蒋家嘴泵站电气主接线设计浅析

2010-06-21邓德满

湖南水利水电 2010年4期

邓德满

（汉寿县水利局常德市 415900）

1 工程概况

蒋家嘴泵站位于汉寿县蒋家嘴镇，南湖撇洪河末端，距汉寿县城约25 km，始建于1991年10月，装机容量2×1 250 kW，单机设计排水流量36 m3/s，设计扬程2.5 m，配置120 ZWB-3型卧式轴流泵经齿轮减速箱与T 1250-8/1180型高压同步电动机连接，年单机最大运行时间1 650 h。泵站东侧紧邻蒋家嘴排水闸，设计排水流量1 665 m3/s，与泵站联合运用，共同担负南湖撇洪河968 km2流域面积集水的撇、排、削峰任务，并兼顾沿河两岸的灌溉、航运等功能。

近15年来，沅水流域水情发生了急剧变化——蒋家嘴闸外汛期水位抬高，排水闸自排功能弱化、挤撇机会减少、时间缩短；南湖撇洪河两岸抗洪形势日益严峻、灾情加大。因此，对蒋家嘴泵站进行扩建势在必行，迫在眉睫。2008年10月，蒋家嘴泵站扩建建工程土建正式动工，工程选址在机组检修间西侧，与已建主厂房同宽，以便共用20/5 t双梁桥式起重机和机组检修间。泵站新增装机3×1 250 kW，单机设计排水流量36 m3/s，设计扬程3.0 m，安装3000ZXB33-2.8型斜150轴流泵，经齿轮减速箱与电动机相连，设计排水流量180 m3/s。该扩建工程的建成投产将为打造汉寿和谐水利、生态水利，建立满足良性循环和可持续利用的水利体系发挥重要作用。

2 电源接入方式

泵站35 kV专用输电线路引自110 kV蒋家嘴变电站，导线为LGJ-70型，全长2.8 km。在扩建施工期间，110 kV蒋家嘴变电站将搬迁新址，泵站“受电点”变更、输电线路延长。通过与当地电力部门密切合作、共同协商，延长的35 kV输电线路将与110 kV“蒋岩”联络线共用双回路铁塔，线路全长达3.8 km。泵站运行期间线路持续有功功率为6 589 kW，泵站年最大负荷利用小时数1 650 h，供电可靠性一般。

对此，35 kV专用输电线路将涉及扩建负荷增加和输电距离延长，需对现有LGJ-70型导线截面面积、允许电压损失等进行复核计算。

（1）按经济电流密度选择蒋泵35 kV专用输电线路导线截面S：

选用标准导线截面为LGJ-70型钢芯铝绞线。

（2）按允许电压损失10%校验导线截面，其电压损失负荷矩为162 MW/km，大于实际负荷矩6.25×3.8=23.75 MW/km，其实际电压损失为 0.062 5×6.25×3.8=1.48%〈10%。

（3）35 kV专用输电线路跨越蒋家嘴镇居民区和工业区，但所选线径大于最小允许截面35 mm2，故现有输电线路满足机械强度要求。

（4）LGJ-70型钢芯铝绞线在基准环境温度为+25℃时长期允许截流量为265 A，在基准环境温度为+35℃时经温度修正为265×0.88=233.2 A，而实际通过电流为123.2 A〈233.2 A。

通过复核计算，3.8 km LGJ-70型输电线路能够满足泵站扩建工程需求。经多次协商同意，线路延长段施工由电力部门负责，2.8 km线路因部分疲劳振动、大风、雷击已多处断股；导地线接续金具过热、损坏而有时引发接地故障；绝缘子串或金具部分损坏，绝缘子串闪络或导线相间、导线对地闪络几度造成跳闸或停电，需要对钢芯铝绞线、导地线、绝缘子及金具等进行更换。

3 电气主接线

电气主接线是根据泵站接入电力系统方式、泵站装机规模，以及运行重要性等因素综合考虑确定。按照接线简单、供电可靠、操作检修方便及节约投资的原则进行。扩建工程前后供电将统筹兼顾，采用“站变合一”的供电方式。

根据现有泵站接入系统方式，确定蒋家嘴泵站扩建时仍以一回35 kV专用线路接入电力系统，并选择新增3台机组所配主电机电压等级与现有2台主电机相同，则主变压器负荷侧电压等级应定为6.3 kV。

