栗禎澤（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院　陜西　西安　710002）

耤河生態(tài)治理工程泵站電氣設(shè)備的優(yōu)化選型及主接線設(shè)計(jì)

栗禎澤
（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710002）

本文論述了耤河生態(tài)綜合治理一期續(xù)建工程中的1#泵站的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括負(fù)荷等級(jí)確定、供電方式的選擇、主接線的設(shè)計(jì)、主要電氣設(shè)備選擇及布置。

泵站電氣系統(tǒng)；設(shè)備選型；電氣主接線

1　工程概況

藉河生態(tài)綜合治理一期續(xù)建工程位于甘肅省天水市，是市委、市政府今年確定的重大建設(shè)項(xiàng)目，該工程集防洪、蓄水及景觀美化于一體，在對(duì)藉河兩岸堤防進(jìn)行達(dá)標(biāo)治理的基礎(chǔ)上，對(duì)治理河段進(jìn)行蓄水景觀建設(shè)。該工程治理范圍西起已建成的藉河工程末端6#橡膠壩，東至水家溝入?yún)R處，治理長(zhǎng)度約4km，綠化總面積11.56萬m2，概算總投資4.37億元，其中水利工程部分概算投資2.61億元，景觀工程部分概算投資1.76億元。本工程由2座泵站、3處橡膠壩和一座鋼壩閘組成。1#泵站的主要作用為給1#橡膠壩充、排水以進(jìn)行立壩或塌壩；2#泵站的主要作用為給2#、3#橡膠壩充、排水以進(jìn)行立壩或塌壩；本文以1#泵站為例，詳細(xì)分析了泵站電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)備選型及布置問題。

2　泵站供電方式

2.1負(fù)荷等級(jí)確定

電力負(fù)荷根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求及中斷供電在政治、經(jīng)濟(jì)上所造成損失或影響的程度分為三級(jí)［1］，本工程由于涉及河道防洪要求，運(yùn)行期間若突然中斷供電，停止供排水，可能會(huì)導(dǎo)致下游沿岸人員的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，所以用電負(fù)荷為一類負(fù)荷。

2.2泵站的負(fù)荷及供電方式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，本泵站的最大機(jī)裝負(fù)荷為230.96kW，最大運(yùn)行負(fù)荷為188.04kW。供電電源的選擇應(yīng)該綜合本工程的用電負(fù)荷、地理位置和地方電網(wǎng)的分布情況等因素考慮，在保證供電質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，盡量滿足供電的經(jīng)濟(jì)性和管理方便，并結(jié)合城市電網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)［2］。經(jīng)調(diào)查本工程附近有10kV城市公網(wǎng)為泵站供電。初步確定本工程擬采用就近10kV城網(wǎng)供電。

為了提高泵站供電的可靠性，泵站采用雙電源供電，一路從就近10kV城網(wǎng)“T”接引入作為主供電源，另外再設(shè)一臺(tái)0.4kV的柴油發(fā)電機(jī)組，作為備用電源，以保證河道在泄洪塌壩時(shí)泵站能安全可靠運(yùn)行。

圖1　不分段的單母線接線示意圖

圖2　分段式單母線接線示意圖

3　主接線設(shè)計(jì)

泵站的電氣主接線是連接泵站和變電所（電氣系統(tǒng)）用以輸送和分配電能的電路主接線圖，是泵站電氣運(yùn)行人員進(jìn)行各種操作和事故處理的主要依據(jù)之一，主接線形式一旦確定下來，有關(guān)的其他工作就要據(jù)此確定，主接線形式的選擇直接影響泵站建成后的用電是否可靠、機(jī)組運(yùn)行方式是否靈活、操作是否方便和安全等。主接線的設(shè)計(jì)一般要滿足運(yùn)行可靠、檢修靈活、接線簡(jiǎn)單清晰和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的要求。

對(duì)容量較大的泵站，考慮到電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)和備用變電容量，一般考慮橋形接線或者單母線接線。由于橋形接線在檢修調(diào)試、運(yùn)行中有局限性，母線在實(shí)際運(yùn)行中出故障的幾率較大，所以在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮單母線接線［3］。單母線接線方式在計(jì)量點(diǎn)設(shè)置、保護(hù)設(shè)置和整定等方面也具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，泵站電氣主接線設(shè)計(jì)中首選單母線接線。單母線接線法又分為分段式和不分段式。不分段式的單母線接線示意圖如圖1，分段式的單母線接線示意圖如圖2。

