南濱排澇泵站電氣設(shè)計要點

吳桂良，滕 峰，羅 剛，張凱超，林錦偉

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展、城市規(guī)模的擴大，城市防洪排澇已成為制約城市健康發(fā)展的重要因素。近年來，因排澇設(shè)施建設(shè)滯后或不合理而導(dǎo)致的城市內(nèi)澇災(zāi)害時有發(fā)生，已對居民的生產(chǎn)生活造成了不良影響。南濱泵站是汕頭南濱片區(qū)重要的防洪排澇措施，泵站的建成將有力提升片區(qū)排澇能力，保障片區(qū)防洪安全。

排澇泵站電氣設(shè)計是保障排澇泵站正常運行的一個重要環(huán)節(jié)。可靠的電氣系統(tǒng)可以保證排澇泵站在各種運行模式下都能正常工作，從而避免由于電氣設(shè)備問題帶來的排澇泵站運行故障，進而造成城市內(nèi)澇、洪水災(zāi)害等嚴重后果[1]。

1 工程概況

南濱泵站位于汕頭市濠江南濱片區(qū)規(guī)劃主排渠出口，為堤身式泵站，泵站設(shè)計流量100 m3/s，水泵總裝機容量7 500 kW，自排水閘設(shè)計流量247 m3/s，并考慮漁船通航需求。主要構(gòu)（建）筑物含泵房、自排水閘、粗格柵、配電間等。

根據(jù)GB 50265-2022《泵站設(shè)計規(guī)范》[2]和SL252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規(guī)定，南濱泵站等別為Ⅱ等工程，規(guī)模為大（2）型，泵站主要建筑物為2 級，次要建筑物為3 級，臨時性建筑物級別為4 級。

2 電氣設(shè)計

2.1 供電電源

南濱泵站安裝有6 臺雨水泵，配套電動機采用10 kV 供電，單機容量1 250 kW。泵站內(nèi)另有部分低壓輔助設(shè)備負荷，根據(jù)負荷計算結(jié)果，設(shè)置2 臺160 kVA 站用變壓器，一用一備。工程總裝機容量7 820 kW。

排澇泵站作為重要的民生設(shè)施，若供電中斷，會導(dǎo)致所負責的排澇區(qū)雨水無法正常排出，造成城市內(nèi)澇，嚴重影響經(jīng)濟發(fā)展，甚至導(dǎo)致人員傷亡，對人民生活、社會發(fā)展造成較大影響。因此，需要可靠的供電電源以保證當發(fā)生電力線路常見故障時，不致中斷供電或者中斷后能迅速恢復(fù)[3，4]。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，本工程確定為二級負荷。

由于本工程水泵電機單機容量較大，電壓等級較高，若采用柴油發(fā)電機作為備用電源，占地面積大，設(shè)備造價昂貴，噪音污染嚴重，實現(xiàn)可能性不大。故要求由市政電網(wǎng)接引兩回路10 kV 電源供電，一用一備，每回線路均能承擔泵站100%用電負荷。

2.2 電氣主接線

對于雙電源的6~10 kV 中壓配電系統(tǒng)，較常用的主接線形式主要為單母線接線、隔離開關(guān)受電和分段的單母線接線、斷路器受電和分段的單母線接線3 種方式。主接線方式的選擇應(yīng)依據(jù)規(guī)模大小、電機電壓等級、運行時間以及占地面積等要求，選擇原則如下：

（1）規(guī)模較大、電機采用中壓電機的泵站，中壓系統(tǒng)優(yōu)先選用斷路器受電和分段的單母線接線；

（2）規(guī)模較小、電機采用低壓電機的泵站，或者規(guī)模較小、電機采用中壓電機的小型泵站，中壓系統(tǒng)宜選用單母線接線，低壓系統(tǒng)采用單母線分段接線或單母線接線方式。

本工程主要用電設(shè)備為中壓電機，低壓負荷主要為小功率工藝設(shè)備、永久建筑設(shè)施和工程管理設(shè)施的照明用電等，負荷較小。考慮到中壓需設(shè)置八回饋線回路，且要求工程供電可靠性較高，在母線故障或檢修時僅允許縮小停電范圍，不得全廠斷電，故中壓主接線采用斷路器受電和分段的單母線接線。主接線圖如圖1 所示。

圖1 電氣主接線圖

2.3 電機選型

本工程雨水泵的設(shè)計轉(zhuǎn)速僅為214 r/min，轉(zhuǎn)速較低，且選用立式水泵。與之配套的驅(qū)動裝置考慮3 種方案供遴選，如表1 所示。

表1 水泵驅(qū)動方案比選

當電機級數(shù)超過20 級時，可以考慮采用同步電機，但同步電機維護工作量大，啟動時需要單獨的勵磁裝置，體積重量均較大，且本工程為排澇泵站，啟動頻率低，后期維護工作量大。

雖然國內(nèi)電機廠可以生產(chǎn)32 級及以下異步電動機，但電機體積、重量大，運輸、安裝很不方便，電機功率因數(shù)很低，國內(nèi)很少使用。

