纜， 并將兩部分線路長(zhǎng)度之和計(jì)入線路長(zhǎng)度進(jìn)行合并計(jì)算。 電壓降計(jì)算分別參考《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》［3］和《天津市建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集》［5］中所列Δua%的數(shù)據(jù)，Δua%為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在線路電壓損失ΔU%控制在5%以內(nèi)的情況下，采用試算法對(duì)本工程噴灌機(jī)供電電纜截面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 噴灌機(jī)供電電纜截面計(jì)算

經(jīng)比較， 針對(duì)本工程所涉及的20 臺(tái)噴灌機(jī)，參考不同文獻(xiàn)所計(jì)算的噴灌機(jī)供電電纜的截面選取情況一致，參考《天津市建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集》［5］所計(jì)算的線路電壓損失ΔU%偏大，數(shù)值相對(duì)保守。

5 結(jié)語

根據(jù)灌溉區(qū)地塊的實(shí)際情況， 對(duì)噴灌機(jī)進(jìn)行選型；參考不同文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和比選，力求做到噴灌機(jī)供電的安全、經(jīng)濟(jì)、合理。電壓降計(jì)算、配電方式選擇和電纜截面選擇計(jì)算具有較高的可靠性和較強(qiáng)的實(shí)用性，加快了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的基本建設(shè)，推進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，保證了土地可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。