690V電壓等級在黃浦路泵站的應用

李朝軍 何 皓 劉志華

（武漢市政工程設計研究院有限公司，武漢 430033）

排水泵站的主要功能是排除城市雨水、污水、河流污水等，是城市排水系統的重要組成部分。隨著中國經濟的飛速發展，城市化建設的步伐不斷加快，城市排水工程變得日益繁多和重要。合理設計城鎮排水泵站的電氣配電網絡及自動化裝置，能夠提高工程建設投資效益，改善生產和運行效率，并且保證了泵站的安全、穩定運行。

1 黃浦路泵站背景

結合武漢城市總體規劃，通過對雨水量的預測，并結合城市發展前景，確定黃浦路泵站規模為17m3/s，共配置 6臺潛水泵，每臺潛水泵電動機額定功率為280kW。泵站設計水位：19.06m，泵站最低運行水位：17.30m。

根據《給水排水設計手冊》第8冊電氣與自控部分的負荷等級的劃分要求，黃浦路泵站的負荷等級應為二級負荷，因此應由兩個電源供電，并且須做到在變壓器或者電力線路出現常見的故障時不致中斷供電。為滿足此要求，本泵站外線電源采用兩回路10kV電源供電。

2 電動機電壓等級的確定

由于我國的低壓電壓等級采用的是前蘇聯的模式，工業用電裝置最常用的電壓等級是 400V。與400V電壓等級配套的設備、裝置和配件也很容易在市場上采購到，因此在武漢市的排水系統中水泵所采用低壓電動機的電壓等級均為400V。

在本次設計中，電動機功率為280kW。按國標和行業標準，電動機的額定功率≤125kW時為小型電動機，電動機的額定工作電壓采用380V；電動機的額定功率＞130kW時為中型電動機，電動機的額定工作電壓一般采用 3000V或 6000V。由于采用3000V或6000V電壓的電源時，電動機控制、保護及繼電保護較困難而且成本太高，因此水泵電動機采用低壓供電方式，在工業領域，低壓電壓等級有400V和690V兩種。究竟采用何種電壓，這是一個值得探討的問題。對比這兩個電壓等級（690V和400V）可以從如下的一些關鍵因素去分析：

1）正常運行時和電動機起動時的電纜壓降。

2）電纜截面積。

3）整體功率損失。

2.1 電動機起動和正常運行時電壓降比較

電動機是采用電網供電，電源屬于無限大容量的系統。根據《工業與民用配電設計手冊》第六章相關計算公式可以計算出電動機起動時的電壓降，在計算起動電壓降時，做如下幾個假定：

1）電動機在投入運行時母線電壓等于網絡的標稱電壓。

2）電動機采用全壓起動方式，電動機功率因數為0.8，電動機額定起動電流倍數為6.7。

3）供電變壓器一次側短路容量為100MVA。

4）變壓器容量為1600kVA，且變壓器不帶其他無功負荷。

表1 電動機起動時電壓降

表2 電動機正常工作時電壓損失

從表1和表2可以看出采用690V供電，電動機起動和正常工作時電壓降更小，有利于電動機的穩定運行。

2.2 電纜截面積比較

電動機額定功率為 280kW 時，當功率因數為0.8，在額定電壓380V下的額定電流為532A，額定電壓 660V下的額定電流為 306A。因此使用 690V的電動機與 400V相比，負荷電流有所下降，并且使用額定值為0.6/1kV的低壓電纜，在400V或690V電壓中不會影響其絕緣的耐受能力。在同一負荷電流下，采用 690V供電可以使用截面相對較小的YJV-0.6/1kV交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅芯電纜，降低電纜投資成本。

2.3 整體功率損失比較

在相同的電纜截面的前提下，由于采用 690V系統供電，工作電流只相當于 400V系統工作電流的58%，在此條件下，消耗在傳輸線路上功耗大大的減少，只相當于400V系統的34%。

綜上所述，690V系統相對400V系統在電壓降、電纜截面、功耗三方面都具有優勢，同時10kV/690V供配電系統相對于傳統的10kV/400V供配電系統具有供電半徑增大、供配電容量增加、短路電流減小、負荷單機容量可增大、節省建設及運行費用等諸多優點，并且現在大部分生產潛水泵的廠家均配套有690V這一電壓等級的電動機，因此電動機工作系統電壓采用690V。

3 配電網絡設計

水泵電動機供電系統電壓采用690V，但是由于目前同一套裝置內的UPS、儀表電源及執行機構、照明系統、和檢修電源等系統需要400（230）V電源，這樣一來就不可避免地形成了在一套裝置內10kV/690V/400（230）V三種電壓共存的局面，因此合理設計配電網絡將直接影響整個泵站的投資。為了保證供電系統的可靠性和整個系統的合理性。針對這一情況，在黃埔路泵站中共設計兩套供電方案。

