10 kV高压水泵变频运行设计要点简析

摘  要：电耗、药耗一直为水处理行业中重要的能源消耗及成本支出，随着行业对节能降耗的要求越来越高，目前水厂、原水泵站的大功率水泵一般配套使用高压变频器，以满足生产调度和节能的目的。根据水厂10 kV水泵电机变频实际运行案例，对10 kV高压水泵采用一拖二变频、工频补偿运行控制进行介绍分析，旨在为泵房电气设计及安装调试人员提供参考。

关键词：泵房;10 kV高压水泵;变频运行

中图分类号：TM921.51      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0049-03

Brief Analysis of Design Points of Frequency Conversion Operation of

10 kV High Pressure Water Pump

WANG Yongde

（Xiamen Branch，Southwest Municipal Engineering Design & Research Institute of China，Xiamen  361012，China）

Abstract：Power consumption and drug consumption have always been important energy consumption in water treatment industry. With the increasing demand for energy conservation and consumption reduction in the industry，water plants and raw water pump stations generally use a number of high-voltage inverters to meet the purpose of production scheduling and energy conservation. According to the actual operation case of 10 kV water pump motor frequency conversion in the water plant，this paper introduces and analyzes the 10 kV high-pressure water pumps operation control with one drive two frequency conversion and power frequency compensation，in order to provide reference for the electrical design，installation and commissioning personnel of the pump house.

Keywords：water plants;10 kV water pump;frequency conversion

0  引  言

目前水廠基于出水压力、流量调节、节能的目的，一般二级泵房的多台水泵采用变频启动。水泵变频一拖二运行控制，因涉及高压柜、旁路柜、补偿柜、变频器、电机、阀门和多种工况等多方因素，运行操作较复杂。使用单位一般指定有操作规范流程，但随着自动化程度的提高，厂内值班人员呈现年轻化、少人化;当出现自动化故障改为人工操作时，作为厂内最核心的关键设备，却存在着较大的操作风险。所以，在设备端最大程度补充采用机械或电气闭锁关系，在现代化水厂运行中显得尤为重要。

1  水泵电机变频原理及作用

根据流体力学基本定律，风机水泵类负载是典型的平方转矩负载，其主要特点是：转矩与转速2次方成正比，功率与转速3次方成正比。风机水泵类负载一般都是根据最大工作负荷来进行选型，实际工作中大部分时间并非工作于满负荷状态，所以只要平均转速略微降低，负载功率就可明显的降低，从而达到节能效果。

采用变频器调速时，根据实际工艺压力、流量的需要可以方便地控制速度。例如：当电机转速为额定转速的90%时，负载功率为额定功率的3次方，约额定功率的70%。可见，当转速下降10%，节能可达30%。此外，使用变频器避免了电机起动时对电网的冲击，降低了对电网的容量要求和无功损耗。同时，降低故障率，消除设备震动和水锤现象，延长水泵和电机的使用寿命。

2  设计实例

2017年受厦门水务集团委托，本公司对厦门市西山水厂一期工程项目开展设计工作。水厂一期设计规模为10万吨/天，高压进线采用10 kV双回路、单母分段接线。送水泵房一期设计安装4台送水泵，3台使用1台备用。其中3台送水泵功率为560 kW，1台为280 kW;采用10 kV系统供电。

根据水厂运行工况要求，设计其中2台水泵采用变频一拖二运行，工频运行采用就地电容补偿方式。

其中水泵一拖二变频运行典型的一次接线如图1所示：1#水泵电机高压进线柜QF1、2#水泵电机高压进线柜QF2，高压变频器TF以及KM11、QS11、QS12、KM12、KM21、QS21、QS22、KM22、KM13、KM23组成旁路柜。其中QS11、QS12、QS21、QS22、QS14、QS24为手动隔离刀闸，KM11、KM12、KM21、KM22、KM13、KM23、KM14、KM24为固定式真空接触器。

3  设备选型分析

根据管理规范化和集约控制要求，使用单位要求对泵房多台水泵进行集中式管理，单台水泵可实现一键变频启动或手动工频启动。本次上级断路器柜采用10 kV中置柜QF1、QF2，变频器采用一拖二自动旁路柜，补偿装置采用就地电动补偿装置。为满足自动化操作及操作安全的需要，变频器要求需具有单元旁路功能，并标准配置UPS，供电时间不低于30 min;旁路柜、补偿柜内均装设电动操作的真空接触器及手动操作的隔离开关。

本次设计水泵电机为10 kV供电，变频器为单元串联多电平型。因各品牌间变频器尺寸及空间差异，设计需充分考虑变频设备及散热、风道、空调、风机等设备的土建安装;补偿柜需单独布置于电容器室。因各地供电部门均有要求客户端电网功率因数不低于0.90甚至0.95，并纳入考核;目前各使用单位一般要求将内部功率因数提升至0.95左右。考虑变频器整流作用，功率因数均大于0.95甚至接近1.00，已满足要求。但当处于工频运行状态下，则需充分复核补偿容量，结合运行及操作的规程、补偿柜内安装真空接触器方式以避免产生电机自励磁现象。

