論某大型梯級泵站工程電氣一次設計

摘 要：

電氣一次設計是大型梯級泵站的核心部分，與泵站本身的供電可靠性、運行靈活性和經濟節約性密切相關。以某大型梯級泵站為例，介紹了泵站的供電電壓等級、站用電系統、電氣主接線、軟起動方式、主要電氣設備布置等內容，并對負荷計算、計量和補償進行了計算研究，可為以后相關梯級泵站電氣一次設計提供借鑒。

關鍵詞：

梯級泵站; 電氣一次; 設計; 負荷計算; 供配電系統

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）04-0091-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.04.016

0 引 言

泵站作為水利工程的重要組成部分，在解決干旱缺水、洪澇災害、水循環利用、水環境惡化等方面起著不可替代的作用，承擔著區域防洪、灌溉、排澇、調水和供水的重要任務［1］。隨著我國社會經濟的發展，生產生活用水需求日益增長，為實現不同時空水資源優化配置、解決水資源供需矛盾，大型梯級泵站調水工程越來越多，這類工程具有管線長、揚程高、沿線地形起伏大等特點［2］，如甘肅景泰川電力提灌工程、寧夏固海揚水工程、陜甘寧鹽環定揚黃工程、貴州省懷仁市共和水庫供水工程等 ［3］。

根據近些年國內梯級泵站建設研究情況，主要集中在梯級泵站的調度運行、自動化控制節能措施、經濟優化、系統運行效率等方面［4-5］。大型梯級泵站工程，其投資費用大，運行管理費用高，如何減少電氣一次設備投資，提高工程效益，是當前研究的重要課題。

本文以某梯級泵站為例，結合工程實際，以工程投資費用最小為目標，分析供電電壓等級、站用電系統、電氣主接線、軟起動方式、主要電氣設備布置，并對負荷計算、計量和補償進行了計算研究，可為大型梯級泵站工程的電氣一次設計提供參考。

1 工程概況

西南地區某大型提水工程主要任務為增加團山水庫的供水能力，向市區供水，滿足市區城鎮生活、生產等用水需要。工程年供水量3 011萬m3，設計流量1.32 m3/s 。工程主要由泵站工程及輸水工程組成：其中泵站工程由一級加壓泵站、二級加壓泵站、三級加壓泵站等組成;輸水工程由一級加壓管道、二級加壓管道、三級加壓管道工程、1#隧洞工程、2#隧洞工程、3#隧洞工程及1#、2#自流管道工程組成，其中泵后壓力管道長8.37 km，沿線無分水，采用DN1000無縫鋼管。

2 外部供電電源比選

2.1 用電負荷及負荷等級

本工程電氣設備：安裝容量為33 109.2 kW，工作容量為22 104.7 kW，計算有功功率為17 625.9 kW，無功功率為5 811.9 kvar（補償后），視在功率為18 559.34 kVA。

本工程全部工藝用電設備均為二級用電負荷，照明、檢修負荷為三級用電負荷。二級負荷擬采用兩回路供電。

2.2 供電電源電壓等級比選

根據電力部門提供的資料，本工程附近有2座110 kV變電站，分別為110 kV甲變電站、110 kV乙變電站。110 kV甲變電站距離本工程約10 km，110 kV乙變電站距離本工程約20 km，由于110 kV乙變電站距離本工程較遠，供電距離遠，故本工程電源擬引自110 kV甲變電站。

110 kV甲變電站高低壓系統均采用單母線分段接線形式，主變容量為2×40 MVA，無備用35 kV出線間隔，有2個備用10 kV出線間隔，且該變電站預留有擴容擴建的位置，為滿足本工程供電要求，需對甲變電站進行擴建。設備投資比較如表1所示。

