吳桂良，滕 峰，羅 剛，張凱超，林錦偉

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

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)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(lái)，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(shí)有發(fā)生，已對(duì)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(jì)是保障排澇泵站正常運(yùn)行的一個(gè)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(yùn)行模式下都能正常工作，從而避免由于電氣設(shè)備問(wèn)題帶來(lái)的排澇泵站運(yùn)行故障，進(jìn)而造成城市內(nèi)澇、洪水災(zāi)害等嚴(yán)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(jì)流量100 m3/s，水泵總裝機(jī)容量7 500 kW，自排水閘設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》[2]和SL252-2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》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(jí)，次要建筑物為3 級(jí)，臨時(shí)性建筑物級(jí)別為4 級(jí)。

2 電氣設(shè)計(jì)

2.1 供電電源

南濱泵站安裝有6 臺(tái)雨水泵，配套電動(dòng)機(jī)采用10 kV 供電，單機(jī)容量1 250 kW。泵站內(nèi)另有部分低壓輔助設(shè)備負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，設(shè)置2 臺(tái)160 kVA 站用變壓器，一用一備。工程總裝機(jī)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(huì)導(dǎo)致所負(fù)責(zé)的排澇區(qū)雨水無(wú)法正常排出，造成城市內(nèi)澇，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至導(dǎo)致人員傷亡，對(duì)人民生活、社會(huì)發(fā)展造成較大影響。因此，需要可靠的供電電源以保證當(dāng)發(fā)生電力線路常見故障時(shí)，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(jì)規(guī)范》，本工程確定為二級(jí)負(fù)荷。

由于本工程水泵電機(jī)單機(jī)容量較大，電壓等級(jí)較高，若采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，占地面積大，設(shè)備造價(jià)昂貴，噪音污染嚴(yán)重，實(shí)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(dān)泵站100%用電負(fù)荷。

2.2 電氣主接線

對(duì)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(jī)電壓等級(jí)、運(yùn)行時(shí)間以及占地面積等要求，選擇原則如下：

（1）規(guī)模較大、電機(jī)采用中壓電機(jī)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(jī)采用低壓電機(jī)的泵站，或者規(guī)模較小、電機(jī)采用中壓電機(jī)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(jī)，低壓負(fù)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(fù)荷較小?？紤]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(shí)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(jī)選型

本工程雨水泵的設(shè)計(jì)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(dòng)裝置考慮3 種方案供遴選，如表1 所示。

表1 水泵驅(qū)動(dòng)方案比選

當(dāng)電機(jī)級(jí)數(shù)超過(guò)20 級(jí)時(shí)，可以考慮采用同步電機(jī)，但同步電機(jī)維護(hù)工作量大，啟動(dòng)時(shí)需要單獨(dú)的勵(lì)磁裝置，體積重量均較大，且本工程為排澇泵站，啟動(dòng)頻率低，后期維護(hù)工作量大。

雖然國(guó)內(nèi)電機(jī)廠可以生產(chǎn)32 級(jí)及以下異步電動(dòng)機(jī)，但電機(jī)體積、重量大，運(yùn)輸、安裝很不方便，電機(jī)功率因數(shù)很低，國(guó)內(nèi)很少使用。

減速齒輪箱方案造價(jià)較28 級(jí)同步、異步電機(jī)略高，但電機(jī)體積、重量小，運(yùn)輸、安裝方便，可以節(jié)省土建造價(jià)，并且功率因數(shù)較高，維護(hù)方便。

綜上所述，故本次推薦采用4P/6P 異步電機(jī)+減速齒輪箱方案。該方案整體體積小，運(yùn)輸、安裝方便，降低了對(duì)電機(jī)運(yùn)輸車輛及進(jìn)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(jià)；減速箱承受軸向推力，無(wú)需電機(jī)承受；4 級(jí)電機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單，減速箱一體化設(shè)計(jì)免維護(hù)，整體維護(hù)成本低；與同步電機(jī)相比不需要額外的勵(lì)磁裝置，節(jié)約配電間面積；與大級(jí)數(shù)異步電機(jī)相比，無(wú)功補(bǔ)償容量少，電機(jī)整體效率高。4 級(jí)電機(jī)+減速箱方案與傳統(tǒng)28 級(jí)異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)相比，更適用于本工程，并且也是國(guó)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(jī)啟動(dòng)壓降及啟動(dòng)方式選擇

