張沛廣

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

為了滿足壩區(qū)閘門的供電要求，保證供電的安全穩(wěn)定，目前國內(nèi)大中型水利樞紐工程的壩區(qū)閘門采用就近設(shè)置變電站作為正常運行的電源點，根據(jù)變電站的位置、供電距離、閘門負(fù)荷，應(yīng)考慮供電距離及電纜截面對壓降的影響。

新疆阿爾塔什水利樞紐工程的閘門屬于1類負(fù)荷，為了保證閘門供電的可靠性，壩區(qū)左岸閘門供電采用雙電源供電的箱變，設(shè)置一臺柴油電動機作為備用電源。閘門的供電歸根結(jié)底是電動機的供電，對于重載啟動的閘門電動機均為繞線電動機、啟動過程的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜。閘門電動機啟動初期電流大、時間短；閘門電動機額定運行期間電流為額定電流、時間相對較長。因此，針對電動機啟動、運行過程中的電纜進(jìn)行分析，對電纜的熱穩(wěn)定進(jìn)行校驗。

由于工程壩區(qū)左岸的電動機負(fù)荷較多，考慮到2#表孔弧形工作閘門電動機功率較大、距離較遠(yuǎn)、啟動電流倍數(shù)較高的特點，本文以壩區(qū)左岸2#表孔弧形工作閘門為例，對電纜進(jìn)行選型、校驗、對比分析，最終確定電纜參數(shù)，在工程實際設(shè)計過程中總結(jié)出估算公式，為今后類似工程的電纜選型提供參考。

1 工程概況

工程位于葉爾羌河干流山區(qū)河段上，是葉爾羌河干流山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，是一座具有防洪、灌溉、生態(tài)和發(fā)電等綜合利用任務(wù)的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。本電站壩頂海拔1821.80m，多年平均氣溫10.2℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-24℃，多年平均相對濕度54%，地震烈度為Ⅷ度。工程總裝機容量為755MW，其中主電站單機容量175MW，裝機臺數(shù)為4臺，利用小時數(shù)為2457h，距離壩區(qū)約16km；生態(tài)電站單機容量為27.5MW，裝機臺數(shù)為2臺，利用小時數(shù)為7418h，布置在壩后右岸，距離壩區(qū)約1～2km。

工程采用混凝土面板砂礫石-堆石壩，壩區(qū)閘門的電力負(fù)荷主要分布在左右岸，其中1#、2#發(fā)電洞進(jìn)口閘房和1#深孔防控排沙泄洪洞閘房布置在壩區(qū)右岸；1#、2#表孔溢洪洞進(jìn)口閘房和中孔泄洪洞進(jìn)口閘房、2#深孔泄洪洞進(jìn)口閘房布置在壩區(qū)左岸。

2 負(fù)荷及分布條件

中孔1000kVA變壓器的主要供電對象為1#、2#表孔及中孔閘門，壩區(qū)左岸各閘門負(fù)荷見表1。

表1 壩區(qū)左岸各閘門負(fù)荷

2#表孔工作閘門為2臺電壓等級為380V、功率為90kW的電動機，電動機采用軟啟動，2臺電動機一用一備；閘門輔助控制負(fù)荷為5kW。2#表孔工作閘門的電源取自中孔箱變，距離中孔變壓器約280m。

3 電纜的選擇

根據(jù)《新疆葉爾羌河阿爾塔什水利樞紐工程初步設(shè)計報告》要求，電纜做如下選擇：

(1)2#表孔參與壩區(qū)泄洪，作為整個樞紐工程的重要泄洪建筑物，電源需保持連接具有高可靠性，故選擇銅芯電纜。

(2)極端最高氣溫39.6℃，按40℃計，環(huán)境溫度載流量校正系數(shù)K1取1.0，多根并行敷設(shè)載流量校正系數(shù)環(huán)境溫度矯正系數(shù)K2取0.8。2#表孔閘門回路的額定電流為：

(1)