方案一：選用10 kV供電線路;在每一級泵站均設置10/0.4 kV變配電室，本方案共需6回路10 kV架空線路，其中每兩回10 kV架空線路共桿敷設。

方案二：選用35 kV供電線路;擬在三級泵站設置1座35 kV變電站，室外設兩臺35/10 kV 25 MVA主變，分別為各級泵站10/0.4 kV變配電室提供兩回路10 kV電源，本方案共需兩回路35 kV架空線，兩回路35 kV架空線路共桿敷設。

方案比選，方案一與方案二均滿足泵站供電可靠性要求。方案一，總造價少、占地面積小，但需要占用上級變電站6個出線間隔，架空線路長;方案二，進線回路數少，線路損耗低，但占地面積大，總造價高。

綜上所述，本設計選擇方案一，采用6回路10 kV供電。電網現狀接線示意圖如圖1所示。

3 供配電系統

根據上述負荷計算結果、工藝流程和負荷分布情況，擬在每級泵站設置1座10/0.4 kV變配電室。3座泵站設置獨立的變配電室，一級泵站采用浮船式泵站，變配電室設置在岸上管理區。

3.1 電氣一次主接線

一、二、三級泵站分別設置1座10/0.4 kV變配電室，每座變配電室采用雙回路10 kV線路供電，采用高壓架空線LGJ 300 mm2引自110 kV甲變電站10 kV不同母線段，當一回路電源發生故障時，另一回路電源能夠100%保證全部負荷用電;三級泵站10/0.4 kV變配電室負責為三級泵站內全部用電設備供電，10 kV配電系統共設KYN28A-12（G）高原型高壓開關柜16臺（備用1臺）、固態軟起動柜5臺、10 kV電容補償柜5臺。10 kV配電系統采用單母線分段接線形式。

3.2 站用電接線

站用電負荷統計如表2所示。一、二、三級泵站變配電室0.4 kV配電系統分別設置MNS型低壓配電柜7臺，SCB13干式變壓器2臺，一用一備（互為冷備用）;0.4 kV低壓配電系統采用單母線分段接線形式，其中一級泵站變壓器型號為SCB13-10/0.4 kV 160 kVA，二、三級泵站變壓器型號為SCB13-10/0.4 kV 400 kVA。

3.3 主要電氣設備選擇

10 kV配電裝置選用KYN28A-12（G）型金屬封閉手車式開關柜，開關柜內配置真空型斷路器，環氧樹脂互感器。

0.4 kV配電裝置選用MNS型抽屜式開關柜。

3.4 變配電室布置

一、二、三級泵站變配電室均為兩層，二層為高壓配電室，一層設有低壓配電室、電容器室、變頻器室、鋼瓶間等。變配電室一層設備布置圖如圖2所示。變配電室二層設備布置圖如圖3所示。

3.5 水泵電動機選擇

水泵電動機選擇如表3所示。電動機的電能消耗在泵站中所占的比例較大，故為了提高工程

效益需選擇節能高效電動機。故泵站選用18臺高效異步電動機（其中6臺變速機組，12臺定速機組），額定功率為1 800 kW。額定電壓為10 kV，額定轉速為1 489 r/min，功率因數為 0.81（滯后），外殼防護等級為IP54，效率為 96.4%。

3.6 軟起動設備

每級泵站水泵電機功率均采用1 800 kW高壓電機，由于工藝要求，其中兩臺水泵需要變頻運行，其他四臺水泵采用工頻運行。

根據相關工程經驗，大容量電機直接啟動對系統沖擊較大，對電機本身運行不利，故本次設計，電機啟動均采用軟起動方式。

10 kV高壓固態軟起動器，每級泵站內采用綜合自動化控制系統，控制器采用帶通訊功能PLC一套，固態軟起動設備信息通過超五類屏蔽雙絞線上傳至綜合自動化系統，軟起動器基本參數如下：型式：戶內型，交流金屬式;額定工作電壓：10 kV最高運行電壓：12 kV;相數：三相;額定頻率：50 Hz;電機軟起動一次接線方案比選。方案一采用一拖一接線方式。方案二采用一拖二接線方式。軟起動方案投資比較表如表4所示。

