浅谈中小型泵站电气设计的环保节能与经济性

陈志刚

（岳阳市水利水电勘测设计院岳阳市414000）

随着农业现代化水平的不断提高，农业生产越来越依靠水利设施的运用，对于洞庭湖区来说，电力排灌泵站的作用尤其重要。

中小型泵站有以下特点：靠近排灌区，排灌灵活；工程简易，投资省、见效快；以低压机组为主，单机容量不大；装机台数不一，少到1台，多到十几台；建设资金主要以国投为主，地方自筹为辅。

由于地方自筹资金到位的程度无法保证，中小型泵站的建设资金往往捉襟见肘，同时，为提高泵站运行的经济社会效率，在泵站建设中必须考虑环保节能，而这往往与经济性相矛盾。因此，在设计中需要认真考虑平衡环保节能和经济适用，使设计在满足经济性要求的同时尽量采用环保节能设备及措施。以下根据自己多年泵站设计的经验，谈谈在电气设计中的几个方面平衡环保节能及降低成本所要考虑的因素。

1 电压等级的确定

随着农网改造的完成，现在农用电供电半径一般都不大，供电电压等级主要有有35 kV、10 kV及0.4 kV。其中0.4 kV供电因电流大，线路损耗和用铜量显著增大，而10 kV电压供电能显著降低损耗，又较35 kV供电经济，宜优先选用。一般来说，为节约投资，当泵站附近有10 kV或35 kV线路经过时，宜通过T接的方式由系统取得电源，当附近没有线路或无法满足要求确需架设专线时，才考虑从附近变电站架设10 kV专用线路。

2 主接线的确定

中小型泵站主接线主要根据泵站的负荷性质及运行特点决定。因中小型泵站负荷性质均为三级负荷且容量较小，高压电源侧一般采用简单经济的线路——变压器组接线；当采用两台以上变压器运行时，也可采用单母线结线，选用的变压器的变比、阻抗电压和接线组别应相同并且容量相同或相近（其容量比不应超过3∶1），同时，为避免变压器间因环流带来的损耗和负荷分配的不平衡对变压器造成的影响，尽量不要将多台变压器并列运行。

电动机电压侧可采用单母线或单母线分段形式。当装机台数较多，考虑到运行的灵活性，电动机电压母线可采用单母线分段接线分别接多台电动机和其它受电设备。

3 主要设备的选择

（1）配电变压器的选择。

在设计中选择配电变压器时，除要充分考虑其性能参数外，应根据用电负荷，合理选择变压器的容量，使变压器经济运行，不仅能节电，同时也能提高功率因数。理论上当变压器在运行中的空载损耗等于负载损耗时，效率最高，这在实际运行时很难做到，实践中可主要考虑使变压器运行在经济运行曲线或最佳经济运行曲线中，而这与变压器的台数、容量和性能参数密切相关。

国家已明文规定淘汰高能耗变压器，推广S9系列、S10、S11系列节能变压器。S10、S11系列变压器与S9系列相比较：损耗更低（尤其空载损耗）、噪声更低；价格与S9系列相差不大；购置S10、S11系列变压器一般只需运行2～5年，就能通过节能回报补偿价差。因此，设计中应优先选用S10系列或S11系列配电变压器。

变压器的容量选择要恰当，既不能过大（增加一次性投资，加大损耗），也不能过小（无法满足用电要求，损耗也往往偏高）。一般来说，适当选择变压器的容量，使变压器的负荷率β＝0.5～0.6左右时，有功功率损失最小；当变压器的负荷率β＝0.75～0.8左右时，功率因数最大；当变压器的负载率β＝0.45～0.75时效率较高，各个方面比较经济；因此，设计中应尽量使变压器的负荷率β＝0.45～0.8左右。

合理的确定变压器的台数，可以兼顾灵活性和经济性两个方面。当泵站装机台数较多（一般多于5台），负荷波动大且间隔的时间长，或低压为0.4 kV的主变压器容量大于1 250 kVA时（GB 50053—94规定，主变压器单台容量一般不宜大于1 250 kVA），可考虑选择多台变压器，以提高运行的灵活性，减少低压配电线路的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量；在泵站单机容量较大、负荷集中且运行合理时，亦可选用较大容量的单台变压器；在泵站装机容量小，负荷波动大的情况还可以通过选用调容变压器来减少电能损耗。

