大中型潛水泵站供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭文會(huì)

（中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司 中山市 528403）

潛水泵技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，特別在低揚(yáng)程（2 m～4 m）范圍內(nèi)，機(jī)組裝置效率高，比相同比轉(zhuǎn)速的軸流式水泵高出約2%～5%，特別適用于低揚(yáng)程的抗旱排灌泵站。 筆者參與設(shè)計(jì)完成多座大型潛水排灌泵站，積累了一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以下是在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)，供電氣專業(yè)人員參考。

1 供電電源

盡管《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010）和《潛水泵站技術(shù)規(guī)范》（SL 584-2012）沒(méi)有明確泵站的負(fù)荷等級(jí)及供電方案，但大中型排灌泵站中斷供電將對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成重大或較大損失，筆者認(rèn)為依據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052-2009），大中型排灌泵站負(fù)荷等級(jí)宜不低于二級(jí)，應(yīng)采用雙回線路供電，泵站負(fù)荷較小時(shí)可采用一回6 kV 以上專用的架空線路供電；當(dāng)采用雙回時(shí)，應(yīng)按每一回路承擔(dān)泵站全部容量設(shè)計(jì)。

在泵站設(shè)計(jì)過(guò)程中，現(xiàn)階段可能暫時(shí)沒(méi)有條件取得雙回路電源，但亦應(yīng)按雙回路電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，泵站高壓配電房、電氣設(shè)備選擇、自動(dòng)化控制系統(tǒng)均應(yīng)按雙回路電源供電方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 且現(xiàn)在很多工程建設(shè)、運(yùn)行管理是分開(kāi)的，建設(shè)單位獲得建設(shè)資金相對(duì)容易，運(yùn)行管理單位獲得技術(shù)改造資金較為困難。雙回路電源設(shè)計(jì)方案盡管部分設(shè)備暫時(shí)沒(méi)有運(yùn)行，但當(dāng)條件具備后，運(yùn)行管理單位不需要另外投入資金，或投入少量資金就可立即投入使用，給運(yùn)行管理單位帶來(lái)極大方便。

2 主接線

對(duì)于電氣主接線《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求設(shè)計(jì)根據(jù)泵站性質(zhì)、規(guī)模、運(yùn)行方式、供電接線以及泵站重要性等因素合理確定，并沒(méi)有具體說(shuō)明接線具體方式。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)規(guī)模較大、臺(tái)數(shù)較多的泵站（裝機(jī)容量5 000 kW、臺(tái)數(shù)5 臺(tái)及以上）宜采用雙回路進(jìn)線單母線分段接線（圖1）；規(guī)模較小、臺(tái)數(shù)較少的泵站可采用雙回路進(jìn)線單母線接線（圖2），這種接線方式接線簡(jiǎn)單、清晰，較單母線分段接線減少了進(jìn)線柜、電壓互感器柜、計(jì)量柜及母聯(lián)柜，不僅節(jié)省了電氣設(shè)備投資，而且還減少了高壓配電室的土建尺寸，降低了土建造價(jià)，從已經(jīng)投入運(yùn)行的幾座泵站來(lái)看，這種接線母線沒(méi)有發(fā)生故障，可靠性較高。另外，這種接線還是已建泵站雙電源改造的優(yōu)選方案，特別是高壓配電房尺寸受限條件下。

圖1 雙回路進(jìn)線單母線分段接線

圖2 雙回路進(jìn)線單母線接線

3 功率因數(shù)補(bǔ)償

大中型潛水泵多采用高壓異步電動(dòng)機(jī)，干式潛水電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)一般為0.65～0.8，濕式潛水電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)一般為0.8～0.85，根據(jù)《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》大、中型電力排灌站功率因數(shù)為0.85 以上即可，但電力部門往往要求功率因數(shù)0.9 以上，因此潛水泵站均需要進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償。功率因數(shù)補(bǔ)償方式有母線集中補(bǔ)償和單機(jī)就地補(bǔ)償，前者適用于小型低壓機(jī)組，對(duì)于大中型潛水泵站，其特點(diǎn)是機(jī)組臺(tái)數(shù)不多、且單機(jī)容量較大，宜采用單機(jī)就地補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.12 條規(guī)定：“接在電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備側(cè)電容器的額定電流，不應(yīng)超過(guò)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的0.9 倍”。 電動(dòng)機(jī)單機(jī)就地補(bǔ)償容量的選擇應(yīng)以補(bǔ)償回路的電流不大于電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流的0.9 倍為準(zhǔn)。 電動(dòng)機(jī)單機(jī)補(bǔ)償容量Qc的計(jì)算公式有兩種方法：

