高标准农田建设项目喷灌机选型与供电技术浅析

王 爽，李郑淼

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

高标准农田项目建设实施，贯彻“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策。喷灌机选型与供电作为高标准农田项目设计的重要一环，对高标准农田项目的顺利实施起着决定性作用。 本文通过分析喷灌机型式及负荷构成， 拟定供电设计方案并进行相关计算， 系统完成了喷灌机选型与供电设计，加快了高标准农田项目的基本建设，具备较强的可行性及实用性。

1 工程概况

呼伦贝尔农垦集团莫拐农场2020 年高标准农田建设项目建设面积约680 hm2, 主要包含泵站和灌溉区喷灌设施两部分。新建四队提水泵站，并对已有的三队提水泵站和三队配水泵站进行更新改造，引水至北侧的灌溉区［1］。本文主要叙述灌溉区内喷灌机的配电设计情况。

根据工程规模，考虑灌溉区种植情况、地块大小形状及便于管理等因素， 分别采用中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机进行喷灌， 其中中心支轴式喷灌机3 台，平移式喷灌机17 台。

2 项目地区地貌类型

项目区地处于大兴安岭西麓， 属于低山丘陵区地貌，整体地势西南低东北高，坡度缓而长，海拔在650～760 m。地势平坦、广阔，起伏幅度不大,低山丘陵山顶呈浑圆状，地形坡度较缓。

本次高标准农田建设项目区主要集中在地势相对平坦、土壤肥沃的区域。因此，采用喷灌机作为农田喷灌设施的设计切实可行。

3 喷灌机型式及负荷构成

3.1 喷灌机型式构成

根据灌溉区地块的形状、大小及田间道路分布情况，对喷灌机型式因地制宜地进行确定。

中心支轴式喷灌机又称指针式喷灌机或圆形喷灌机，如图1。对于形状不规则、面积较大的地块，采用中心支轴式喷灌机［2］。该种类喷灌机主要包含中心支轴和跨体两部分， 跨体长度可根据地块大小结合样本进行选择。喷灌机工作时，跨体以中心支轴为圆点，像时针一样转动，通过灌溉半径长度实现灌溉面积。跨体上的行走支架在田间作圆周运动，为避免对农作物的损害， 行走支架上配备特制的灌溉型轮胎，该种轮胎具备轮胎轨迹窄、浮动性强等特点。

图1 中心支轴式喷灌机

平移式喷灌机主要用于较为规整、 形状为矩形的地块［2］，如图2。该种类喷灌机主要包含行走支架和跨体两部分， 跨体长度可根据实际地块面积结合样本进行选择。喷灌机工作时，行走支架沿矩形地块的长边移动，带动跨体进行平移式喷灌。

图2 平移式喷灌机

3.2 喷灌机负荷构成

本工程灌溉区共划分20 个地块，每个地块设置1 台喷灌机，编号为1#～20#。结合各地块形状等实际情况对喷灌机进行选型，喷灌机的设置情况如表1。

表1 各地块喷灌机设置数量及功率

4 喷灌机供电设计方案及相关计算

4.1 喷灌机电源引接及设备布置

喷灌机主要功能为农田喷灌， 考虑按三级负荷设计，采用单电源供电。喷灌机主要采用柱上变电站或柴油发电机供电。本工程喷灌区共设置2 座容量为50 kVA 的柱上变电站、2 台容量不小于25 kW 的柴油发电机和5 台容量不低于50 kW 的柴油发电机。

4.1.1 柱上变电站供电

当喷灌机采用柱上变电站供电时，1 座柱上变电站可同时为多台喷灌机供电。以本工程1#柱上变电站的布置情况为例，对变电站的位置选择进行说明，如图3。图3 包含4 个地块，每个地块均设置1 台喷灌机（编号为4#～7#）。从减少工程投资的角度考虑，在4#～7#喷灌机的中间位置，仅设置1 座柱上变电站（1#柱上变电站），即可满足4#～7#喷灌机集中供电的要求。 地块的西北侧有一条南北向道路， 经实地勘察，沿路现有1 路10 kV 高压线路，可为1#柱上变电站高压侧提供电源。1#柱上变电站沿10 kV 高压线路布置，以减小高压线路的长度。由变压器低压侧出线箱引接3 回0.4 kV 回路供电。其中，4#喷灌机（功率为3.3 kW）和5#喷灌机（功率为9.9 kW）各采用1 回0.4 kV 回路；6#和7#喷灌机（功率之和为14.3 kW）共用1 回0.4 kV 回路。 相比之下，6#和7#喷灌机的功率最大，供电电缆的截面最大，单价最高。为减小供电电缆的投资，应尽可能缩短6#和7#喷灌机供电电缆的长度，保证柱上变电站与6#和7#喷灌机的电源引接点的距离最短。