式中，Pn—電動機有功功率，kW；Un—電動機額定電壓，kV；?—電動機功率因數(shù)角。

表2為電纜參數(shù)表，電纜截面S≥70mm2。

表2 電纜參數(shù)表

(3)2#表孔箱變采用的是1000kVA的變電站，0.4kV低壓側(cè)采用TN-S接地系統(tǒng)，2#表孔閘門動力柜采用三相四線制，考慮到動力回路的額定工作電流不是很高，電纜選擇四芯電纜。

(4)對于目前國內(nèi)0.4 kV低壓電纜的電壓等級為0.6/1kV，本工程低壓側(cè)工頻電壓按照承受交流3kV(有效值)1min耐壓進(jìn)行設(shè)計，電纜的工頻耐壓大于2.5U0+2=2.5×0.6+2=3.5kV>3 kV，故低壓電纜電壓等級0.6/1 kV滿足要求。

(5)壩區(qū)左岸1827.00m平臺大部分為基巖開挖，對現(xiàn)場電纜溝布置約束較大，電纜溝基本沿著回填地段布置，因此應(yīng)優(yōu)先選擇彎曲半徑小的電纜。

四芯低壓電纜直徑及彎曲半徑對比表見表3。

表3 四芯低壓電纜直徑及彎曲半徑對比表

由表3可知，鎧裝四芯電纜與非鎧裝四芯電纜外徑相差不大，且鎧裝四芯電纜彎曲半徑相對較小?？紤]到本工程地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境條件惡劣、電纜走向不一，選擇鎧裝電纜。電纜初步選定為ZR-YJV22-0.6/1-3×70+1×35。

4 電纜的校驗

供電回路示意圖如圖1所示。

圖1 供電回路示意圖

4.1 電動機啟動階段

電動機啟動初期過程比較復(fù)雜，電壓波動較大，宜產(chǎn)生過負(fù)荷，2#表孔工作閘門電動機采用軟啟動，根據(jù)廠家資料，啟動電流倍數(shù)不大于4，本工程啟動電流倍數(shù)取4。由于控制柜到啟閉機距離較短，可按照額定載流量進(jìn)行電纜選擇，選擇ZR-YJV22-0.6/1-3×70+1×35。

(1)計算變壓器電壓降：

①變壓器容量：Snb2=1000kVA。②根據(jù)規(guī)范變壓器短路阻抗：UZ2=0.06。③啟動前變壓器的負(fù)荷按嚴(yán)重情況取值，即1#、2#表孔及中孔同時參與泄洪，即當(dāng)2#表孔工作閘門在1#表孔及中孔工作閘門正在運行時啟動：

(2)

式中，Ifgb— 2#表孔電動機啟動前變壓器的負(fù)荷電流，A；Pn— 1#表孔及中孔工作閘門電動機有功功率，kW；Un—1#表孔及中孔工作閘門電動機額定電壓，kV；?—1#表孔及中孔工作閘門電動機功率因數(shù)角。

④啟動前變壓器的負(fù)荷按嚴(yán)重情況取值：

(3)

式中，Iqb—2#表孔電動機啟動時變壓器的負(fù)荷電流，A；Ifgb—2#表孔電動機啟動前變壓器的負(fù)荷電流，A；Iqd—2#表孔電動機的啟動電流，A。

⑤啟動時變壓器的電壓降：

(4)

式中，ΔUb— 2#表孔電動機啟動時變壓器的電壓降，V；Iqb— 2#表孔電動機啟動時變壓器的負(fù)荷電流，A；Unb2— 變壓器低壓側(cè)額定電壓，V；Uz2— 變壓器阻抗電壓，V；Snb2— 變壓器額定容量，kVA。

(2)計算中孔箱變至2#表孔閘門控制柜之間線路L1電纜電壓降：

①根據(jù)上表70mm2電纜的電阻：r11=0.2705Ω/km。② 中孔箱變至2#表孔閘門控制柜距離：L11=0.28km。③ 中孔箱變至2#表孔閘門控制柜之間線路L1電纜電壓降：

(5)