如果资金有限，只能选择1台变压器时，宜根据不同负荷运行时间的不同，按最大负荷并考虑在最长运行时间下的负荷使变压器处于经济运行状态的原则选择变压器的容量，在增加的成本较高时，则只按最大负荷来确定变压器的容量，通过在运行中合理的调度来实现变压器最大化的经济运行。

实践中常选择两台变压器，两套设备同时运行，这时每台变压器容量宜按计算负荷的60%～70%来选择，两台变压器互为暗备用。假定泵站为8台同型号机组，4～8台机运行时间最长，变压器在正常运行时的负载率β分别如下：

β=（40/70）%～（40/60）%≈57.1%～66.7%

β=（100/140）%～（100/120）%≈71.4%～83.3%

基本上满足经济运行的要求，一次增加的投资也不大，而且，在一台变压器故障的情况下，在不考虑变压器的过负荷能力的情况下就能担负起对大部分负荷供电的任务。

（2）电机的选择。

减少电机的电能损耗的主要途径是提高电动机的效率和功率因数。因此，设计中首先应选用Y系列高效率电动机；其次，电机电压等级一般根据单机容量及技术经济比较确定，当单机容量低于200 kW时选择低压电机，高于300 kW时选择高压电机，单机容量（200～300）kW时选择低压还是高压电机则经技术经济比较后确定；最后，合理选择电动机的容量，使其负荷接近额定负荷并留有适当裕量，这时电机接近最佳工况点，运行效率和功率因数最高。

选择何种结构的电机也是设计中应重点比较的：鼠笼式电机结构简单、耐用、可靠、易维护、价格低，而绕线式电动机结构复杂、维护较麻烦、价格高，但绕线式电机转子绕组可通过接价格平实、易维护的频敏变阻器改善起动性能，使电机平滑起动，起动力矩也较大，因此，许多中小型泵站都采用绕线式电机来提高起动性能。但绕线式电机价格较鼠笼式电机价格贵不少，而且采用频敏变阻器起动时功率因数低。随着软启动技术的成熟，价格下降，泵站如果采用鼠笼式电机结合软起动的方式，反而可能降低造价，提高起动性能，并可节约能耗。因此，在设计选用中低压异步电机时宜优先采用鼠笼式电机（直接或软起动）；对于大容量的高压电机，在水泵转速低时宜优先选用同步电机，以提高功率因数。

（3）导体和电缆的选择。

导体和电缆截面的大小，直接影响投资及电能损耗的大小：截面选得小一些，可节约有色金属和减少投资，但电能损耗增大；反之，电能损耗虽能减少，但有色金属耗用量和投资都随之增大。因此导体、电缆的截面除了满足规范要求外，应在投资、有色金属消耗与电能损耗之间达到一个最优选择。

导体材料一般按负荷性质、环境条件并综合考虑损耗及经济型等因素选择铜或铝；在绝缘材料的选择上，对于低压电缆，由于相同截面的YJV系列电缆一般较VV系列电缆载流量大一个以上等级，在电流较大时选用YJV系列电缆可能比选用VV系列电缆更为经济，同时也更为环保。

（4）开关设备的选择。

开关设备的节能潜力相对不大，因此泵站在设计选择开关设备时主要从经济可靠及环保角度上考虑。

高压开关设备可采用跌落式熔断器、断路器或组合电器。一般来说，按以下原则选择经济上较优：对于容量在400 kVA以内的变压器，设计中选用跌落式熔断器，容量在（400～800）kVA以内的变压器，选用一般型负荷开关——熔断器组合电器，容量在（800～1 250）kVA以内的变压器，选用真空断路器或频繁型负荷开关——熔断器组合电器，容量大于1 250 kVA的变压器则选用真空断路器。

当户外变压器容量在800 kVA及以上须设置重瓦斯跳闸保护或泵站有远方操作控制要求，设计采用组合电器时应配置分励脱扣器以实现负荷开关的自动快速分闸，同时可供过载等保护跳闸用，这样重瓦斯及过载时将通过继电保护的方式使负荷开关跳闸而无须烧毁熔断器，具有一定的技术经济意义。

泵站低压断路器宜按经济可靠原则根据保护对象的不同来选择：对于电动机宜选择经济可靠的DWl5系列电动机保护型万能式断路器；对于变压器低压配电干线的主保护，宜选择分段能力高的配电保护型万能式断路器，如ME、AE等；对于小容量的电动机以及其他小负荷则可选用塑壳断路器。由于泵站为一级配电，一般选择更为经济的热磁式就能满足正常的运行要求，因此不建议选择电子式。万能式断路器安装方式可选择固定式或抽屉式，选用抽屉式因可以取消刀开关，所以经济性并不差。

