李朝軍 何 皓 劉志華

（武漢市政工程設(shè)計(jì)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(tǒng)的重要組成部分。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化建設(shè)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(shè)計(jì)城鎮(zhèn)排水泵站的電氣配電網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化裝置，能夠提高工程建設(shè)投資效益，改善生產(chǎn)和運(yùn)行效率，并且保證了泵站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 黃浦路泵站背景

結(jié)合武漢城市總體規(guī)劃，通過(guò)對(duì)雨水量的預(yù)測(cè)，并結(jié)合城市發(fā)展前景，確定黃浦路泵站規(guī)模為17m3/s，共配置 6臺(tái)潛水泵，每臺(tái)潛水泵電動(dòng)機(jī)額定功率為280kW。泵站設(shè)計(jì)水位：19.06m，泵站最低運(yùn)行水位：17.30m。

根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第8冊(cè)電氣與自控部分的負(fù)荷等級(jí)的劃分要求，黃浦路泵站的負(fù)荷等級(jí)應(yīng)為二級(jí)負(fù)荷，因此應(yīng)由兩個(gè)電源供電，并且須做到在變壓器或者電力線(xiàn)路出現(xiàn)常見(jiàn)的故障時(shí)不致中斷供電。為滿(mǎn)足此要求，本泵站外線(xiàn)電源采用兩回路10kV電源供電。

2 電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)的確定

由于我國(guó)的低壓電壓等級(jí)采用的是前蘇聯(lián)的模式，工業(yè)用電裝置最常用的電壓等級(jí)是 400V。與400V電壓等級(jí)配套的設(shè)備、裝置和配件也很容易在市場(chǎng)上采購(gòu)到，因此在武漢市的排水系統(tǒng)中水泵所采用低壓電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)均為400V。

在本次設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)功率為280kW。按國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)的額定功率≤125kW時(shí)為小型電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的額定工作電壓采用380V；電動(dòng)機(jī)的額定功率＞130kW時(shí)為中型電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)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(shí)，電動(dòng)機(jī)控制、保護(hù)及繼電保護(hù)較困難而且成本太高，因此水泵電動(dòng)機(jī)采用低壓供電方式，在工業(yè)領(lǐng)域，低壓電壓等級(jí)有400V和690V兩種。究竟采用何種電壓，這是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。對(duì)比這兩個(gè)電壓等級(jí)（690V和400V）可以從如下的一些關(guān)鍵因素去分析：

1）正常運(yùn)行時(shí)和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電纜壓降。

2）電纜截面積。

3）整體功率損失。

2.1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)電壓降比較

電動(dòng)機(jī)是采用電網(wǎng)供電，電源屬于無(wú)限大容量的系統(tǒng)。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六章相關(guān)計(jì)算公式可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電壓降，在計(jì)算起動(dòng)電壓降時(shí)，做如下幾個(gè)假定：

1）電動(dòng)機(jī)在投入運(yùn)行時(shí)母線(xiàn)電壓等于網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)稱(chēng)電壓。

2）電動(dòng)機(jī)采用全壓起動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為0.8，電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)電流倍數(shù)為6.7。

3）供電變壓器一次側(cè)短路容量為100MVA。

4）變壓器容量為1600kVA，且變壓器不帶其他無(wú)功負(fù)荷。

表1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電壓降

表2 電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)電壓損失

從表1和表2可以看出采用690V供電，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和正常工作時(shí)電壓降更小，有利于電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 電纜截面積比較

電動(dòng)機(jī)額定功率為 280kW 時(shí)，當(dāng)功率因數(shù)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(dòng)機(jī)與 400V相比，負(fù)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(huì)影響其絕緣的耐受能力。在同一負(fù)荷電流下，采用 690V供電可以使用截面相對(duì)較小的YJV-0.6/1kV交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)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(tǒng)供電，工作電流只相當(dāng)于 400V系統(tǒng)工作電流的58%，在此條件下，消耗在傳輸線(xiàn)路上功耗大大的減少，只相當(dāng)于400V系統(tǒng)的34%。

綜上所述，690V系統(tǒng)相對(duì)400V系統(tǒng)在電壓降、電纜截面、功耗三方面都具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)10kV/690V供配電系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的10kV/400V供配電系統(tǒng)具有供電半徑增大、供配電容量增加、短路電流減小、負(fù)荷單機(jī)容量可增大、節(jié)省建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且現(xiàn)在大部分生產(chǎn)潛水泵的廠家均配套有690V這一電壓等級(jí)的電動(dòng)機(jī)，因此電動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)電壓采用690V。

3 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

水泵電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電壓采用690V，但是由于目前同一套裝置內(nèi)的UPS、儀表電源及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)、和檢修電源等系統(tǒng)需要400（230）V電源，這樣一來(lái)就不可避免地形成了在一套裝置內(nèi)10kV/690V/400（230）V三種電壓共存的局面，因此合理設(shè)計(jì)配電網(wǎng)絡(luò)將直接影響整個(gè)泵站的投資。為了保證供電系統(tǒng)的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)的合理性。針對(duì)這一情況，在黃埔路泵站中共設(shè)計(jì)兩套供電方案。

圖1 4臺(tái)雙繞組變壓器配電網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 2臺(tái)三繞組變壓器配電網(wǎng)絡(luò)圖