蒋家嘴泵站现有电气主接线为扩大单元接线方式，一回35 kV电源进线经高压隔离开关、高压计量装置与S7-100/35型1号站用变压器、阀型避雷器等共用母线连接，再经高压隔离开关利用硬母线直连S7-3150/35型主变压器和电压互感器。主变压器6 kV负荷侧经硬母线连接2台1 250 kW同步电动机组、PT高压开关柜及S7-160/6型2号站用变压器。

2008年11月，泵站扩建工程初步设计拟定电气主接线为联合扩大单元接线方式，即在维持现有设备布置方式和位置不变、2003年重建设备构架保留的基础上，顺进线方向增加1组设备间隔，新增S11-5000/35型主变压器（接线组别Y，dn11）经高压隔离开关与现有S7-3150/35型主变压器35 kV电源侧单母线连接，2台主变并列布置，并在新增3台电动机电源侧母线上接有SC11-400/6型干式强迫风冷站用变压器（接线组别D,yn11），以替换现有2号站用变压器。

2009年6月，初步设计方案泵站扩建工程建设管理处在对现有35 kV降压站新增1组设备间隔进行测量时，发现其位置尺寸不能满足高压设备布置和电气安全距离，需拆除紧邻的某单位宿舍楼和厕所各1栋，涉及征地和拆迁费用过高。应泵站工程建设管理处要求，在降压站现有条件下设计单位需对初步设计方案进行进一步优化、调整。下面就优化、调整后的扩大单元接线方案与初设联合扩大单元接线方案进行分析比较，以便选择适合本工程实际需要的电气主接线方案。

第一种方案是因先后顺序建设而形成的联合扩大单元接线方式，即初步设计方案。实施这一方案需征用某单位用地200 m2，拆除其宿舍楼1栋、厕所等建筑面积490 m2；原35 kV降压站设备构架不拆除；顺进线方向增加1组设备间隔；扩建高压配电室50 m2。

第二种方案是扩大单元接线方式，即现有电气主接线方案，维持原35 kV降压站设备布置方式和位置不变，将现有S7-3150/35型主变压器更换成S11—8000/35型新型节能变压器，对其它设备进行更新，5台电动机经硬母线与主变压器6 kV侧连接；将1号站用变更换为S11—400/35型新型节能变压器（接线组别D，yn11），2号变更换为S11—400/10型新型节能变压器（接线组别D,yn11），10 kV电源自城区电缆引入。

由上述所知，第一种方案的优点是每段母线所接机组台数少，供电可靠性较高、运行方式灵活，短路电流小、易于设备成套，且S7-3150/35型主变压器得以保留。缺点是征地拆迁费用过高；扩建现有高压配电室，增加1组设备间隔；增加1台隔离开关、六氟化硫开关、6 kV进线中置高压开关柜、母线PT柜、励磁变柜；2台主变压器6 kV侧需电缆出线，施工工期延长；电气设备布置，微机保护、控制及测量配置过于复杂，故障机率大，运行、维护费用高，工作量增大。对此需增加拆迁品补、土建配套及电气设备投资近100万元。

第二种方案的优点是接线简单清晰、故障率小、运行可靠、适应性强；可直接利用现有35 kV降压站构架和高压配电室；与第一方案相比，减少1台隔离开关、六氟化硫开关、6 kV进线中置高压开关柜、母线PT柜、励磁变柜；主变压器6 kV侧直接硬母线出线，微机保护和控制配置简单。缺点是进线或母线发生故障时全站不能运行；6 kV单母线上所接机组台数多、容量大，考虑发生短路事故时电动机的反馈电流会影响开关设备选择。

通过技术经济比较，第一种方案供电可靠、方式灵活，但经济性太差，施工工期延长，且扩建高压配电室位置受限，屋面防水难度较大。第二种方案接线简单清晰、设备故障率低，经济性好，施工工期短，但供电可靠性较差，方式不灵活，对于年运行时间不长，国家设备整体制造水平、运行可靠性大大提升的今天，强化机电设备维护及保养，将会提高泵站供电可靠性，保障主机组适时、安全和可靠运行。江苏江都三站10台、湖南坡头2台、湖北排湖9台等大型泵站均采用此接线方式且已运行多年。故推荐使用第二种方案较为符合工程实际。