图3 1#柱上变电站及4#～7#喷灌机布置

中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机均采用接线箱配电，接线箱由厂家配套提供。当采用柱上变电站供电时，中心支轴式喷灌机设置1 面接线箱，布置在喷灌机的中心支轴平台处。由变压器低压侧出线箱引接回路为该接线箱供电。如图3，由1#柱上变电站引接一路0.4 kV 回路至4#喷灌机中心支轴平台并与接线箱连接， 即可实现该喷灌机供电。平移式喷灌机设置1 组接线箱，沿喷灌机机架行走轨迹布置，间距约100 m。由变压器低压侧出线箱引接0.4 kV 回路为其中1 面接线箱供电， 再由该接线箱向两端辐射，为相邻的接线箱供电，具体接线方式如图4。6#喷灌机和7#喷灌机所处地块相邻，喷灌机工作时，6#喷灌机和7#喷灌机的机架均沿地块交接位置移动。 沿喷灌机行走轨迹仅设置1 组接线箱即可为6#喷灌机和7#喷灌机供电。6#喷灌机和7#喷灌机可根据自身行进位置， 就近从接线箱引接电源。两台喷灌机可同时接入1 面接线箱，也可分别接入2 面不同的接线箱。

图4 6#、7#平移式喷灌机接线箱接线

4.1.2 柴油发电机供电

当喷灌机采用柴油发电机供电时，1 台喷灌机配1 台柴油发电机供电。柴油发电机布置在中心支轴式喷灌机的支轴平台处或平移式喷灌机的机架上，由柴油发电机出线至喷灌机用电设备。

4.2 喷灌机供电电缆截面选择

喷灌机采用柱上变电站供电时，变电站设置于多台喷灌机中间，可同时为多台喷灌机供电，变电站至喷灌机的距离较远；采用柴油发电机供电时，柴油发电机设置于喷灌机附近，只为单台喷灌机供电，柴油发电机至喷灌机的距离较近。因此，当喷灌机采用柱上变电站供电时，喷灌机的供电电缆较长、截面较大，这为田间供电造成了困难。供电线路在满足电压降要求的同时，应尽可能缩小电缆截面，从而最大限度缩小工程投资。因此，供电线路截面和电压降的计算为本工程电气设计的重点和难点。

根据《工业与民用供配电设计手册》［3］，线路的电压降计算式为：

式中ΔU%为线路电压损失（%）；Δua%为三相线路每1 A·km 的电压损失百分数（%/（A·km））；Ii为负荷计算电流（A）；li为线路长度（km）。

根据《供配电系统设计规范》［4］，当喷灌机正常运行时，喷灌机电动机处电压降计算值ΔU%小于等于5 时，所选择的电缆截面合理可行。

本工程采用铜芯电缆为喷灌机供电， 为减小工程投资， 部分工程也有采用铝芯电缆为喷灌机供电的设计。在负荷相同的情况下，铝芯电缆的电压损失高于铜芯电缆，铝芯电缆的截面也更大，这为工程施工造成了难度。因此，本工程不考虑铝芯电缆供电的方案。

本工程喷灌机低压供电线路长度包含两部分：柱上变电站至喷灌机接线箱部分及喷灌机接线箱至喷灌机的电动机端部分。相比之下，后一部分的线路长度远小于前一部分，所以为了简化计算，两部分线路采用相同截面的电缆， 并将两部分线路长度之和计入线路长度进行合并计算。 电压降计算分别参考《工业与民用供配电设计手册》［3］和《天津市建筑标准设计图集》［5］中所列Δua%的数据，Δua%为经验数据。在线路电压损失ΔU%控制在5%以内的情况下，采用试算法对本工程喷灌机供电电缆截面进行计算，计算结果如表2。

表2 喷灌机供电电缆截面计算

经比较， 针对本工程所涉及的20 台喷灌机，参考不同文献所计算的喷灌机供电电缆的截面选取情况一致，参考《天津市建筑标准设计图集》［5］所计算的线路电压损失ΔU%偏大，数值相对保守。

5 结语

根据灌溉区地块的实际情况， 对喷灌机进行选型；参考不同文献的数据进行计算和比选，力求做到喷灌机供电的安全、经济、合理。电压降计算、配电方式选择和电缆截面选择计算具有较高的可靠性和较强的实用性，加快了高标准农田的基本建设，推进了农业产业结构的调整，提高了农业生产经济效益，保证了土地可持续利用和农业可持续发展。