（1）按電動(dòng)機(jī)的空載電流選擇。

式中 Qc——電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償容量（kVar）；

Ue——電動(dòng)機(jī)的額定電壓（kV）；

I0——電動(dòng)機(jī)的空載電流（A）。

（2）按電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償前后的功率因數(shù)選擇。

式中 P1——電動(dòng)機(jī)的輸入功率（kW）；

tanφ1——補(bǔ)償前的功率因數(shù)角的正切值；

tanφ2——補(bǔ)償后的功率因數(shù)角的正切值，一般補(bǔ)償后的功率因數(shù)cosφ2取值為0.94～0.96。

兩種計(jì)算方法計(jì)算出的Qc值結(jié)果往往不一致，大多數(shù)情況第（2）種方法計(jì)算值小于第（1）種方法的計(jì)算值，這時(shí)以第（2）種方法計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)；若果第（2）種方法計(jì)算出的值大于第（1）種方法的計(jì)算值時(shí)，則以第（1）種方法的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。

特別注意的是上述方法計(jì)算出的是電動(dòng)機(jī)需要補(bǔ)償?shù)娜萘浚⒉皇沁x用補(bǔ)償裝置的標(biāo)稱容量（即補(bǔ)償電容器的安裝容量），補(bǔ)償裝置的標(biāo)稱容量選擇要考慮補(bǔ)償裝置串聯(lián)電抗及電容器電壓差異引起容量變化的影響。如某工程6 kV 電動(dòng)機(jī)選用串聯(lián)電抗器的補(bǔ)償裝置進(jìn)行單機(jī)補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置每相串聯(lián)安裝BFM-6.6/√3-50-1型電容器和CKDG-3/6-6型電抗器，對(duì)補(bǔ)償裝置實(shí)際補(bǔ)償容進(jìn)行核算，其中電抗器容量為3×3=9 kVar，電容器電壓差異引起的容量變化3×50×（6/6.6）2=123 kVar，所以補(bǔ)償裝置實(shí)際的補(bǔ)償容量為123-9=114 kVar。

4 機(jī)組啟動(dòng)

機(jī)組應(yīng)優(yōu)先采用全電壓直接啟動(dòng)方式，該啟動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單、可靠，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，設(shè)備及土建投資少；但缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流大、在配電母線上引起的電壓降大。采用全電壓直接啟動(dòng)，應(yīng)符合母線電壓降不宜超過(guò)額定電壓的15%的要求。 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓降計(jì)算可按《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》 第三版第六章的方法進(jìn)行計(jì)算。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)計(jì)算應(yīng)按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式和機(jī)組最不利的運(yùn)行組合形式進(jìn)行，當(dāng)同一母線上全部連接異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)按最后1 臺(tái)最大電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)計(jì)算；當(dāng)同一母線上連接有同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)按全部異步電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行，再啟動(dòng)最大一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的條件進(jìn)行啟動(dòng)計(jì)算。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電壓降落與系統(tǒng)容量、主變壓器容量、機(jī)組容量密切相關(guān)，系統(tǒng)容量、主變壓器越大，機(jī)組容量越小，啟動(dòng)時(shí)電壓降落越小。 經(jīng)啟動(dòng)計(jì)算，若全電壓直接啟動(dòng)不能滿足要求時(shí)，就宜采用采用降壓?jiǎn)?dòng)方式，雖然《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.5.1 條“當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓波動(dòng)不致破壞其他用電設(shè)備正常運(yùn)行，且啟動(dòng)電磁力矩大于靜阻力矩時(shí)，電壓降可不受15%額定電壓的限制”，筆者建議條件許可的情況下最好能夠采用降壓?jiǎn)?dòng)，特別是泵站供電電源引自地區(qū)變電站，泵站不安裝主變壓器的情況。高壓異步電動(dòng)機(jī)最常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式是采用高壓軟啟動(dòng)裝置，按應(yīng)用不同技術(shù)可分為液阻型、固態(tài)可控硅型和干式可變電抗調(diào)壓型。

5 過(guò)電壓保護(hù)

對(duì)于直接與架空線路連接的電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱直配電機(jī)），為了抑制雷電侵入波過(guò)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的損害，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行雷電過(guò)電壓保護(hù)，對(duì)于容量小于1 500 kW 及以下的直配電機(jī)可采用圖3 所示的保護(hù)接線。 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)潛水泵廠家生產(chǎn)的水泵機(jī)組容量大多小于1 500 kW，對(duì)于容量大于1 500 kW 的電動(dòng)機(jī)的過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)《水力發(fā)電廠過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》和《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》中對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的過(guò)電壓保護(hù)要求進(jìn)行。

