摘 要：【目的】為確保大型泵站實(shí)現(xiàn)安全、可靠、靈活的運(yùn)行，并提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對大功率泵站供配電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化?！痉椒ā恳詾H坊某大型排澇泵站為例，通過對泵站設(shè)計(jì)方案（負(fù)荷等級、供電電源、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算）、變電所設(shè)計(jì)等進(jìn)行深入探討，詳細(xì)分析該泵站供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程?！窘Y(jié)果】通過應(yīng)用主接線方案對比、需要系數(shù)法負(fù)荷計(jì)算、無功補(bǔ)償及諧波抑制等措施，提出確保泵站安全可靠運(yùn)行的雙回路單母線分段高壓供電方案，并采用高壓就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)姆绞剑岣呦到y(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性?！窘Y(jié)論】結(jié)合實(shí)際情況，對該系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化建議，通過合理的設(shè)備選型和電氣主接線設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的未來擴(kuò)容和改造提供了便利條件。未來，可引入智能化技術(shù)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可維護(hù)性。

關(guān)鍵詞：大功率泵站；供配電系統(tǒng)；主接線方案；負(fù)荷計(jì)算；無功補(bǔ)償

中圖分類號：TU991.35" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）23-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.002

Analysis and Optimization of Power Distribution System for Large Pumping Station

DING" Ke

（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] In order to ensure the safe， reliable and flexible operation of large pumping stations and improve the economy of their operation， the power supply and distribution system of high-power pumping stations is reasonably designed and optimized. [Methods] Taking a large drainage pump station in Weifang as an example， this paper analyzes the design and optimization process of its power supply and distribution system by deeply discussing the load grade， power supply， load calculation and substation design. [Findings] Through the comparison of main wiring schemes， load calculation of demand factor method， reactive power compensation and harmonic suppression， a design scheme is put forward to ensure the safe and reliable operation of the pumping station， which improves the reliability and economy of the power supply system. [Conclusions] Combined with the actual situation， the characteristics of the system are summarized， and further optimization suggestions are put forward. Reasonable equipment selection and electrical main wiring design provide convenient conditions for the future expansion and transformation of the system. In the future， intelligent technology can be further introduced to improve the automation level and maintainability of the system.

Keywords： high power pumping station; power supply and distribution system; main connection scheme; load calculation; reactive power compensation

0 引言

泵站是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在供電、防洪等方面發(fā)揮著重要作用。泵站的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到其運(yùn)行質(zhì)量和安全可靠性。本研究以濰坊某大型排澇泵站為例，通過對其供配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，為同類工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 泵站基本情況

規(guī)模：20 m3/s，中型泵站，等別為Ⅲ等。

功能：內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，2 h內(nèi)排干內(nèi)澇。

建筑物級別：主體建筑物等級為Ⅲ級，次要建筑物等級為Ⅳ級。

1.2 工藝布局

排澇泵站工藝平面圖如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 負(fù)荷等級

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 120—2018）第4.1.1章節(jié)中的要求，排水設(shè)施的負(fù)荷等級不得低于二級，重要的排水設(shè)施要求為一級負(fù)荷，該工程泵站供電負(fù)荷等級為二級負(fù)荷［1］。

2.2 供電電源

建議排水泵站供電線路采用電纜線路，并采用兩回電纜通過不同的路徑敷設(shè)，每回考慮截面時(shí)，都要能承擔(dān)百分百的一、二級負(fù)荷［2-3］。由于市政排澇泵站位于城市道路周邊，而市政供電電纜多采用電力排管、電纜溝、纜線管廊等敷設(shè)方式，架空線路供電條件無法滿足。該工程電源方案為自上一級變電所，接引兩路電源，一路由環(huán)網(wǎng)箱電纜接入，一路由架空線T接電纜接入，每根電纜均能滿足全部二級負(fù)荷，兩路電源處于熱備用狀態(tài)。

2.3 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算

需要系數(shù)法是電氣工程中一種用于計(jì)算負(fù)載電流或負(fù)載需求的簡化方法，通常用于確定供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量。工作方式不同的用電設(shè)備，將設(shè)備的額定功率換算到統(tǒng)一計(jì)算功率。泵站設(shè)備中的主要設(shè)備負(fù)荷（如鼓風(fēng)機(jī)、水泵等）是采用連續(xù)工作方式計(jì)算功率的。

短時(shí)或周期工作的設(shè)備功率換算計(jì)算如下。將周期工作電動(dòng)機(jī)的設(shè)備額定功率換算到電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載持續(xù)率（εN）為100%時(shí)的有功功率［4］，見式（1）。

