顏加捷

（福建省水利管理中心，福建 福州 350001）

1 水庫(kù)啟閉電機(jī)運(yùn)行狀況及原因分析

赤蘭溪水庫(kù)位于福建省漳浦縣，是一座具有灌溉、防洪、供水、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫(kù)，總庫(kù)容1281.6萬(wàn)m3。溢洪道位于副壩左端，1981年在堰頂掛閘，閘門共5孔，每孔凈寬4m，閘門型式為C20鋼筋混凝土平板閘門。輸水涵洞位于主壩右側(cè)，為直徑1.1m的鋼管，放水設(shè)備為斜拉鑄鐵平板閘門。水庫(kù)共配備6臺(tái)3.5kW普通Y系列籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，其中5臺(tái)配合溢洪道螺桿啟閉機(jī)使用，1臺(tái)配合涵洞螺桿啟閉機(jī)使用。水庫(kù)總負(fù)荷50kW，功率因數(shù)為0.8。水庫(kù)通過(guò)1.1km長(zhǎng)的380V三相架空線路接入石過(guò)陂水庫(kù)的10kV變壓器低壓端，輸電線路采用LGJ-95/20導(dǎo)線。

近年來(lái)，水庫(kù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)溢洪道啟閉電機(jī)高水位時(shí)存在開啟困難、溫升異常等情況。為了查明原因，水庫(kù)管理部門對(duì)啟閉設(shè)備進(jìn)行全面的檢查，發(fā)現(xiàn)閘門、啟閉機(jī)均已按照規(guī)范進(jìn)行防銹、上油處理，止水橡皮也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)老化變形現(xiàn)象，可以將摩擦力過(guò)大導(dǎo)致閘門卡住等因素排除。因此，初步判斷主要原因在于電壓過(guò)低。下面論述中將根據(jù)電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)等相關(guān)理論對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù) 《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》，送電線路計(jì)算電壓損失的簡(jiǎn)化公式 （忽略了電壓橫分量）為：

式中：△U—電壓損失值，V

P—有功功率，W

R—線路電阻，Ω

Q—無(wú)功功率，VA

X—線路電抗，Ω

U0—電源端線電壓，380V

按30kW負(fù)荷同時(shí)投入運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算?？梢缘玫剑€路電壓損失△U=53.2V。

由此可知，電機(jī)的電源電壓與額定值的偏差遠(yuǎn)大于5%。根據(jù)《電機(jī)基本技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T755-2008），旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電壓偏差值不得超過(guò)5%。當(dāng)電源電壓低于額定值的5%時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于欠壓運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

電機(jī)欠壓運(yùn)行的原因分析如下：

（1）運(yùn)行工況的改變。按照水庫(kù)供電的初始設(shè)計(jì)，輸電線路主要滿足啟閉設(shè)備、照明等負(fù)載的需要。按照原工況10kW負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，線路電壓損失為4.6%，可以滿足規(guī)范要求。但是，1981年溢洪道掛閘后增加了5臺(tái)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，之后為了加強(qiáng)水庫(kù)運(yùn)行管理和改善值守人員的工作生活條件，又逐步增加了洪水預(yù)警報(bào)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、空調(diào)等負(fù)載，導(dǎo)致輸電線路超載運(yùn)行。

（2）線路老化，電壓損失增大。按照 《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范》SL72-94規(guī)定，輸電線路等配電設(shè)備的使用年限為20年。赤蘭溪水庫(kù)從投入運(yùn)行以來(lái)，線路尚未得到更換，老化嚴(yán)重，電壓損失增大，這也是造成電機(jī)欠壓運(yùn)行的重要原因。

2 水庫(kù)啟閉電機(jī)欠壓運(yùn)行的危害

2.1 電動(dòng)機(jī)異常升溫，影響電機(jī)壽命

為了分析危害情況，引用了 《電機(jī)學(xué)》的幾個(gè)相關(guān)公式。首先，忽略漏磁通等微小因素，電動(dòng)機(jī)的磁通與相電壓有以下關(guān)系：

式中：U1—相電壓，V

E1—定子感應(yīng)電勢(shì)，V

f1—感應(yīng)磁場(chǎng)頻率，HZ

N—定子繞組每相匝數(shù)

kw1—繞組因數(shù)

Φm—主磁通，Wb

可以看出，定子繞組的主磁通與相電壓近似成正比關(guān)系。再根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式：

式中：T—轉(zhuǎn)矩，N·m

CT—常數(shù)