式中，ΔU1—箱變、2#表孔控制柜間線路L1上的電壓降，V；I2—2#表孔控制柜上除啟動的電動機外的其他負(fù)荷的計算電流，A；L1— 箱變到2#表孔控制柜間線路長度，km；r11— 箱變到2#表孔控制柜間線路單位長度電阻，Ω/km；x11— 箱變到2#表孔控制柜間線路單位長度電抗，Ω/km；Iqb— 2#表孔電動機啟動時變壓器的負(fù)荷電流，A。

(3)控制柜至電動機之間線路L2電纜電壓降：

(6)

式中，ΔU2—2#表孔控制柜到2#表孔電動機線路L2上的電壓降，V；Iqd— 2#表孔電動機的啟動電流，A；L2—2#表孔控制柜到2#表孔電動機線路L2上的線路長度，km；r12— 2#表孔控制柜到2#表孔電動機線路單位長度電阻，Ω/km；x12— 2#表孔控制柜到2#表孔電動機線路單位長度電抗，Ω/km；φd— 2#表孔電動機啟動時的功率因數(shù)角。

(4)啟動時機端電壓降百分比：

(7)

式中，ΔUd%—機端啟動電壓降百分?jǐn)?shù)；ΔUb— 啟動時變壓器的電壓降，V；ΔU1— 箱變到2#表孔控制柜間線路L1上的電壓降，V；ΔU2—2#表孔控制柜到2#表孔電動機線路L2上的電壓降，V。

①計算校驗的數(shù)學(xué)模型中變壓器、電纜、電動機均按照運行期間不發(fā)生變化考慮，實際壓降比理論值要大，整個模型未考慮電纜連接的接觸電阻，接觸電阻與現(xiàn)場施工單位的施工工藝有關(guān)。②變壓器、電纜、電動機等電器設(shè)備按照30年運行壽命考慮，隨著設(shè)備的運行，電氣設(shè)備不可避免會發(fā)生絕緣老化，導(dǎo)體氧化等現(xiàn)象，最終會導(dǎo)致供電回路壓降及損耗增大。③隨著工程的投運，閘門也會出現(xiàn)腐蝕，泥沙淤積，預(yù)埋件會出現(xiàn)銹蝕形變等，引起閘門啟動時電動機的出力增加，導(dǎo)致壓降增大。④由于2#表孔工作閘門控制回路采用施耐德LC1-D150系列接觸器，當(dāng)回路的啟動電壓降在15%～45%之間，操作回路的磁力啟動器動作時，接觸器吸合線圈的吸合力小導(dǎo)致接觸不良，發(fā)生抖動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致接觸器觸頭燒損，考慮到本工程屬大(1)型Ⅰ等工程，庫容大，一旦發(fā)生泄洪閘門不能正常啟動，發(fā)生潰壩，將對下游造成不可估量的損失。

因此出于安全與長期運行考慮，本電站按照啟動壓降15%考慮，啟動時機端壓降27.43%>15%，不滿足要求。

4.2 電動機額定工況正常運行時

(1)正常運行時，變壓器負(fù)荷按嚴(yán)重情況取值：

(8)

式中，S2—2#表孔電動機正常運行時變壓器的負(fù)荷，kVA；Unb— 變壓器低壓側(cè)額定電壓，V；Ifgb— 2#表孔電動機啟動前變壓器的負(fù)荷電流，A。

(2)電動機額定工況運行時母線電壓：

(9)

式中，Um*—2#表孔電動機啟動時母線電壓(標(biāo)幺值)；Uz2— 變壓器阻抗電壓，V；Se— 2#表孔電動機的額定容量，kVA；Unb2— 變壓器低壓側(cè)額定電壓，V。

(3)電動機額定工況運行時運行時電動機端電壓：

(10)

式中，Ud*—電動機啟動時端電壓(標(biāo)幺值)；Ie— 電動機的額定電流，A；L1—箱變到2#表孔控制柜導(dǎo)線長度，km；φd— 電動機啟動時的功率因數(shù)角；r1—箱變到2#表孔控制柜導(dǎo)線單位長度電阻，Ω/km；x1— 箱變到2#表孔控制柜導(dǎo)線單位長度電抗，Ω/km；φd— 2#表孔電動機啟動時的功率因數(shù)角；Und— 2#表孔電動機額定電壓，V。