[Pe=PNεN]" （1）

式中：Pe為統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率的有功功率，kW；PN為電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；εN為電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載持續(xù)率。

短時(shí)工作電動(dòng)機(jī)的設(shè)備額定功率換算為連續(xù)工作的有功功率，可按式（1）進(jìn)行近似換算。εN根據(jù)工作時(shí)長進(jìn)行換算。例如，0.5 h工作制εN是15%、1 h工作制εN是25%［5］。

采用需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷，應(yīng)符合以下規(guī)定。

設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷及計(jì)算電流應(yīng)按式（2）至式（5）的公式進(jìn)行計(jì)算。

[Pjs=KXPe] （2）

[Qjs=Pjstan?] （3）

[Sjs=P2js+Q2js]" "（4）

[Ijs=Sjs3Un]" " （5）

以上式中：[Pjs]為計(jì)算有功功率，kW；[KX]為需要系數(shù)，按CJJ/T 120—2018的規(guī)定取值；[Qjs]為計(jì)算無功功率，kvar；[tan?]為計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)角的正切值；[Sjs]為計(jì)算視在功率，kVA；[Ijs]為計(jì)算電流，A；[Un]為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（線電壓），kV。

變電所的計(jì)算負(fù)荷見式（6）至式（8）。

[Pjs=K∑P∑（KXPe）] （6）

[Qjs=K∑Q∑（KXPetan?）]" " " "（7）

[Sjs=P2js+Q2js] （8）

式中：[K∑P]為有功功率同時(shí)系數(shù)，取0.8～0.9；[K∑Q]為無功功率同時(shí)系數(shù)，取0.93～0.97。

該工程負(fù)荷如下。10 kV主要用電設(shè)備為4臺(tái)潛水軸流泵，每套560 kW，共計(jì)2 240 kW。380 V用電設(shè)備包括1座81 kW電動(dòng)雙梁雙鉤橋式起重機(jī)、1臺(tái)18.5 kW集水坑潛污泵、8臺(tái)4 kW啟閉機(jī)、4臺(tái)2.2 kW格柵除污機(jī)、1臺(tái)7.5 kW皮帶輸送機(jī)、10.37 kW電動(dòng)蝶閥，共計(jì)158.17 kW，動(dòng)照負(fù)荷為43.3 kW。其中，電動(dòng)雙梁雙鉤橋式起重機(jī)為短時(shí)工作的設(shè)備功率，負(fù)載持續(xù)率εN按25%考慮。按式（1）換算的有功功率為40.5 kW。設(shè)備組件計(jì)算功率見表1。

站用計(jì)算負(fù)荷為104.757 kW，計(jì)算視在功率為130.95 kVA，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的建議，變壓器的持續(xù)負(fù)載率不大于85%，按此要求，變壓器容量選擇160 kVA。每臺(tái)變壓器均能滿足二級負(fù)荷的用電需求。變壓器選用SCB14-250 kVA，D，yn11，10±5%/0.4 kV，自然空冷。

3 變電所設(shè)計(jì)

3.1 電氣主接線

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 120—2018）中的規(guī)定，變電所電氣主接線宜采用單母線、單母線分段。因此，泵站電氣主接線可采用以下兩種方案。

3.1.1 雙回路單母線分段接線。雙回路單母線分段接線方式的電源輸入是兩路獨(dú)立的電源分別接入兩個(gè)進(jìn)線斷路器，這兩路電源經(jīng)過各自的斷路器后，連接到一段母線上，母線通過一個(gè)分段斷路器分為兩段，各饋線從母線的不同段上引出。該方式適用于需要更高可靠性和靈活性的情況。將母線分成兩段，并通過分段斷路器將其連接起來，這樣即使一段母線發(fā)生故障或需要維護(hù)，另一段母線仍能繼續(xù)供電，保證二級負(fù)荷不間斷供電［6］。雙回電源單母線分段接線如圖2所示。

3.1.2 雙回路單母線接線。雙回路單母線接線是一種較為簡單的接線方式，兩路獨(dú)立的電源分別接入兩個(gè)進(jìn)線斷路器，相互之間電氣連鎖，并連接到同一段母線上。所有饋線從該段母線上引出，每次只能一路電源供電。這種方式適用于對供電連續(xù)性要求不高或故障恢復(fù)時(shí)間可以接受的情況。雙回路單母線接線如圖3所示。