由圖1可以看出，電源回路（發(fā)電機(jī)或變壓器出線）和線路出線WL回路都經(jīng)過斷路器QF和隔離開關(guān)QS共同接到同一組母線WB上。在斷路器側(cè)安裝隔離開關(guān)QS1和QS2是為了保證檢修人員的安全，QS1為母線隔離開關(guān)，QS2為線路隔離開關(guān)。為了能在接通和斷開電源，并在故障情況下能自動(dòng)斷電，每一個(gè)電源回路和出線回路中都裝有斷路器QF。當(dāng)出線回路的另一端無電源時(shí)，線路側(cè)的隔離開關(guān)可以省掉。其中的QE為接地刀閘，可以在檢測(cè)時(shí)替代臨時(shí)接地線。

單母線分段如圖2所示。用分段斷路器QF將母線分為兩段（I段和II段）。分段斷路器QF在正常工作時(shí)可以投入使用，也可以斷開。正常運(yùn)行時(shí)，QF接通，任一端母線故障時(shí)，連在母線上的斷路器QS1和分段斷路器QF會(huì)斷開，另一端母線仍舊工作。

分段單母線接線的接線形式簡(jiǎn)單，易于操作，可靠性強(qiáng)，且調(diào)度方便，擴(kuò)建規(guī)劃也較容易，此外出線回路較多，能多分擔(dān)母線的電流，相關(guān)的投資增加不高該接線除具有單母線接線的諸多優(yōu)點(diǎn)外，增加了供電的可靠性和靈活性。當(dāng)母線或母線上隔離開關(guān)故障或檢修時(shí)，僅該段母線停電，縮小了停電范圍，分段越多，停電范圍就越小。

根據(jù)對(duì)比結(jié)果以及按本工程的運(yùn)行要求分析，決定高壓采用10kV供電系統(tǒng)，低壓側(cè)按單母線分段方案設(shè)計(jì)。由于本工程的用電負(fù)荷為一類負(fù)荷，不允許停止供電，所以為了保證泵站的安全可靠運(yùn)行，低壓進(jìn)線屏設(shè)雙投開關(guān)。雙投刀閘一端接主變低壓側(cè)，另一端接備用柴油發(fā)電機(jī)。

4　主要電氣設(shè)備選擇及布置

4.1主要電氣設(shè)備選擇

（1）電動(dòng)機(jī)選擇

電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)該在節(jié)約能效的基礎(chǔ)上滿足功率要求，因此考慮選用性能參數(shù)先進(jìn)，工作特性優(yōu)良，運(yùn)行可靠，安裝維修方便的YE2系列高效率電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)的容量的選擇就是對(duì)功率的選擇。泵的功率通常指的是輸入功率，也就是從電動(dòng)機(jī)傳到泵軸上的功率，也稱為軸功率，用Pb表示。

在確定所需電動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率須留有一定的安全裕量，電動(dòng)機(jī)的功率以計(jì)算功率Pj來確定。Pj=KPb

K為安全系數(shù)，見表1。

表1　　軸功率與安全系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)所需計(jì)算功率Pj，按照Pj功率向上靠選用標(biāo)準(zhǔn)功率的電動(dòng)機(jī)。

經(jīng)過計(jì)算，選擇功率為75kW的電動(dòng)機(jī)2臺(tái)，電壓等級(jí)選擇為0.38kV。

（2）箱式戶外變電站

按泵站設(shè)計(jì)結(jié)合后期景觀的要求，本工程設(shè)計(jì)戶外箱式變電站一座。箱式變電站包括變壓器一臺(tái)、高壓環(huán)網(wǎng)柜三臺(tái)、低壓配電屏5面、無功補(bǔ)償屏一面。具體優(yōu)化選型如下：

①變壓器

油浸式變壓器雖然有噪音大、體積大等缺點(diǎn)，但是新型的全密封結(jié)構(gòu)保證變壓器油與空氣完全隔離，延長(zhǎng)變壓器油的使用壽命，減少變壓器的維護(hù)工作量，在一定程度上減少了油浸式變壓器對(duì)泵站的潛在危險(xiǎn)［4］。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，本工程選用全封閉式油浸式變壓器。

目前，國(guó)家已明文規(guī)定淘汰高能耗變壓器，推廣S9系列、S10系列、S11系列節(jié)能變壓器。與S9系列變壓器相比，S10和S11系列變壓器損耗更低、噪聲更低，并且價(jià)格相差不大，所以本工程選擇最先進(jìn)的S11系列變壓器。

除了冷卻方式，變壓器的容量選擇也很重要。容量過大不但增加一次性投資也會(huì)加大損耗；容量過小就無法滿足用電要求，而損耗也往往偏高。一般來說，使變壓器的負(fù)荷率在0.5～0.6時(shí)，有功功率損失最??；當(dāng)變壓器的負(fù)荷率在0.75～0.8左右時(shí)，功率因數(shù)最大。因此，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使變壓器的負(fù)荷率在0.6～0.75左右。根據(jù)本泵站的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)可知，泵站的最大工作負(fù)荷為188.04kW，經(jīng)計(jì)算，本泵站變壓器需要的容量為250kVA。

