探究中小型電排站電氣設計及設備選型

陳杰

摘要：中小型電排站前期電氣設計要充分考慮設備成本投入 ，文章結合筆者多年從事電排站電氣設計的工作經驗，從小型泵站電氣設計和實際應用角度出發 ，詳細分析了電排站設計中根據變壓器容量和啟動方式、水泵軸功率關系的選擇原則，站用電選擇原則，電動機選擇原則，電動機啟動方式選擇原則，電動機啟動器選擇原則以及電容補償原則等，希望對行業建設發展提供一定的參考價值。

Abstract： The early stage electrical design of small and medium-sized electric power station should fully consider the equipment cost input. Combined with the author's years of experience in electrical design of electric power station， from the perspective of electrical design and practical application of small pump station， this paper analyzed the selection principle according to ?transformer capacity and starting mode， pump shaft power relationship， station power selection principle， motor selection principle， motor starting mode selection principle， motor starter selection principle and capacitance compensation principle. It is hoped to provide certain reference value for the development of the industry construction.

關鍵詞：電排站;電氣設計;設備選型

Key words： electric row station;electrical design;equipment selection

中圖分類號：TV734 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0153-03

0 ?引言

在現代城市防洪治理規劃中，電排站建設占據著重要的地位。它的主要作用是利用水泵將低洼位置集聚的水流及時排除，防止發生洪水或者內澇。一般情況下設計小型電排站需要大量泵站，這為實現其排水功能并促進工農業經濟發展提供重要的保障。所以在開展電排站設計過程中，必須在先進科學性、安全可靠性和成本可控方面做好統一協調，為后期穩定運行打下基礎。所以，就該項工程而言，電氣設計方案綜合優越性，變壓器、電動機等核心電氣設備選型，對于控制整個電排站工程的成本預算來說，非常重要。

1 ?主變壓器設計選型

小型排電站的設計電壓線路是10kV，配置的電動機標準規格是0.38kV，因此設計變壓器采用的規格是10/0.4kV級，變壓器選型要在盡可能低成本前提下，選用技術性能穩定、安全性和穩定性持久的產品。同時還需注意在設計上協調應用邏輯關系：

1.1 主變壓器容量選擇與電機啟動方式相關聯系

根據多面的設計經驗積累，常規的布置方案中，當回路中最大那臺全壓直接啟動的電動機容量小于變壓器總容量30%的時候，電動機瞬時電流一般是其額定電流平均7倍左右，此時的電動機母線電壓降不會超過15%。如果其中最大電動機容量大于變壓器總容量30%的時候，電動機母線電壓降變化范圍多數情況下會超出15%，一般能夠多數采用的方式有兩種：一種是根據放大變壓器容量選配來提高電動機機端啟動電壓，這就是所謂的全壓直接啟動方法。根據此設計方案對設計物量進行預估，在提升電動機相對機端電壓1%時，綜合測算，僅僅改大變壓器容量就要額外增加好幾千的采購成本預算，更關鍵電力增容貼費也許補充一筆費用（其單價為450元/kVA），一旦進入額定轉速運行時，前面增加的變壓器容量是多余浪費的。從創造價值和利用率方面來說，這種啟動方式投入產出比嚴重不協調，在設計方案選擇與優化方面難度非常大，設計上多數是不會推薦的;二是降壓啟動方式。這種設計方式的核心點在于設計增加一臺匹配的降壓啟動裝置，按照市場調研情況看，降壓啟動裝置成本投入相對來說就小很多了，還且還有利于縮小啟動電動機沖擊影響整個電路，在安全、可靠性大為改善，此設計方案在設計應用上有較好效果的。