4 主要电气设备选择

4.1 主电动机的选择

根据《泵站设计规范》GB/T 50265-97，主电动机容量应按水泵运行可能出现的最大轴功率选配，并留有一定储备，储备系数为1.05～1.10。3000ZXB33-2.8型水泵在各种工况下可能出现的最大轴功率为1 105 kW，HGⅡ630-6.3型齿轮减速箱传动效率为97%，则电动机配套功率为Pe=N轴×1.10/η齿=1 105×1.10/97%=1 253 kW，故选择电动机额定容量为1 250 kW。

我国大型泵站配置同步电动机和异步电动机的泵站为数不少，早期建设和低转速泵站使用同步电动机居多。结合本泵站的实际情况，现对这两种类型电动机的特点进行分析：

（1）结构及其配置。同步电动机定子绕组与异步电动机无异，但转子差别很大。大型水泵用同步电动机转子多为凸极式，由转子磁极、磁轭、励磁线圈、滑环和风扇组成；而同容量和电压等级的Y、YKS、YKK系列异步电动机转子则设计成铸铝和铜条鼠笼式两种结构，没有磁极，结构十分简单。此外，前者需要配置技术含量高、结构复杂的励磁装置，后者只需配置结构和技术相对简单的无功集中补偿和现地补偿装置。就其综合制造成本及维护成本而言，异步电动机无疑要优于同步电动机，但若需增设高压软起动装置800 kW以上的异步电动机，则其综合制造成本和维护成本，不如同步电动机。

（2）功率因数特性。调节励磁不仅可以调节同步电动机本身的功率因数，过励时还可改善电网功率因数，提高设备运行质量。而异步电动机功率因数则总是滞后，若采用与现有T1250-8/1180型同步电动机转速相近，额定转速为744 r/min的YKK系列高压异步电动机时，其功率因数将达到0.84以上，通过电容补偿后供电母线端功率因数将完全可以达到0.90以上，以满足供电部门的规定要求。

（3）转矩转速特性。蒋家嘴泵站内河设计起排水位34.00 m，最高运行水位36.00 m，外河设计水位36.00 m，最高运行水位36.50 m，泵站净扬程变化范围（0.00～2.50）m，电动机负载随水位变化幅度较小；110 kV蒋家嘴新建变电站距离泵站仅3.80 km，电源电压相对稳定，这两方面说明同步电动机和异步电动机的转矩特性受自身负载和电网电压变化影响较小，该泵站对电动机转矩特性要求不是很高。

同步电动机转子转速为同步转速，恒定不变，而与之对应的YKK系列异步电动机在额定负载时的最低转速最低为744 r/min，转差率为S=0.80%，根据水泵比例律Q2/Q1=N2/N1，则（Q2-Q1）/Q1=（N2-N1）/N1=S，即对应流量变化率等于转差率——对水泵流量影响极小。因此，同步转速和容量相同的两种类型电动机的转速特性均满足3000ZXB33-2.8型水泵的配套要求。

（4）电机效率特性。蒋家嘴泵站原2台T1250-8/1180型同步电动机，额定效率为95.5%，通过配备有功功率为40 kW的可控硅励磁装置后其装置综合效率为92.3%。相应异步电动机额定效率为95.8%，虽然配备集中补偿电容器，但基本上只消耗无功功率。因此就整个装置来讲，同步电动机效率要低于异步电动机。

根据实际情况和综合分析，通过齿轮减速箱连接，并与斜式轴流泵配套的3台6 kV主电动机在机组转速和启动转矩方面并无特殊要求，选择相应同步电动机和异步电动机均能适应泵站运行工况要求，因而对电动机类型的选择可以有三种方案：

第一种方案是选择3台异步电动机，并与现有2台同步电动机并列运行，利用同步电动机的过补偿能力对其进行无功补偿，以提高功率因数。但这会使电气设计复杂化、运管难度增加、维修保养不便。

第二种方案是在第一种方案的基础上将现有2台同步电动机改造成异步电动机，将有利于统一设计、运行管理及维修保养。但加重了投资建设成本。

第三种方案是选择3台与现有2台类型和特性相同的同步电动机，投资成本最低，有利于统一设计，且管理单位具备该类型设备多年运行管理及维修保养经验，此为最佳推荐方案，即选择T1250-8/1180型同步电动机。