由于泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)較少（少于5臺(tái)），負(fù)荷波動(dòng)不大且間隔的時(shí)間不長(zhǎng)，所以一臺(tái)變壓器就可以滿足性能需求。

綜上所述，本工程選用S11-250/10kV，10/0.4kV系列油浸式全封閉節(jié)能變壓器一臺(tái)。

②高壓環(huán)網(wǎng)柜

高壓環(huán)網(wǎng)柜是為提高供電可靠性，使用戶可以從兩個(gè)方向獲得電源，通常將供電網(wǎng)連接成環(huán)形。在選擇高壓環(huán)網(wǎng)柜時(shí)須選用“五防型”，即防誤合、分?jǐn)嗦菲?；防帶?fù)荷的分、合隔離開關(guān)；防帶電掛地線和帶地線合閘；防誤入帶電間隔。五防型高壓開關(guān)柜從電氣和機(jī)械聯(lián)鎖方面采取具體措施，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高壓安全操作程序化，提高了可靠、安全性能。

綜合性能和經(jīng)濟(jì)兩方面因素考慮，本工程選用國(guó)內(nèi)比較主流的使用SF6型斷路器的XGN型柜。

③低壓配電屏選擇

低壓配電屏是將低壓電路所需要的開關(guān)設(shè)備，測(cè)量?jī)x表和輔助設(shè)備，按一定的接線方案安裝在金屬柜內(nèi)構(gòu)成的一種組合式電氣設(shè)備，用來進(jìn)行控制、保護(hù)、分配和監(jiān)視等，起到低壓配電的作用。

本泵站選用價(jià)格低廉、運(yùn)行安全可靠并且標(biāo)準(zhǔn)化程度高的GGD1型交流低壓配電屏。

④無功補(bǔ)償

無功補(bǔ)償起降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境的作用。泵站功率因數(shù)根據(jù)《全國(guó)供用電規(guī)劃》及《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》的要求，無功功率采取就地平衡的原則進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償容量為45kVAR，補(bǔ)償后的功率因數(shù)按主變高壓側(cè)0.95計(jì)算。

本泵站采用電容器就地集中補(bǔ)償方式，集中補(bǔ)償電容器安裝在低壓柜內(nèi)。

4.2電氣設(shè)備布置

泵站的電氣設(shè)備布置一般應(yīng)遵守以下兩個(gè)原則［5］：

（1）必須結(jié)合泵站樞紐總體規(guī)劃，交通道路、地形、地質(zhì)條件，自然環(huán)境和水工建筑物等特點(diǎn)進(jìn)行布置，應(yīng)減少占地面積和土建工程量，降低工程造價(jià)。

（2）布置應(yīng)緊湊，并有利于主要電氣設(shè)備之間的電氣連接和安全運(yùn)行，且檢修維護(hù)方便。降壓變電站應(yīng)盡量靠近主泵房、輔機(jī)房。

結(jié)合本工程的實(shí)際情況，泵站房按二層設(shè)計(jì)，±0.000地面以下部分為泵房，±0.000地上部分為輔助用房部分。地面下泵房?jī)?nèi)布置有水泵電動(dòng)機(jī)組、充排水電動(dòng)蝶閥、檢修動(dòng)力箱、蝶閥動(dòng)力箱、排水泵控制箱等設(shè)備。輔助用房分為控制室及柴油發(fā)電機(jī)室，控制內(nèi)布置機(jī)組PLC屏、軟啟動(dòng)柜、工業(yè)電視柜、照明配電箱、風(fēng)機(jī)配電箱設(shè)備；柴油發(fā)電機(jī)室布置柴油發(fā)電機(jī)設(shè)備。泵站室外布置成套箱式變電站一座，包含主變?cè)O(shè)備、高壓設(shè)備及低壓屏等設(shè)備。

5　結(jié)論

本文從電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型實(shí)際出發(fā)，結(jié)合國(guó)家政策、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)選型，對(duì)設(shè)施負(fù)荷等級(jí)的確定、供電方式的選擇、主接線的設(shè)計(jì)、主要電氣設(shè)備選擇及布置進(jìn)行了詳細(xì)的論述。通過對(duì)已有泵站的主接線圖的研究后，分析發(fā)現(xiàn)景觀泵站的電氣設(shè)備選型應(yīng)以節(jié)能型產(chǎn)品為主，電力變壓器等設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選擇戶外一體化箱變，既可以節(jié)約土建費(fèi)用，又可以與景觀相結(jié)合增加美化度。

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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