4 配电形式的确定

高压配电设备可选用户外或户内设备，在实践中，主要根据变电站用地范围及主、副厂房空间的限制，考虑经济性来确定。无论采用何种形式，都必须考虑使配电设备尽量接近负荷中心，以缩短配电线路，降低线路的电能损耗、电压损耗和有色金属的消耗量。

由于箱变具有成套性强、体积小、占地少、能深入负荷中心、提高供电质量、减少线路损耗、缩短送电周期、选址灵活、对环境适应性强、安装方便、运行安全可靠及投资少、见效快等一系列优点，因此，在进行技术经济比较后中小型泵站高压配电设备可以考虑采用成套户外箱式变电站。

低压配电设备一般采用户内低压开关柜的形式。由于GGD系列低压开关柜具有柜体标准化；价格低廉；运行安全、可靠等诸多优点，因此，对于中、小泵站，一般设计中可选用经济可靠的GGD系列作为低压开关柜。

5 起动方式的确定

直接起动起动设备简单，起动速度快，但是危害很大：造成对电网冲击，给设备的安全可靠运行带来威胁，缩短其使用寿命；同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命，并造成巨大的起动能量损耗，尤其当频繁起停时更是如此。

相对于传统减压起动方式，软起动器以体积小，转矩可以调节、起动平稳、冲击小并具有软停机功能等优点得到了越来越多的应用。由于无冲击电流，可自由地无级调整至最佳的起动电流，因此非常适用各种泵类负载。

三相晶闸管调压软启动器是新型电子软起动器，相对于磁控式和自动液体电阻式软起动器有较优越的性能，相对于变频器有较低的价格，具有起动电流小（且可根据需要设定起动电流倍数），电压可连续平滑调节的优点。当设计采用软起动时应优先考虑选择功能简单、价格较低、操作方便、有多种运行状态的晶闸管调压软起动器采用斜坡电压起动，除能实现软起动外，在泵站变负载工况、电动机处于轻载运行时，还具有轻载节能的效果（不带旁路接触器），在接触器旁路工作模式还可用一台软起动器去起动多台电动机，从而大大减少一次性投入。

同时，三相晶闸管调压软起动器还具有许多保护功能：过载保护功能，缺相保护功能，过热保护功能及其它功能，可以省去热继电器等设备；可读取电机的运行参数，从而可减少传感器及仪表，这也在很大程度上降低了成本。

综上所述，对于鼠笼式异步电机，当机组容量较低，满足直接起动要求时，可采用全电压直接起动，当不满足直接起动要求时，优先采用三相晶闸管调压软起动器软起动；对于绕线式异步电机优先选用转子回路串频敏变阻器方式启动；对于同步电机则一般采用直接起动。

6 无功补偿及其它

提高功率因素对降低电能损耗、提高供电质量具有重要意义。一般情况下应通过合理选择设备，提高自然功率因素来实现，在不能满足要求时或者代价太高时，必须通过进行无功补偿，提高负载和系统的功率因数，减少设备容量和功率损耗，稳定电压，提高供电质量。

另外，由于转速与流量成正比，功率与流量的三次方成正比，当水泵流量减少时，功率按流量的三次方大幅下降，采用电机的软起动方式与调速方式相结合可以进一步降低能耗；在泵站照明方式及设备选择上，采用一般照明与加强照明相结合的方式，选用成熟平价的高光效、长寿命、显色性好的光源、灯具和镇流器（采用紧凑型荧光灯或T5、T8荧光灯，宽大场所使用金属卤化物灯和高压钠灯），也可以在节能与经济性上达到平衡。

同时，合理选择控制保护及其他设备，采用交流操作电源（带UPS），在满足泵站性能要求的同时，可以节约成本，使得在选用环保节能产品上有更大的余地。

1 皮积瑞，解广润.机电排灌设计手册[M].北京：水利电力出版社，1992.

2 天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2005.

3 中国航空工业规划设计研究院组.工业与民用配电设计手册（第3版）[M].北京：中国电力出版社，2005.

4 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气一次部分）上、下册[M].北京：水利电力出版社，1989.

5 钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册（上、下册）[M].北京：冶金工业出版社，1996.

6 电气工程师手册第二版编委会.电气工程师手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2000.

7 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册（第2版）[M].北京：中国电力出版社，2006.