(4)電動機機端壓降為1-0.968=0.032=3.2%

電動機電壓過低，對電動機的主磁通、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率及電流均有影響，一般生產(chǎn)廠家電動機正常運行電壓要求不大于5%，

電動機機端壓降3.2%<5%，滿足要求。

按照上述計算方法，計算見表4。電纜啟動壓降及運行壓降對比圖如圖2所示。

圖2 電纜啟動壓降及運行壓降對比圖

表4 啟動壓降及運行壓降對比表

所以在進(jìn)行電纜選型時，應(yīng)考慮一定的裕度，中孔箱變至2#表孔控制柜暫定兩根ZR-YJV22-0.6/1-3×185+1×95并聯(lián)。

4.3 熱穩(wěn)定校驗

(1)1000kVA變壓器阻抗：

變壓器負(fù)載損耗：Pd=12300W

變壓器每相電阻值：

(11)

式中，Se—變壓器額定容量，kVA；Ue— 變壓器低壓側(cè)電壓，V。

變壓器電阻電壓百分?jǐn)?shù)：

(12)

變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)：Ud%=0.06

變壓器電抗電壓百分?jǐn)?shù)：

(13)

變壓器電抗百分值：

(14)

(2)電纜阻抗

本工程環(huán)境溫度按照40℃計，回路單位長度(兩根并聯(lián))的電阻r=0.0512 mΩ/m

電纜每相電阻值

Rdl=ρL=0.0512×280=14.336mΩ

(15)

式中，L—線路長度，m。

回路單位長度(兩根并聯(lián))的電抗x=0.1mΩ/m

電纜每相電抗值

Xdl=xL=0.1×280=28mΩ

(16)

(3)短路電流

短路電阻值R∑=1.968+14.336=16.304mΩ

短路電抗值X∑=9.3952+28=37.3952mΩ

短路阻抗值

(17)

變壓器短路電流周期分量：

(18)

式中，U—變壓器低壓側(cè)電壓，V。

事故閘門和工作閘門不同時運行，電動機最大運行功率為中孔事故閘門電動機，電動機反饋電流周期分量的起始有效值：

(19)

式中，Pnd— 電動機額定有功功率，kW；短路電流：

(20)

(4)熱穩(wěn)定校驗

電纜所處的環(huán)境溫度最高值：θ0=40℃

聚乙烯絕緣電纜的額定負(fù)荷的電纜導(dǎo)體允許最高工作溫度：θH=90℃

因此電纜實際最大工作電流：

(21)

式中，Pn— 電動機額定有功功率，kW。

短路發(fā)生前的電纜導(dǎo)體最高工作溫度：

(22)

式中，θ0— 環(huán)境溫度，℃；θH— 電纜額定負(fù)荷的電纜導(dǎo)體允許最高工作溫度，℃；IH— 電纜額定負(fù)荷電流，A。

發(fā)熱系數(shù)：

(23)

式中，θm— 短路作用時間內(nèi)電纜導(dǎo)體允許最高溫度，取250℃；α— 20℃時電纜導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)，取0.00393(1/℃)；J— 熱功當(dāng)量系數(shù)，取1.0；q— 電纜導(dǎo)體的單位體積熱容量，取3.4(J/cm3·℃)；k— 電纜芯導(dǎo)體的交流電阻與直流電阻之比值，取1.009；ρ— 20℃時電纜導(dǎo)體的電阻系數(shù)，取0.0148×10-4Ω·cm；η— 計入包含電纜導(dǎo)體充填物熱熔影響的校正系數(shù)，取0.93。

根據(jù)廠家提供資料斷路器反時限動作時間0.06～0.3s，校驗按照最嚴(yán)重的情況計，取0.3s，電纜熱效應(yīng)：

(24)