減速齒輪箱方案造價較28 級同步、異步電機略高，但電機體積、重量小，運輸、安裝方便，可以節(jié)省土建造價，并且功率因數(shù)較高，維護方便。

綜上所述，故本次推薦采用4P/6P 異步電機+減速齒輪箱方案。該方案整體體積小，運輸、安裝方便，降低了對電機運輸車輛及進廠道路拐彎半徑的要求，節(jié)約泵房起吊設(shè)備、基礎(chǔ)的投資，方便施工，大大節(jié)約土建造價；減速箱承受軸向推力，無需電機承受；4 級電機維護簡單，減速箱一體化設(shè)計免維護，整體維護成本低；與同步電機相比不需要額外的勵磁裝置，節(jié)約配電間面積；與大級數(shù)異步電機相比，無功補償容量少，電機整體效率高。4 級電機+減速箱方案與傳統(tǒng)28 級異步電動機、同步電動機相比，更適用于本工程，并且也是國內(nèi)為數(shù)不多的應(yīng)用于排澇泵站立式軸流泵工程的案例。

2.4 電機啟動壓降及啟動方式選擇

對于排澇泵站機組啟動方式的選擇，可以從以下3 個方面進行考慮：

（1）當采用全壓啟動時，母線及電機端子壓降是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；

（2）當?shù)毓╇姴块T的相關(guān)規(guī)定、要求；

（3）對于低壓電動機，當回路的開關(guān)電流達到一定值時，電動機回路直接啟動電流較大，容易燒毀斷路器或接觸器觸頭，采用軟啟動器降壓啟動比較合適。

本工程主電機均為中壓電機，且電機容量較大，啟動過程中會引起不可忽視的電壓損失。因此，設(shè)計中應(yīng)先計算電動機啟動時的電壓水平，以便正確選擇啟動方式，并根據(jù)啟動電流校驗供配電和啟動設(shè)備的過負荷能力。

本工程電源取自10 kV 公共線路，進線采用YJV22-8.7/15 kV 3×150 mm2電纜，電纜長度約3.0 km，線路阻抗Xl=0.159 Ω（泵站到電機3.1 m，阻抗0.093 Ω/km）。電動機額定容量：SRM=P/0.85=1 470 kVA，額定電流啟動倍數(shù)kst=6；功率因數(shù)為0.85。變電站供電變壓器的額定容量：SrT=40 MVA；母線短路容量：Skm=200 MVA；預(yù)接負荷的無功功率：Qfh=0.6×（Srt-0.75×SrM）=23.2 Mvar。

電動機啟動時，啟動回路的額定輸入容量：

電動機啟動時，母線電壓降相對值：

電動機啟動時，端子電壓相對值：

電動機啟動電流：

由以上計算結(jié)果可知，電動機全壓啟動時的母線壓降及電動機端子電壓水平均滿足規(guī)范要求，可考慮采用全壓啟動。

經(jīng)與當?shù)仉娏Σ块T溝通，由于本泵站單機容量較大，如采用全壓啟動勢必將對同一線路上的其它供電用戶的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。同時，由于在雨季時排澇泵站需要頻繁啟動，采用降壓啟動方式可以有效減少對機電設(shè)備的沖擊，有利于延長設(shè)備壽命。而且，目前該地區(qū)已建成的排澇泵站亦多采用降壓啟動方式。基于此，本工程考慮采用軟啟動器降壓啟動。幾種較為常見的軟啟動器對比如表2 所示。

表2 軟啟動器對比

通過比選，本工程10 kV 軟啟動采用中壓干式調(diào)壓軟啟動柜。該啟動柜采用一體化設(shè)計，體積小，安裝維護簡便，受使用環(huán)境和溫度影響較小，更適用于沿海城市惡劣環(huán)境。

2.5 無功補償

目前，常見的無功補償方式包括靜態(tài)補償和動態(tài)補償，一般可以從電壓穩(wěn)定性、功率因數(shù)調(diào)節(jié)、負荷均衡和諧波濾除等方面綜合考慮、選取。

本工程主要負荷為10 kV 中壓電機，且單機容量較大、補償需求穩(wěn)定，因此考慮采用電容器就地補償。該補償方式相對來說成本更低，不需要配套其他設(shè)備，依托于負載，減低了設(shè)備和線路的使用成本。

工程中其它輔助設(shè)備均為低壓負荷，容量較小且分散分布，由160 kVA 變壓器供電。考慮在變壓器低壓側(cè)設(shè)置集中補償電容，該補償方式能夠同時補償多個電纜線路和負載，沒有就地補償?shù)目刂品爆嵑凸芾韽?fù)雜。

補償后低壓側(cè)功率因素達到0.95 以上，10 kV進線側(cè)的功率因數(shù)達0.9 以上，滿足供電部門的要求。

2.6 短路電流計算

因本工程為受電端，暫無法得到準確的短路數(shù)據(jù)，經(jīng)咨詢當?shù)仉娏Σ块T后，按系統(tǒng)容量無窮大、供電變電站出口短路容量200 MVA 為計算條件，進線電纜為兩回3×150 mm2銅芯交聯(lián)聚乙烯電纜，供電距離3 km。計算得泵站電源進線端的短路電流為18.3 kA，變壓器低壓側(cè)短路電流為5.8 kA。依據(jù)以上計算條件，校核斷路器開斷電流、電流互感器、電纜的熱穩(wěn)定電流。

中壓配電設(shè)備的額定短路開斷電流可取為25 kA，低壓主配電系統(tǒng)的額定短路開斷電流可取為50 kA。

3 總結(jié)

城市的防洪排澇問題已成為城市建設(shè)中越來越嚴峻的問題，為保證排澇泵站運行的安全性、可靠性，對于泵站的電氣系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)提高要求。在實際設(shè)計過程中，應(yīng)緊密結(jié)合工程特點，經(jīng)過計算確定合適的設(shè)計參數(shù)，合理進行電氣主接線選擇及機電設(shè)備選型。