雙回路單母線分段接線通過多段母線加設(shè)斷路器或隔離開關(guān)，可提高供電的可靠性，減少停電影響范圍，但母線分段接線，導(dǎo)致斷路器、配電設(shè)備數(shù)量，使電氣運(yùn)行的復(fù)雜性提高，成本也隨之提高。雙回路單母線接線結(jié)構(gòu)簡單、明了，設(shè)備數(shù)量、投資、土建規(guī)格較前者少，但當(dāng)母線故障或檢修時(shí)，所有負(fù)荷都將中斷供電，停電范圍較大。所以，其可以用于小型泵站和供電要求不高的變電站內(nèi)。本研究的示例工程為新建工程，并承載著較為重要的排水任務(wù)，因此，采用雙回路單母線分段接線的方式。

3.2 無功補(bǔ)償方式的選擇

該工程中的潛水泵為高壓異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)《電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償及調(diào)壓設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 5554—2019）中的相關(guān)規(guī)定：高壓供電的用戶在最大負(fù)荷情況下，用戶的功率因數(shù)應(yīng)該保持在0.9以上，而在輕載時(shí)，則不應(yīng)向電網(wǎng)輸送無功功率。負(fù)荷容量在100 kVA（kW）以上的泵站，功率因數(shù)建議0.85以上［7～8］。鑒于電力部門通常要求用戶的功率因數(shù)維持在0.9以上，為了滿足這一要求，需要增設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備，從而提高系統(tǒng)的整體效率，并減少能源浪費(fèi)。

3.2.1 無功補(bǔ)償方式選擇。無功補(bǔ)償方式分為就地補(bǔ)償和集中補(bǔ)償兩種。就地補(bǔ)償適用于電動(dòng)機(jī)的饋電回路中并聯(lián)補(bǔ)償裝置，確保補(bǔ)償裝置與電動(dòng)機(jī)同步投入和退出，具有單次產(chǎn)生的投資低、土建占地小、安裝比較簡便、配置靈活、維護(hù)簡單、故障率低的優(yōu)點(diǎn)。因此，就地補(bǔ)償適合于單個(gè)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場景。集中補(bǔ)償是將電容器集中補(bǔ)償于高低壓母線上，可實(shí)現(xiàn)集中管理、維護(hù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、利用率高。然而，集中補(bǔ)償無法補(bǔ)償饋線上的無功電流，不適用于10 kV直接供電的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。綜上所示，該工程選擇采用單機(jī)就地補(bǔ)償方式，高壓就地?zé)o功補(bǔ)償主接線如圖4所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無功補(bǔ)償設(shè)備容量的計(jì)算見式（9）。

[Qc=P（tanφ-tanφ1）]" （9）

式中：P為用電設(shè)備的計(jì)算有功功率。

針對三相異步電動(dòng)機(jī)的計(jì)算，根據(jù)《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》的第6.4.1條，無功功率補(bǔ)償?shù)挠?jì)算公式見式（10）。

[Qc=P1（tanφ-tanφ1）]" （10）

式中：[Qc]為就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)臒o功功率值，kvar；P1為負(fù)載的有功功率，kW；[tanφ=1-cos2φcosφ]為補(bǔ)償前相角的正切值；[cosφ]為電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償前的功率因數(shù)；[tanφ1]為補(bǔ)償后相角的正切值。

3.2.2 抑制諧波干擾，串聯(lián)電抗器。隨著越來越多的非線性電氣設(shè)備并入電網(wǎng)，交流電的波形不再為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，而畸變波形中的高次諧波會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱增加、振動(dòng)加劇、噪聲增大及效率下降，電網(wǎng)中的諧波頻率高于基波頻率，從而導(dǎo)致電容器的阻抗降低，進(jìn)而引發(fā)過電流現(xiàn)象，導(dǎo)致電容器發(fā)熱，而長期過熱可能會(huì)引起電容器性能下降，甚至損壞，要對其進(jìn)行抑制［9］。

加裝串聯(lián)電抗器是一種常用的抑制諧波電流流入的方法，這是因?yàn)榇?lián)電抗器可以有效阻止特定頻率的諧波進(jìn)入電容器組。在工程應(yīng)用中，還要根據(jù)具體情況來調(diào)整電抗器的參數(shù)，從而確保最佳的諧波抑制效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國近年來普遍采用6%電抗器。

3.2.3 無功補(bǔ)償容量計(jì)算。該工程潛水軸流泵參數(shù)如下：額定功率[PN=560 kW]、額定效率[η=0.869]、額定功率因數(shù)[cosφ=0.8]、補(bǔ)償前功率因數(shù)正切值[tanφ=0.75]、水泵軸功率[P2=440.8 kW]、電動(dòng)機(jī)的輸入功率[P1=PNη=644.4 kW]、補(bǔ)償后功率因數(shù)[cosφ1=0.95]、補(bǔ)償后功率因數(shù)正切值[tanφ1=0.463]。代入式（10）可得[Qc]=184.94 kvar。