式中，t—斷路器保護(hù)動作時間，s。

滿足熱穩(wěn)定校驗的電纜截面：

(25)

式中，C— 熱穩(wěn)定系數(shù)。

因此本工程選擇電纜為兩根ZR-YJV22-0.6/1-3×185+1×95并聯(lián)，滿足熱穩(wěn)定校驗。

5 分析與研究

5.1 分析

(1)進(jìn)行初選電纜時，70mm2的電纜不滿足要求主要原因如下：① 電動機功率大，電壓等級低，啟動電流倍數(shù)大，從而導(dǎo)致電壓降落較大。② 電動機距離變壓器遠(yuǎn)，供電距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致電纜阻抗增大，從而導(dǎo)致電壓降落較大。③ 變壓器所帶負(fù)荷較大，導(dǎo)致母線電壓下降，使得電動機機端電壓降落增大。

(2)為減少電動機機端電壓降，提出如下4個方案：① 增加一臺變壓器布置在2#表孔閘房旁。受現(xiàn)地地形及交通限制，此方案大大增加設(shè)備及土建費用，方案造價最高。② 選用一臺大容量的變壓器。此方案不僅增加了設(shè)備費用，而且使得變壓器備用容量過大，造成不必要的浪費。③ 增加電纜截面，選用大截面電纜。此方案比較經(jīng)濟合理，可行性較好。④ 切除變壓器其他負(fù)荷(中孔閘門電動機及1#表孔電動機)。設(shè)計的變壓器主要是為泄洪工作閘門電動機供電，因此此方案不可行。

5.2 研究

增加電纜截面是最為經(jīng)濟有效的方法，但是壓降計算成果得出結(jié)論：隨著電纜截面的不斷增加，電壓降不斷減少，電壓降變化幅度也逐漸變小。對于遠(yuǎn)距離、大功率低壓電動機的供電，啟動壓降對電纜截面的選擇影響較大?？紤]到計算過程復(fù)雜，針對常規(guī)環(huán)境條件，變壓器容量大于500kVA時，在對于阿爾塔什水利樞紐工程閘門電動機供電計算中，總結(jié)出估算公式，供后續(xù)工程參考，公式如下：

(26)

式中，K1—啟動電流倍數(shù)；K2—阻抗轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1.6+0.008445S；L—電纜長度，km；S—電纜截面，mm2；Ie—電纜通過的電動機額定電流，A；△U—變壓器壓降，取0.01I,當(dāng)小于500A時，△U可以忽略不計；I—電動機啟動前變壓器的負(fù)荷電流，A。

對于本工程I為399A， 小于500A，可以忽略不計，公式可以簡化為：

(27)

計算結(jié)果見表5。實際計算壓降與估算壓降對比圖如圖3所示。

表5 電纜型號壓降對比表

圖3 實際計算壓降與估算壓降對比圖

根據(jù)表5可以發(fā)現(xiàn)，估算壓降與實際計算壓降進(jìn)行比較，當(dāng)電纜截面較小時，誤差較大，但估算值大于實際計算值，所選電纜滿足要求，隨著電纜截面的增大，估算計算結(jié)果趨近于實際計算值。

6 結(jié)論

控制回路能否正常穩(wěn)定操作、電動機能否穩(wěn)定運行，與整個工程運行人員及其下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全緊密相連。目前，阿爾塔什水利樞紐工程已完成下閘蓄水階段的調(diào)試，電纜滿足實際需要。由于在遠(yuǎn)距離、大功率低壓電動機的供電計算中，數(shù)學(xué)模型的影響因素較多，現(xiàn)場實際情況錯綜復(fù)雜，幾乎難以做到數(shù)據(jù)精確、面面俱到，且實際運行時電動機啟動電壓降比計算理論值要大，因此根據(jù)工程實際情況，通過對系數(shù)適當(dāng)?shù)倪x取，以達(dá)到供電穩(wěn)定可靠，可為今后比較重要的遠(yuǎn)距離大功率低壓電動機的電纜選擇提供借鑒思路。