不同電壓等級的泵站電機方案比較

【摘要】本文具體根據海寧東部污水二期的可研文本為例，對進行10KV、0.38KV的兩種電機控制的方案比選。以達到優化設計方案的目的。

【關鍵詞】電壓等級；泵站電機；經濟比較

1 導言

《給排水設計手冊》第八冊—電氣與自控一書中有對泵站水泵電機的電壓選擇有這樣一種建議：對于容量為220-355KW的電動機，有380V、6KV及10KV三種電壓可供選擇，應通過技術經濟比較確定。根據海寧東部污水二期可研的方案，將設計一座10萬噸/日，流量為1800m2/h，揚程為25米的馬橋泵站，設置4臺220KW的水泵電機（三用一備）。負荷等級為二級，暫按兩路10KV的進線電源考慮，接線方式都以可靠性較高的單母線分段式。這里就涉及到水泵電機電壓選擇比較，本文以0.38KV和10KV兩種不同的電壓等級方案來進行比較。

2 設計背景

近十年來，一些大型水廠、泵站越來越多的都在選擇10KV三相異步電動機來拖動水泵。這不僅僅是因為電壓等級越高，輸電線路的損耗越來越小，接線越來越簡明，更多的是因為我國10KV高壓電動機的設計、制造工藝水平日益成熟，維護管理有了一定的經驗，為10KV水泵電機在日常的使用推廣過程中奠定基礎。

3 設計方案對比

針對本工程是否選用10KV水泵電機，作者還需要做出一個客觀、公正的方案對比，以事實說話。具體的設計方案如下

3.1 方案一：主泵電壓采用10KV

泵站電機電壓為10KV，采用10KV電壓直接供電，電機的啟動方式為全壓啟動（母線電壓壓降不宜低于15%，此處已計算復核）。根據電力部門的要求采用兩路10KV的進線和單母線分段接線的方式。高壓柜需設置：進線隔離柜兩臺，進線斷路柜兩臺，電容補償柜兩臺，電壓柜兩臺，計量柜兩臺，電機配電柜4臺，母聯柜一臺，變配電柜一臺。低壓柜需設置：100KV.A變壓器柜一臺，進線柜一臺，配電柜三臺。具體配電系統詳見圖1。

圖1 10KV電機一次電氣系統圖

由于低壓負荷（僅照明及小動力）較小，因此只考慮一臺10/0.38，100KV.A的干式變壓器。縮小了運行成本，但也降低了可靠性。此方案采用高壓移相電容無功補償裝置，改善了配點電系統的功率因數，提高了電容器的利用率。

此方案的主要優點是：電機采用10KV全壓啟動，縮減了軟啟動的控制成本，動力電纜截面大大縮小，變壓器容量大大降低，發熱損耗減小，運行費用低。主要缺點是：增加了10KV電機配電柜和電容補償柜，相應的繼電保護、電力檢測裝置也增加了。土建成本提高。

3.2 方案二：主泵電壓采用380V

泵站電機電壓為380V，采用軟啟動器控制。主變采用2臺10/0.38，630KV.A的干式變壓器。變壓器互為備用。進線方式為兩路10KV電源，供電方式為單母線分段式。高壓柜需設置：進線隔離柜兩臺，進線斷路柜兩臺，電壓柜兩臺，母聯柜一臺，變配電柜二臺，計量柜兩臺。低壓柜需設置：630KV.A變壓器柜二臺，6*25Kvar的低壓補償柜二臺，進線柜一臺，低壓配電柜六臺，進線柜二臺，低壓母聯柜一臺。具體配電系統詳見圖2。

圖2 380V電機一次電氣系統圖

此方案的主要優點是：由于采用雙變壓器互為備用，提高了供電的可靠性。電動機可以采用變頻、軟器啟控制，控制方式也更為靈活。土建相對費用節省。主要缺點是：由于變壓器的容量較大，發熱、損耗較高、運行成本增加。低壓電動機起動電流相對較大，再加上軟啟控制柜增加，整個水泵控制的成本增加。

3.3 綜合方案比較

兩種控制方式的經濟指標的比較如下表1所示：

比較內容10KV電機（案1）380V電機（案2）

主變壓器型號及臺數100KV .A/1臺630KV .A/2臺

負載率80%65%

高/低壓柜（臺）17＼412＼9

配電室占面積略小大

工程造價（萬元）11597

運行可靠性較高高

運行方式靈活較靈活

運行損耗低高

表1 兩種控制方式的經濟指標的比較

兩種控制方式在各自有各自的優缺點，如果從一次性建設的角度來看方案一確實造價較高，投資額較大，可是從長期的運行成本來說，方案一可能是會更節省。再從設備維護和管理的角度來看，方案二中多出兩臺大負荷變壓器，無形中就增加泵站的管理成本，況且變壓器的負載率低，增加了運行損耗。

以上是從經濟、能耗的角度對所選方案進行對比，為了更全面對比，我們拿相同功率的兩個廠家的水泵電機樣本進行電機性能對比，從水泵的實際運行效果做出比較，如表2所示：

比較內容10KV電機（案1）380V電機（案2）

水泵型號Y系列高壓三相異步電動機Y450-2Y系列低壓三相異步電動機Y-315M3

水泵功率220KW220KW

額定電流15.0A404A

電機轉速2981r/min3000 r/min

電機效率92.85%93.5%

功率因數0.9150.90

最大轉矩/額定轉矩2.582.0

表2 水泵實際運行效果比較

注：以上數據來自《給排水設計手冊》第八冊—電氣與自控第六章的兩個電動機的產品樣本。

可以看出方案二的啟動電流過大，采用方案二就必須配備變頻或軟起動器。再次我們注意到了方案一的過載能力也比方案二強，10KV電機有更強的過負載能力。況且方案一的功率因數也大于方案二，這樣就節約了無功補償容量。從以上數據看來方案一都是占有優勢的。

但是我們必須注意，高壓電動機在頻繁啟動和遭到雷電襲擊的時候較容易產生過電壓。這樣會嚴重燒毀電動機的操作電器元件和電機絕緣層。所以我們必須在電動機和斷路器之間裝設氧化避雷器和并聯電容器。這就能有效解決操作過電壓帶來的問題。

根據污水泵站可研的前提及水泵建設的經濟性、電機性能的綜合分析的結果，我們應該肯定高壓配電的優越性。但是10KV高壓電機它也有自己的局限性。比如：功率要求在220KW以上；對需要變頻調控的水泵電機需要增設高壓-高壓的變頻器；過電的保護要求較高，電機的各種高壓繼電保護需要配和安裝；由于高壓電機直接啟動，會對電網造成壓降過大，當計算不滿足母線電壓差小于15%時，就必須安裝電抗器。這對設計者提高了設計難度和要求。

4 結論

方案一電氣主接線簡單可靠、操作檢修方便，節約了工程的綜合投資，降低了泵站的運行費用，具有較高的經濟效益；具有較少的占地空間，節約了成本；具有更高的功率因數，減少了無功補償量；對電氣保護設計要求較高，操作過電壓保護要求較高；高壓電機的價格比較高，維修更換的成本較高。

結合上述幾點，我們在海寧東部污水二期可研的基礎上綜合比較采用10KV的電機控制方案更經濟、更合理。這次的方案對比，對今后的泵站電氣設計提供了一個指導性的意義。