4  运行状态分析

本次1#水泵、2#水泵采用变频一拖二运行，可实现的工作模式如下：

（1）1#电机、2#电机同时有1台运行在变频模式。

（2）1#电机、2#电机同时2台运行在工频模式。

（3）1#电机变频运行，2#电机工频运行：QF1、KM11、QS11、QS12、KM12、QF2、KM23闭合，KM13、KM21、QS21、QS22、KM22断开。

（4）1#电机工频运行，2#电机变频运行：QF2、KM21、QS21、QS22、KM22、QF1、KM13闭合，KM23、KM11、QS11、QS12、KM12斷开。

特别说明，变频器运行时，不可分断KM12和KM22。当变频故障时，KM11、QS11、QS12、KM12、KM21、QS21、QS22、KM22断开，变频器处于检修状态。QF1、KM13闭合时，1#电机处于工频运行。QF2、KM23闭合时，2#电机处于工频运行。

4.1  各设备间的连锁关系及运行要求

（1）高压柜、变频器、旁路柜、补偿柜满足自身“五防”及连锁要求。

旁路柜及补偿柜、柜门均为强电闭锁，当强电失效带电开门时，需能跳闸该设备上级高压柜断路器。解决措施：增设门限开关用于串入高压柜，关门允许高压断路器合闸，开门需使得高压断路器跳闸。

变频器运行时，补偿柜不可投入。解决措施：在补偿柜合闸回路里串入变频柜未运行的使能信号。

（2）变频器旁路柜状态选择：

1）QS11～QS12与KM11之间存在电气连锁，QS11 ～QS12闭合时才允许合KM11，KM11断开时才允许合QS11

～QS12。KM13与KM11、KM12电气闭锁，在KM13合上的时候KM11和KM12不能合上，在KM11合上的时候才能合上KM12但KM13不能合上。

2）QS21～QS22与KM21之间存在电气连锁，QS21 ～QS22闭合时才允许合KM21，KM21断开时才允许合QS21～QS22。KM23与KM21、KM22电气闭锁，在KM23 合上的时候KM21和KM22不能合上，在KM21合上的时候才能合上KM22，但KM23不能合上。

3）KM11与KM21、KM12与KM22、KM12与KM13、KM22与KM23之间分别电气互锁。

4）如果1#电机工作在变频状态，2#电机可以工作在工频状态;相反如果2#电机工作在变频状态，则1#电机可以工作在工频状态;如果变频器故障，两台负载都可以工频运行。隔离开关QS11、QS12、QS21、QS22维护期间处于分闸状态用于隔离变频器，确保维护人员的操作安全，工作期间隔离开关处于合闸状态。

（3）变频器、旁路柜提供QF1和QF2的跳闸信号和合闸允许信号，逻辑关系示意如图2所示。

（4）泵房设备关联运行：根据泵房运行操作要求，如图3、图4所示分别为水泵典型的工频及变频操作流程。设计思路分为上位机自动运行、手动操作及就地按钮箱操作三种模式。上位机状态下可在值班控制室通过触摸屏了解高压断路器、变频器、机组真空阀、压力表、进水阀门、出水阀门、就地补偿柜的运行状态。机组变频和工频运行分为不同界面，就地操作时按照规程操作，不满足条件时按钮呈现灰色并带有文字提醒。水泵启动过程手/自动切换设置在就地操作箱。在就地操作时，利用柜内加装中间继电器，可实现各步骤间的电气闭锁，以避免误操作。

5  高压变频器接地的作用及要求

高压变频器接地经常不被施工单位重视，应着重强调接地的目的：除确保安全外，还具有固定变频装置接地电位以防高频的作用。接地干线应使用最短的接地线连接到接地线柱或等电位箱，设备的接地电阻不大于4 Ω，电动机的接地线也应就近接入泵房接地干线。变频器主要接地要求如下：

（1）上级高压馈线柜QF到变频器的电力电缆屏蔽应连接到上级高压馈线柜QF接地端子，即在高压配电室内单点接地;电机侧电缆的铠装及屏蔽层、电动机外壳需重复接地。

（2）输入电缆和输出电缆应当分开敷设，可采用电源线槽隔开，或者不平行敷设。高压动力电缆与低压动力电缆分开敷设，动力电缆与控制电缆分开敷设;控制及信号电缆采用屏蔽电缆。

（3）当使用多台变频器时，切勿将接地线形成环路。

6  结  论

根据自动化、智慧化生产要求，通过对水泵进行合理分组、采用变频与工频结合控制的方式、结合生产调度、出厂压力、流量、清水池液位等参数优化配置，以达到节能降耗的目的。通过在设备端电气、机械、五防闭锁，在软件界面端操作闭锁，进一步规范操作流程，减少手动误操作的可能。

参考文献：

[1] 中国市政工程中南设计研究总院有限公司.给水排水设计手册：第8册 电气与自控：第2版 [M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 谢红军，李璟.一拖二变频调速技术及其在凝结水泵中的应用 [J].变频器世界，2011（3）：84-86.

作者介绍：王永德（1986.08—），男，汉族，福建安溪人，工程师，本科，研究方向：市政、建筑电气。