4.2 主变压器的选择

根据《泵站设计规范》GB/T 50265-97，1号站用变压器电源接入泵站主变压器35 kV侧，2号站用变压器电源外引入城区10 kV，故计算主变压器容量时不计入站用电负荷。通过计算泵站主变压器最大负荷容量为7 272 kVA，故其额定容量选择为8 000 kVA，且该容量同时满足泵站同步电动机全压启动要求。

由于泵站5台机组均配置6 kV同步电动机，过补偿能力较强，选择无载调压油浸自冷新型节能变压器能够满足泵站供电要求，主变压器型号为S11-8000/35，接线组别为Y,d11。

5 站用电接线

站用电接线设计应能满足泵站运行和检修的要求，其变压器容量按可能出现的最大站用负荷进行选择。根据《厂用电设计规范》计算厂用电负荷容量为416 kVA。选择2台400 kVA油浸自冷变压器互为热备用。

蒋家嘴泵站年运行时间不长，且日常机电检修和正常照明负荷小，在35 kV母线上接入400 kVA 1号站用变作为主电源，有利于减少主机组停运期间的主变电能损耗。为保证站用供电可靠性，另自城区引入一路10 kV电源接入400 kVA2号站用变作为备用电源。2台站用变0.40 kV侧分别经空气断路器接入单母线接线，互为热备用，根据不同用电情况设有相互闭锁和备用电源自动投入装置。

引入10 kV电源的供电方式避免了主机组停机，主变压器及6 kV侧站用变退出运行时，35 kV侧站用变压器只有排水泵组、正常照明及空气调节器等少量负荷用电，工作电流小，高压计量装置灵敏度低，电能计量偏小，电气主接线之计量方式在电业部门审查难以通过的问题，切实保证了站用电的可靠性和灵活性。

根据《供配电系统设计规范》GB 50052-95的规定，宜选择接线组别为D,yn11低压配电变压器。其主要优点是：

（1）一次“D”接线绕组中激磁电流的三次谐波分量可以闭合流通，于是主磁通呈现正弦波形，一、二次绕组相电势E也保持正弦波形，且抑制直流配电装置和电子整流器式灯具所产生三次谐波分量的效果好，在绕组外部线路上不会产生三次谐波电压及零序电压；

（2）承载单相负荷运行的能力强，二次绕组线圈电压的中心点偏移现象并不严重；

（3）D,yn11配电变压器零序阻抗小，产生线（相）电压偏差小，利于设备使用和人身安全，此外单相短路故障电流大，提高了保护装置动作的灵敏度。

上述这些正是Y,yn12配电变压器所不具备的。但Y,yn12配电变压器空载和负载损耗小、节能性能佳；正常运行情况下每相对地电压只有线电压的，使得制造工艺简单、消耗材料少、制造成本低。因此，蒋家嘴泵站2台站用变应推荐采用D,yn11接线组别，型号分别为S11－400/35型和S11－400/10型。

在单母线接线上配置低压电容器组进行集中无功补偿，无功功率补偿容量按照现行的《全国供用电规则》及《功率因数调整电费办法》的要求进行设计，补偿后的功率因数应在0.90以上。

6 过电压保护及接地装置

根据《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94，泵站应按第二类防雷建筑物设计。为防止直击雷过电压，在35 kV降压站采用高30 m的避雷针进行保护，原主、副厂房和新建主厂房屋顶女儿墙上敷设热镀锌圆钢或扁铁联接成环，沿墙引下并与主接地网相连。为防止侵入雷电波过电压损坏电气设备，在主变压器35 kV母线侧和6 kV侧母线PT柜内各装设一组氧化锌避雷器。

此外，在每个真空断路器负荷侧装设操作过电压保护装置，以防止其因故障和和正常操作时所产生的操作过电压击穿电气设备和高压同步电动机绝缘。

为保证人身和设备安全，室内交流电气设备应尽量充分利用泵站枢纽建筑物钢筋网和金属结构埋件构成的自然接地体接地，并校验其热稳定性。在35 kV降压站增设人工接地体（管子、角钢、扁铁）和均压带，回填降阻剂，以使接地电阻满足规范要求，并应尽可能使电气设备所在地点附近对地电压分布均匀，并与自然接地相联而构成统一的接地系统。与此同时，在变压器中性点及避雷器接地处附近设置垂直接地极。