圖3 （a）進(jìn)線段采用FE 的保護(hù)接線；（b）進(jìn)線段采用避雷線的保護(hù)接線；（c）進(jìn)線段采用避雷針的保護(hù)接線

避雷器F1、F2 也可以選用金屬氧化物型避雷器，裝設(shè)時(shí)應(yīng)盡量靠近電動(dòng)機(jī)，F(xiàn)2 可安裝在潛水泵機(jī)組就地接線箱內(nèi)；裝在配電母線上的電容器-避雷器組（F1-C）與電動(dòng)機(jī)之間的電氣距離超過(guò)50 m時(shí)，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)進(jìn)線端加裝一組避雷器。

安裝在配電母線上的電容器是為了保護(hù)直配電機(jī)匝間絕緣和防止感應(yīng)過(guò)電壓，其每相容量應(yīng)為（0.25～0.5）μF，對(duì)于中性點(diǎn)不能引出的電動(dòng)機(jī)，其每相容量應(yīng)為（0.1.5～2.0）μF。 電容器應(yīng)有短路保護(hù)。對(duì)于采用圖3（b）方式，保護(hù)直配電機(jī)用的避雷線，對(duì)邊導(dǎo)線的保護(hù)角不應(yīng)大于30°。

6 機(jī)組保護(hù)

潛水泵機(jī)組應(yīng)按照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》和《潛水泵站技術(shù)規(guī)范》要求裝設(shè)電動(dòng)機(jī)相間短路保護(hù)、低電壓保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、單相接地保護(hù)和機(jī)組超溫保護(hù)外，還應(yīng)監(jiān)視機(jī)組是否漏水、漏電，并對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1）對(duì)于電動(dòng)機(jī)相間短路，2000 kW 及以上的電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)；2 000 kW 以的電動(dòng)機(jī)應(yīng)兩相式電流速斷保護(hù)，當(dāng)靈敏度不能滿足要求時(shí)，應(yīng)采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，兩種保護(hù)均應(yīng)動(dòng)作于斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器。

（2）電動(dòng)機(jī)低電壓保護(hù)，低電壓整定值應(yīng)為40%～50%電動(dòng)機(jī)額定電壓，時(shí)限宜為0.5 s，動(dòng)作于斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器。

（3）單相接地保護(hù)，規(guī)范條文要求接地電流大于5 A 應(yīng)裝設(shè)接地保護(hù)。 筆者經(jīng)驗(yàn)當(dāng)供電電源采用架空線路時(shí)，一般可以裝設(shè)；但當(dāng)采用電纜線路時(shí)，宜裝設(shè)。 以10 kV 240 mm2電纜為例，其單相接地電流可達(dá)1.6 A/km。單相接地保護(hù)5 A 報(bào)警，10 A 動(dòng)作于斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器。

（4）過(guò)負(fù)荷保護(hù)，保護(hù)整定值一般取1.05 倍電動(dòng)機(jī)-電容器組電流值，整定時(shí)間一般可取（10～15）s。

（5）機(jī)組超溫保護(hù)，對(duì)于電動(dòng)機(jī)三相繞組、軸承箱溫度應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，溫度升高進(jìn)行告警，溫度過(guò)高動(dòng)作于斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器，整定值按潛水泵廠家要求進(jìn)行。

（6）潛水泵機(jī)組電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期浸泡在水中，電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)接線盒、油室均可能發(fā)生進(jìn)水情況，當(dāng)機(jī)組發(fā)生漏水、漏電情況時(shí)進(jìn)行告警或跳閘，應(yīng)選用潛水泵廠家專用的潛水泵保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。

絕緣監(jiān)測(cè)均宜采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)方式對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地絕緣電阻進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，開(kāi)機(jī)前先開(kāi)啟絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)絕緣電阻滿足要求時(shí)（≥50 MΩ），緣監(jiān)測(cè)設(shè)備宜自動(dòng)退出，達(dá)到開(kāi)機(jī)條件，否則應(yīng)閉鎖電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)回路，不能開(kāi)機(jī)。絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)選用潛水泵廠家專用設(shè)備。

7 結(jié)語(yǔ)

做好潛水泵站電氣設(shè)計(jì)還應(yīng)注意接地、自動(dòng)控制、設(shè)備布置、防火和防潮等方面內(nèi)容，筆者僅從以上幾個(gè)方面對(duì)潛水泵站電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，希望對(duì)潛水泵站工程的建設(shè)提供借鑒和參考。

1 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

2 皮積瑞，解廣潤(rùn).機(jī)電排灌設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京：水利電力出版社，1992.