為滿(mǎn)足二級(jí)負(fù)荷要求，外線(xiàn)采用兩回路 10kV供電方式，兩種方案中 10kV均采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)方式，低壓共設(shè)置兩種電壓等級(jí)的母線(xiàn)，其中0.69kV母線(xiàn)作為水泵電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力電源，0.4kV母線(xiàn)作為UPS、儀表電源及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)、和檢修設(shè)備的電源。兩種方案的區(qū)別在于變壓器設(shè)置的形式和數(shù)量不同，方案一共設(shè)置4臺(tái)雙繞組變壓器，配電房需要四個(gè)高壓柜回路（包括高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備及高壓電纜等）。方案二共設(shè)置兩臺(tái)三繞組變壓器，配電房需要兩個(gè)高壓柜回路（包括高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備及高壓電纜等），方案二相對(duì)方案一來(lái)說(shuō)大大減少了設(shè)備數(shù)量、電纜數(shù)量及土建面積，并且方案一接線(xiàn)復(fù)雜，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生了一定影響。從設(shè)計(jì)角度上來(lái)顯然方案二更加經(jīng)濟(jì)合理。

雖然目前國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)廠家已經(jīng)推出了針對(duì)690V系統(tǒng)的系列元器件和配電柜，并在礦井行業(yè)中的大型裝置上逐漸推廣應(yīng)用，但是配套的配電變壓器還只有 10kV/690V的雙繞組變壓器，沒(méi)有出現(xiàn)10kV/690V/400V這一電壓等級(jí)三繞組變壓器，這樣給本工程泵站的配電設(shè)計(jì)帶來(lái)了不可操作性，因此在本次泵站配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用方案一的設(shè)計(jì)方案。

4 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)一般有3種，即直接起動(dòng)、星三角起動(dòng)、自耦變壓器起動(dòng)，這3種起動(dòng)方法均屬于硬起動(dòng)方式，存在以下缺點(diǎn)：

1）直接起動(dòng)起動(dòng)沖擊電流大，起動(dòng)電流一般達(dá)額定值的4～7倍，直接影響周?chē)O(shè)備儀表的正常工作；并且變壓器容量要達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定容量的3倍以上，直接影響了變壓器的過(guò)度投資。

2）直接起動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩大，對(duì)機(jī)械設(shè)備、零部件會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊應(yīng)力，大大縮短了設(shè)備的使用壽命，這種沖擊轉(zhuǎn)矩還會(huì)引起水的波動(dòng)，對(duì)管道、閘門(mén)、水泵的機(jī)械設(shè)備等危害較大。

3）Y—△起動(dòng)和自耦變壓器起動(dòng)雖然沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩較直接起動(dòng)時(shí)減小，但 Y—△起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，只適應(yīng)輕載和空載起動(dòng)，在切換過(guò)程中尖峰電流將產(chǎn)生破壞性動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩引起機(jī)械振動(dòng)。而自耦變壓器起動(dòng)體積大、成本高、不易頻繁起動(dòng)，很難控制其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載匹配。影響水泵的可靠運(yùn)行。

因此為保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)電源電壓與額定電壓不可相差10%，電壓過(guò)高會(huì)引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱而燒壞繞組，電壓過(guò)低則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，如達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速的70%時(shí)，起動(dòng)離心開(kāi)關(guān)會(huì)閉合，造成起動(dòng)繞組長(zhǎng)時(shí)間通電而發(fā)熱甚至燒壞繞組和電容器。并且不能頻繁地開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)樗猛＾D(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生回流，若立即開(kāi)機(jī)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)負(fù)載起動(dòng)，導(dǎo)致起動(dòng)電流過(guò)大而燒壞繞組。本工程采用變頻器作為電動(dòng)機(jī)的保護(hù)機(jī)構(gòu)。工作框圖如圖3所示。

圖3 工作框圖

在應(yīng)用中運(yùn)用了各種傳感器將流量、液位、溫度等信號(hào)反饋給變頻器，根據(jù)液位和流量檢測(cè)信號(hào)以及閘門(mén)的開(kāi)起狀態(tài)信號(hào)，水泵按要求起停泵的臺(tái)數(shù)，并使同型號(hào)泵運(yùn)行時(shí)間大致相等，自動(dòng)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使水泵運(yùn)行參數(shù)達(dá)到最佳控制。泵出口閘門(mén)按工藝要求與泵聯(lián)動(dòng)，泵電動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)和水泵泄露信號(hào)的無(wú)源接點(diǎn)變故障信號(hào)通過(guò)變頻器的輸入端口采集送入變頻器中的控制模塊，當(dāng)檢測(cè)到其超溫和泄露報(bào)警無(wú)源接點(diǎn)信號(hào)時(shí)，變頻器自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)傳遞信號(hào)給相應(yīng)配套的閘門(mén)控制柜，到達(dá)聯(lián)鎖運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

本文介紹的690V系統(tǒng)在城市排水系統(tǒng)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了兩種供電網(wǎng)絡(luò)模式，根據(jù)實(shí)際情況，采用 4臺(tái)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(wěn)定運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)采用變頻器控制方式，使其起動(dòng)和運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)在節(jié)電、延長(zhǎng)水泵和管道壽命，實(shí)現(xiàn)城市排水自動(dòng)化等方面產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效果。

[1]給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)（第8冊(cè)）: 電氣與自控[S]. 2版.北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002.

[2]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 等. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[S]. 2版. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2005.

[3]馬志溪. 供配電工程[M]. 清華大學(xué)出版社,2009.