電抗器串聯(lián)后，電容器的額定電壓[UC]應(yīng)選擇10.5 kV。電容器實(shí)際承受電壓見式（11）。

[UC1=UN1-6%=100.94=10.64 kV] （11）

補(bǔ)償容量[Qc]=184.94 kvar，實(shí)際裝置所需容量[Q1]為191.28 kvar，電容器產(chǎn)品參數(shù)選用200 kvar。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)化

4.1 供電可靠性

相較于單回路電源，雙回路電源能確保不間斷供電，能顯著提高系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計(jì)線路和設(shè)備時(shí)，雙回路10 kV電源必須實(shí)施機(jī)械閉鎖和電氣閉鎖措施，防止因誤操作引發(fā)的故障。

同時(shí)，設(shè)置微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，確保對泵站的過流、零序電流和差動(dòng)等情況進(jìn)行有效保護(hù)。這一措施不僅保護(hù)了電力線路、高壓柜、變壓器和電壓互感器（PT）等設(shè)備，使其免受因切斷不及時(shí)而造成的損害，也維護(hù)了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

4.2 經(jīng)濟(jì)性

合理選擇變壓器容量對降低能耗至關(guān)重要。為了確保變壓器經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行，負(fù)載率宜保持在0.75～0.85。選擇與電力負(fù)荷相適應(yīng)的變壓器容量，可以使變壓器在高效低耗的區(qū)域內(nèi)工作。

合理選擇供電電壓對降低能耗和提高經(jīng)濟(jì)效益有著顯著的價(jià)值。該工程選擇10 kV的供電電壓不僅能直接配給10 kV高壓電動(dòng)機(jī)，還能減少主變壓器的損耗，省去35 kV配電設(shè)備，并利用10 kV線路資源豐富的優(yōu)勢，使得整個(gè)供電方案更加經(jīng)濟(jì)高效。通過合理選擇供電電壓，不僅能降低成本，還能提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

無功補(bǔ)償裝置能減少電網(wǎng)無功損耗，提高電網(wǎng)整體效率。該工程電機(jī)為10 kV高壓設(shè)備，且每臺(tái)負(fù)荷較大，采用就地補(bǔ)償方式，實(shí)現(xiàn)裝置與電動(dòng)機(jī)的同時(shí)投入與停用，補(bǔ)償覆蓋范圍最大，起到的補(bǔ)償效果也最好，并能優(yōu)化配電線路截面，減少線路投資。

4.3 靈活性

電氣主接線設(shè)計(jì)靈活，便于未來擴(kuò)容或改造。采用雙回路分段母線，通過設(shè)置分段開關(guān)，可以在部分故障或維護(hù)時(shí)隔離故障區(qū)，保證其余正常部分的運(yùn)行。雙回路電源能實(shí)現(xiàn)多電源接入的可能性，提高系統(tǒng)的靈活性。

4.4 可維護(hù)性

設(shè)備選型考慮維護(hù)方便性，該工程無功補(bǔ)償裝置采用單機(jī)就地補(bǔ)償方式，大大提高了維護(hù)的方便性。采用微機(jī)保護(hù)能提高故障定位和修復(fù)的效率。設(shè)備房間集中設(shè)置，確保所有電氣設(shè)備都易于接近，方便進(jìn)行檢查和維修工作。

4.5 優(yōu)化建議

通過引入智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)記錄與分析、故障報(bào)警、趨勢預(yù)測、能耗管理、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，將大大提高泵站的運(yùn)行效率，減少人力成本，增強(qiáng)安全性，并確保泵站的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)警。

增強(qiáng)設(shè)備維護(hù)的精細(xì)化管理，定期對設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，建立一套完整的電氣設(shè)備管理體系，能有效加強(qiáng)維護(hù)人員的精細(xì)化管理，確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，提高泵站工程的整體運(yùn)行效率，確保系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本研究通過對濰坊某大型排澇泵站供配電系統(tǒng)進(jìn)行分析與優(yōu)化，提出確保泵站安全可靠運(yùn)行的設(shè)計(jì)方案。通過應(yīng)用雙回路電源、需要系數(shù)法負(fù)荷計(jì)算、無功補(bǔ)償及諧波抑制等措施，提高系統(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，合理的設(shè)備選型和電氣主接線設(shè)計(jì)為系統(tǒng)的未來擴(kuò)容和改造提供了便利條件。未來，可引入智能化技術(shù)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可維護(hù)性。

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