1.2 主變壓器容量與水泵軸功率的關系

我們推進設計時，進行備選的水泵軸功率與電動機功率對比過程會發現，兩者數據相差較遠。通常電排站裝機功率是2×200kW，相應配置的水泵軸功率峰值是單機180.3kW，電動機轉換效率最大為93%，額定電壓380V，功率因數是0.82，根據需要設置專用電壓變壓器。根據電動機功率配置變壓器：經計算得到容量結果524.5kVA，則實際變壓器總容量是630kVA;如果按水泵軸功率配置，則得到的變壓器計算容量結果是473kVA，那么變壓器選擇的型號總容量就是500kVA。對比之下就會發現，依據電動機功率進行變壓器設計選型，容量高出20%以上，與整個電路配套的開關總閘、繼電器等，還有電纜規格要求等都要相應提升等級，成本投入大大提高。所以，按照依據水泵軸功率來完成變壓器容量設計選型對成本控制來說非常重要。

1.3 變壓器型號選擇

隨著環保要求的提升，現階段提倡設計階段多考慮節能變壓器。實際應用當中，油浸式電力變壓器按照其型號區分一般為S7、S8、S9三種規格。相比之下，容量一樣大的變壓器S9與S7系列相比，無論是在空載時的運行效率損耗，還是在負載時運行效率損耗都有明顯的優勢。而且根據國家相關管理規章制度要求，S7型變壓器已經被要求禁止使用，因此在電排站設計選用變壓器盡量采用S9型。

2 ?站用電選擇

在進行站用電選擇階段，要充分掌握泵站裝機容量（小型泵站多數為2*200kW）、電網輸送電情況，一般有以下3種方式：第一，利用電排站周圍電網電源為電排站休整期供電，不必加裝專設站用變壓器。選擇站用電的設計思路，考慮的是電動機電壓母線連接，把附近電網電源作為整個站用電的備用，還能夠為整個電排站停工檢修以及維護保養階段輸送用電;第二，設計方案上考慮加裝專項站用變壓器，該變壓器高壓側要連接到自主變壓器高壓端，站用電則選取自專用變壓器0.4kV低壓側;第三，直接從電動機電壓母線上取得站用電。從技術設計角度分析，以上3種站用電選擇方案都能有效實現。最經濟且可靠的是第一種方案，但是周圍必須有相應的電網提供。其余第二、第三方案也要做好綜合經濟效益的比較來選取，還要綜合考慮主變壓器與電動機容量完成匹配時的剩余容量大小，通常情況下，設計成本寬裕建議選取專用站變的方式，成本雖然略高，但可靠性和穩定性明顯提升。

3 ?電動機選擇

通常電排站與水泵負載相連的電機，全年的工作情況來看，只有在排澇時段是持續作業的，無需進行頻繁啟動，因此泵的設計選型保證額定功率比水泵負載功率略大一些就能實現正常工作。根據實際情況，常用小型電排站多數會結合成本投入和后期維護等角度考慮，選擇交流鼠籠型異步電動機與水泵相配套。

還有一種繞線型電動機，轉矩更大，但同等功率下，其價格比鼠籠型高很多。多數情況下水泵負載選取低壓鼠籠型電動機即可實現目標。不過啟動彎矩過大無法滿足時，就要選擇繞線式電動機來替代。

4 ?電動機啟動方式設計選擇

通常情況下，設計異步電動機設計直接啟動時要考慮：首先電動機啟動瞬間的電流峰值超過是額定電流好多，電網在承受沖擊電流上難以應付;二是電動機啟動時能夠提供的轉矩不足，水泵應達到轉矩最低限值才能驅動運轉持續下去。因此必須切實在啟動方式設計前掌握實際要求。通常鼠籠型異步電動機的啟動方式分兩種，全壓直接啟動和降壓啟動。