方案一投資較多，但一次接線簡單，供電可靠性高;方案二投資較少，但一次接線復雜，供電可靠性較低;經比選后，本設計推薦方案一。

4 計量及功率因數補償

4.1 計 量

本工程計量采用高供高計，每一回路高壓進線均設專用計量柜，計量柜內電能表及電流互感

器變比按供電部門審批要求設置。用于計費及計量的電能表、電流互感器的準確級為0.2 S級，電壓互感器準確級為0.2。

4.2 功率因數補償方案比選

方案一采用就地補償接線方式。方案二采用集中補償接線方式。功率因素補償方案比較表如表5所示。

方案一投資較少，一次接線簡單。方案二投資較多，控制系統復雜。經比選后，設計推薦方案一。

4.3 功率因數補償

為保證功率因數在0.9以上，在每一座變配

電室的低壓配電系統中，均設置低壓電力電容器集中自動補償裝置，根據系統自然功率因數，對供配電系統進行自動補償;高壓電動機，采用單臺電動機就地補償。

一級泵站10/0.4 kV變配電室0.4 kV低壓系統補償容量為100 kvar。

二級泵站10/0.4 kV變配電室0.4 kV低壓系統補償容量為40 kvar。

三級泵站10/0.4 kV變配電室0.4 kV低壓系統補償容量為40 kvar。

單臺高壓電動機功率為1 800 kW，單臺電動機就地補償容量為450 kvar。

5 結 語

本文介紹了西南某大型梯級泵站供電方式、電氣主接線、主要電氣設備選擇及設備布置等電氣一次設計內容，并對泵站站用電負荷、無功補償等進行了計算研究，泵站目前進入安裝調試階段，機電調試運行正常順利，驗證了設計的合理性，為下一步工程的通水運行起到了積極作用［6］。

對于類似泵站項目，電氣設計人員應能做到：

① 充分了解泵站外部電源的容量、距離等，選擇最優的外部供電電源，通過投資大小、技術先進與否、運行是否安全可靠等確定最終的敷設路徑及架空線路型號規格;

② 充分收集泵站內部用電設備種類、數量、用電功率等，繼而進行負荷計算，確定變壓器選型，確定無功補償容量及方式;

③ 針對10 kV中壓水泵，要了解水工等專業對水泵啟停的要求、運行方式等，合理選用10 kV軟起動裝置及變頻裝置。

［1］ 沙魯生.水泵與水泵站［M］.北京：中國水利電力出版社，1993.

［2］ 肖學，李傳奇，楊幸子，等.梯級泵站事故停泵水力過渡過程研究［J］.人民黃河，2020，42（7）：131-135.

［3］ 任啟淼，范小娟，鄭錄艷.懷仁市共和水庫梯級泵站水泵機組主要設計特點分析［J］.水泵技術，2018（6）：25-28.

［4］ 張鵬.淺談長距離高揚程輸水工程梯級泵站的分級［J］.甘肅水利水電技術，2014（6）：32-34.

［5］ 王紀勝.南陽供水工程泵站分級探討［J］.甘肅水利水電技術，2015（10）：27-30.

［6］ 陳躍濤.榕江關埠引水泵站電氣一次設計［J］.廣東水利水電，2023（5）：92-96.

收稿日期： 2024-03-15

Electrical Primary Design of a Large Cascade Pump Station Project

ZHAO Bin

（Power China Northwest Engineering Co.， Ltd.， Xi’an 710065， China）

Abstract：

Primary electrical design is the core part of large cascade pump station，which is closely related to power supply reliability，operation flexibility and economic saving of pump station itself.Taking a Large cascade pump station as an example，the power supply voltage grade，station auxiliary power system，main electrical connection diagram，soft start method and main electrical equipment layout of power station are introduced.and calculates and studies the power load and reactive compensation of the pump station，providing some reference for the electrical design of the large cascade pump station projects in the future.

Key words：

cascade pump station; primary electrical; design; load calculation; power supply and distribution system