對(duì)于排澇泵站機(jī)組啟動(dòng)方式的選擇，可以從以下3 個(gè)方面進(jìn)行考慮：

（1）當(dāng)采用全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，母線及電機(jī)端子壓降是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；

（2）當(dāng)?shù)毓╇姴块T的相關(guān)規(guī)定、要求；

（3）對(duì)于低壓電動(dòng)機(jī)，當(dāng)回路的開關(guān)電流達(dá)到一定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)回路直接啟動(dòng)電流較大，容易燒毀斷路器或接觸器觸頭，采用軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)比較合適。

本工程主電機(jī)均為中壓電機(jī)，且電機(jī)容量較大，啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)引起不可忽視的電壓損失。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)先計(jì)算電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓水平，以便正確選擇啟動(dòng)方式，并根據(jù)啟動(dòng)電流校驗(yàn)供配電和啟動(dòng)設(shè)備的過(guò)負(fù)荷能力。

本工程電源取自10 kV 公共線路，進(jìn)線采用YJV22-8.7/15 kV 3×150 mm2電纜，電纜長(zhǎng)度約3.0 km，線路阻抗Xl=0.159 Ω（泵站到電機(jī)3.1 m，阻抗0.093 Ω/km）。電動(dòng)機(jī)額定容量：SRM=P/0.85=1 470 kVA，額定電流啟動(dòng)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(fù)荷的無(wú)功功率：Qfh=0.6×（Srt-0.75×SrM）=23.2 Mvar。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)回路的額定輸入容量：

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，母線電壓降相對(duì)值：

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，端子電壓相對(duì)值：

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的母線壓降及電動(dòng)機(jī)端子電壓水平均滿足規(guī)范要求，可考慮采用全壓?jiǎn)?dòng)。

經(jīng)與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T溝通，由于本泵站單機(jī)容量較大，如采用全壓?jiǎn)?dòng)勢(shì)必將對(duì)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(shí)，由于在雨季時(shí)排澇泵站需要頻繁啟動(dòng)，采用降壓?jiǎn)?dòng)方式可以有效減少對(duì)機(jī)電設(shè)備的沖擊，有利于延長(zhǎng)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?jiǎn)?dòng)方式?；诖耍竟こ炭紤]采用軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)。幾種較為常見的軟啟動(dòng)器對(duì)比如表2 所示。

表2 軟啟動(dòng)器對(duì)比

通過(guò)比選，本工程10 kV 軟啟動(dòng)采用中壓干式調(diào)壓軟啟動(dòng)柜。該啟動(dòng)柜采用一體化設(shè)計(jì)，體積小，安裝維護(hù)簡(jiǎn)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(wú)功補(bǔ)償

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

本工程主要負(fù)荷為10 kV 中壓電機(jī)，且單機(jī)容量較大、補(bǔ)償需求穩(wěn)定，因此考慮采用電容器就地補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式相對(duì)來(lái)說(shuō)成本更低，不需要配套其他設(shè)備，依托于負(fù)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(fù)荷，容量較小且分散分布，由160 kVA 變壓器供電?？紤]在變壓器低壓側(cè)設(shè)置集中補(bǔ)償電容，該補(bǔ)償方式能夠同時(shí)補(bǔ)償多個(gè)電纜線路和負(fù)載，沒(méi)有就地補(bǔ)償?shù)目刂品爆嵑凸芾韽?fù)雜。

補(bǔ)償后低壓側(cè)功率因素達(dá)到0.95 以上，10 kV進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)達(dá)0.9 以上，滿足供電部門的要求。

2.6 短路電流計(jì)算

因本工程為受電端，暫無(wú)法得到準(zhǔn)確的短路數(shù)據(jù)，經(jīng)咨詢當(dāng)?shù)仉娏Σ块T后，按系統(tǒng)容量無(wú)窮大、供電變電站出口短路容量200 MVA 為計(jì)算條件，進(jìn)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(jì)算得泵站電源進(jìn)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(jì)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(wèn)題已成為城市建設(shè)中越來(lái)越嚴(yán)峻的問(wèn)題，為保證排澇泵站運(yùn)行的安全性、可靠性，對(duì)于泵站的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)提高要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)緊密結(jié)合工程特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，合理進(jìn)行電氣主接線選擇及機(jī)電設(shè)備選型。