圖1 4臺雙繞組變壓器配電網絡圖

圖2 2臺三繞組變壓器配電網絡圖

為滿足二級負荷要求，外線采用兩回路 10kV供電方式，兩種方案中 10kV均采用單母線分段接線方式，低壓共設置兩種電壓等級的母線，其中0.69kV母線作為水泵電動機的動力電源，0.4kV母線作為UPS、儀表電源及執行機構、照明系統、和檢修設備的電源。兩種方案的區別在于變壓器設置的形式和數量不同，方案一共設置4臺雙繞組變壓器，配電房需要四個高壓柜回路（包括高壓開關設備及高壓電纜等）。方案二共設置兩臺三繞組變壓器，配電房需要兩個高壓柜回路（包括高壓開關設備及高壓電纜等），方案二相對方案一來說大大減少了設備數量、電纜數量及土建面積，并且方案一接線復雜，對整個系統的可靠性產生了一定影響。從設計角度上來顯然方案二更加經濟合理。

雖然目前國內許多生產廠家已經推出了針對690V系統的系列元器件和配電柜，并在礦井行業中的大型裝置上逐漸推廣應用，但是配套的配電變壓器還只有 10kV/690V的雙繞組變壓器，沒有出現10kV/690V/400V這一電壓等級三繞組變壓器，這樣給本工程泵站的配電設計帶來了不可操作性，因此在本次泵站配電網絡設計采用方案一的設計方案。

4 電動機控制系統的設計

傳統的電動機起動一般有3種，即直接起動、星三角起動、自耦變壓器起動，這3種起動方法均屬于硬起動方式，存在以下缺點：

1）直接起動起動沖擊電流大，起動電流一般達額定值的4～7倍，直接影響周圍設備儀表的正常工作；并且變壓器容量要達到電動機額定容量的3倍以上，直接影響了變壓器的過度投資。

2）直接起動沖擊轉矩大，對機械設備、零部件會產生很大的沖擊應力，大大縮短了設備的使用壽命，這種沖擊轉矩還會引起水的波動，對管道、閘門、水泵的機械設備等危害較大。

3）Y—△起動和自耦變壓器起動雖然沖擊電流和沖擊轉矩較直接起動時減小，但 Y—△起動轉矩小，只適應輕載和空載起動，在切換過程中尖峰電流將產生破壞性動態轉矩引起機械振動。而自耦變壓器起動體積大、成本高、不易頻繁起動，很難控制其起動轉矩與負載匹配。影響水泵的可靠運行。

因此為保證電動機穩定運行，同時電源電壓與額定電壓不可相差10%，電壓過高會引起電動機過熱而燒壞繞組，電壓過低則電動機轉速下降，如達不到額定轉速的70%時，起動離心開關會閉合，造成起動繞組長時間通電而發熱甚至燒壞繞組和電容器。并且不能頻繁地開關電動機，這是因為水泵停轉時會產生回流，若立即開機，會使電動機負載起動，導致起動電流過大而燒壞繞組。本工程采用變頻器作為電動機的保護機構。工作框圖如圖3所示。

圖3 工作框圖

在應用中運用了各種傳感器將流量、液位、溫度等信號反饋給變頻器，根據液位和流量檢測信號以及閘門的開起狀態信號，水泵按要求起停泵的臺數，并使同型號泵運行時間大致相等，自動改變電動機轉速，使水泵運行參數達到最佳控制。泵出口閘門按工藝要求與泵聯動，泵電動機溫度信號和水泵泄露信號的無源接點變故障信號通過變頻器的輸入端口采集送入變頻器中的控制模塊，當檢測到其超溫和泄露報警無源接點信號時，變頻器自動關閉電動機運行，并且發出聲光報警，同時傳遞信號給相應配套的閘門控制柜，到達聯鎖運行要求。

5 結論

本文介紹的690V系統在城市排水系統的應用，設計了兩種供電網絡模式，根據實際情況，采用 4臺雙繞組變壓器供電方式，確定了供電方式后，考慮到水泵的安全穩定運行，電動機采用變頻器控制方式，使其起動和運行達到最佳狀態，同時在節電、延長水泵和管道壽命，實現城市排水自動化等方面產生了顯著的經濟和技術效果。

[1]給水排水設計手冊（第8冊）: 電氣與自控[S]. 2版.北京: 中國建筑工業出版社, 2002.

[2]中國航空工業規劃設計研究院, 等. 工業與民用配電設計手冊[S]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[3]馬志溪. 供配電工程[M]. 清華大學出版社,2009.