首先就是當“小容量”電動機載荷理論電壓降控制在額定電壓的15%以內全壓直接啟動。這里提的“小容量”往往其電網容量比較小。

第二，中大容量電動機輕載降壓啟動。按前面所述，如果電動機啟動對干路電壓沖擊幅度超過15%，就不可以使用直接啟動的設計方式。因為電源電網可以抵抗的沖擊是有限度的，超過這個范圍，就必須采用降壓啟動來彌補缺陷。電動機啟動過程中，電壓降和系統容量、主變壓器容量、工作機組數量等之間都是有著相關的內在聯系的，相比之下的系統容量和變壓器容量呈正比關系。在主變和系統容量保持確定前提下，如果多于3臺以上相同容量機組，就可以實現單機母線電壓降不超過15%的范圍。

第三，繞線式電動機的啟動要求，通常都是中大容量電機且帶有重型載荷啟動作業，之前所述的問題都發生了相互交叉，在處理難度上比較麻煩。通常采取的解決措施是利用電動機串接電阻來減少啟動電流峰值，這樣還同時可以實現轉矩有效增大。當遇到了電動機需要通過頻繁啟動來完成作業，雖然電機容量較小，不過在短期內反復作業啟動過程中持續有較大電流通過，而且持續較長的周期，就會產生大量的熱量，存在嚴重安全隱患。通常的解決措施是外接電阻控制電機啟動，這樣做的目的是避免電機反復啟動過程發熱出現安全隱患，把熱量轉嫁到外接電阻上。

5 ?鼠籠型電動機啟動器設計選型

該系列多數采取軟啟動器或自耦降壓啟動器的設計方案，二者具體分析對比看，優缺點比較明顯。

5.1 軟啟動器

根據啟動過程數據，我們對采用軟啟動器的電機特性曲線進行了記錄并繪制成圖，結果表明性能曲線相當平順，就其啟動電流來看可調性很強，穩定運行時間短。而且1臺軟啟動器可以同時啟動多臺電機，成本低，經濟性好。

5.2 自耦減壓啟動器

利用該啟動器，會導致啟動電流大，對設備造成機械沖擊，稱為這種恒壓啟動呈現一段一段的梯隊形式，而且設備笨重，使用壽命要優于軟啟動器。自耦減壓啟動器工作時發熱量大，不適宜短時間重復啟動，所以自耦減壓啟動器不建議控制多臺電機啟動。

6 ?電容補償設計方式

泵站無功補償通常有兩種方式可選：一種叫做集中補償，主要就是在電動機電壓母線集中完成;另一種叫做就地補償，即在電動機旁完成。集中補償的話就要求在設計電動機接線方式時，電壓母線上布置一套電容器柜，柜里有自動切換裝置組合。但是補償容量不大，設計集中補償柜設計勢必造成巨大浪費，所以就需要采用個別補償策略。對電動機實施個別補償策略，就要把電機零負載功率因數增加到1，需要指出的是空載時無功負載最輕。假如電機負載時采取補償策略，導致電動機輕載過補償，電源切斷后，慣性作用下的電動機持續運轉，會對整個回路造成嚴重影響。主要把對電容回路存在電流輸送到電動機，從而形成了勵磁電流，原本的電動機就轉換為感應發電機，然后再將輸出的電流對電容器充電，再反復循環下去，這就是所謂的“自勵”。自力作用將導致過電壓現象，長時間作用下，將會破壞電機和電容器的絕緣。另外電動機仍在轉動時重新合閘會出現相當大的沖擊電流，期間將會輸出較大的瞬時轉矩，長時間作用下，也會對電機軸造成極大的磨損，所以設計方案推進過程中的個別補償策略，多數都是根據電機的空載工況來設計的。

7 ?結束語

綜上所述，中小型電排站是重要的防洪治理基礎建筑設施，要從設計和實際應用角度充分考慮，對于變壓器設計選型，站用電選取，電動機設計選型，電動機啟動方式選取，電動機啟動器設計選型以及電容補償等各個方面做好設計梳理工作，避免電排站日后投入使用后出現各類問題。中小型電排站電氣設計及設備選型，要堅持優中取優，只有先進的設計方案，才能為我國電排站建設提供有利的保障。

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