I2/Cos準(zhǔn)2—轉(zhuǎn)子電流的有功分量

綜合分析上述兩個(gè)公式可以知道，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓下降的時(shí)候，磁通將同步減小。這就要求轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流上升以帶動(dòng)負(fù)載，使得轉(zhuǎn)子電流超出額定值，電動(dòng)機(jī)異常升溫。根據(jù)《電機(jī)基本技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，Y系列電動(dòng)機(jī)絕緣等級(jí)為B級(jí)，溫升限額為80K，如果超出限額，電動(dòng)機(jī)絕緣材料使用壽命將減少。

2.2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響閘門啟閉

堵轉(zhuǎn)是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中負(fù)載增大到一定程度時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)急劇下降到零，或是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，軸上負(fù)載大于電動(dòng)機(jī)輸出力矩，轉(zhuǎn)子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。啟閉電機(jī)一旦發(fā)生堵轉(zhuǎn)將影響閘門的正常啟閉。

電動(dòng)機(jī)接至電網(wǎng)，剛起動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 （堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式如下：

式中：Tst—起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m

Ω1—同步角速度，rad/s

m1—定子繞組的相數(shù)

U1—相電壓，V

R2、 R′2、 X′2—轉(zhuǎn)子阻抗， Ω

R1、X1—定子阻抗，Ω

從以上公式可以知道，電動(dòng)機(jī)的最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓U1的平方成正比，一定程度的電壓損失就會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)轉(zhuǎn)矩急劇下降。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)電壓損失為14%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定值的74%，可能無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載，發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在臺(tái)風(fēng)季節(jié)，漳浦縣降雨量大，水庫(kù)水位快速上漲，需要較大的啟閉力來(lái)開啟閘門，這時(shí)候如果啟閉電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，將危及水庫(kù)的安全。

3 保障啟閉電機(jī)正常運(yùn)行的對(duì)策

為了消除電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的危害，保障啟閉設(shè)備的安全運(yùn)行，可以采取以下對(duì)策：

（1）更換電動(dòng)機(jī)。按照規(guī)范要求，赤蘭溪水庫(kù)的啟閉設(shè)備已經(jīng)達(dá)到使用年限。在2008年水庫(kù)除險(xiǎn)加固中，溢洪道和涵洞的啟閉機(jī)按照要求進(jìn)行了更換，并高配5.0kW的電動(dòng)機(jī)，以增大電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù)，避免電機(jī)在滿載狀態(tài)下工作。

（2）配備變壓器。在水庫(kù)加固中，將輸電線路的電壓等級(jí)升為10kV，并在壩頭附近專門配備變壓器，縮短輸電距離，減少電壓損失。

（3）改造線路。在無(wú)法提高線路電壓等級(jí)并配備專用變壓器的情況下，也可以更換更大截面的輸電導(dǎo)線，減少線路電壓損失。

（4）如果水庫(kù)機(jī)電設(shè)備沒(méi)有改變，在高水位情況下，可以關(guān)閉部分用電設(shè)備，重點(diǎn)保障啟閉電機(jī)的運(yùn)行。

采用上述一、二兩種對(duì)策后，赤蘭溪水庫(kù)在近兩年運(yùn)行中，特別是在汛期高水位情況下，啟閉機(jī)提升平穩(wěn)、工作正常，不再發(fā)生開啟困難、溫升異常等現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的目的。

4 主要結(jié)論

福建省大部分中小型水庫(kù)壩址偏僻，離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)。且大多建成于三、四十年前，一般只是以380V低壓配電線路長(zhǎng)距離接入城鎮(zhèn)變壓器。按照 《農(nóng)村電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》DLT 5118-2000的規(guī)定，380V三相低壓配電網(wǎng)的合理供電半徑平地村落為0.7～1.0km，山區(qū)村落為0.8～1.5km。在水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，有些水庫(kù)的輸電線路長(zhǎng)度甚至達(dá)到3～5km。另外，為了運(yùn)行管理的需要，水庫(kù)的用電負(fù)荷不斷增加。長(zhǎng)距離供電，再加上超出設(shè)計(jì)工況的負(fù)荷，造成電壓損失不滿足規(guī)范要求。

電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓的要求較高，過(guò)低的電壓使它們無(wú)法正常工作。水庫(kù)溢洪道及涵洞啟閉設(shè)備需要電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，因此啟閉電機(jī)的工作情況將直接影響水庫(kù)的安全與運(yùn)用。建議在水庫(kù)除險(xiǎn)加固中對(duì)此問(wèn)題加以重視，采取相應(yīng)對(duì)策以保障水庫(kù)的正常運(yùn)行。

[1]季杏法.小型三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[2]汪國(guó)梁.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[3]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：水利電力出版社，1994.