南滨排涝泵站电气设计要点

2023-10-11吴桂良张凯超林锦伟

水电站机电技术 2023年9期

吴桂良，滕峰，罗刚，张凯超，林锦伟

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014）

随着我国经济发展、城市规模的扩大，城市防洪排涝已成为制约城市健康发展的重要因素。近年来，因排涝设施建设滞后或不合理而导致的城市内涝灾害时有发生，已对居民的生产生活造成了不良影响。南滨泵站是汕头南滨片区重要的防洪排涝措施，泵站的建成将有力提升片区排涝能力，保障片区防洪安全。

排涝泵站电气设计是保障排涝泵站正常运行的一个重要环节。可靠的电气系统可以保证排涝泵站在各种运行模式下都能正常工作，从而避免由于电气设备问题带来的排涝泵站运行故障，进而造成城市内涝、洪水灾害等严重后果[1]。

1 工程概况

南滨泵站位于汕头市濠江南滨片区规划主排渠出口，为堤身式泵站，泵站设计流量100 m3/s，水泵总装机容量7 500 kW，自排水闸设计流量247 m3/s，并考虑渔船通航需求。主要构（建）筑物含泵房、自排水闸、粗格栅、配电间等。

根据GB 50265-2022《泵站设计规范》[2]和SL252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，南滨泵站等别为Ⅱ等工程，规模为大（2）型，泵站主要建筑物为2 级，次要建筑物为3 级，临时性建筑物级别为4 级。

2 电气设计

2.1 供电电源

南滨泵站安装有6 台雨水泵，配套电动机采用10 kV 供电，单机容量1 250 kW。泵站内另有部分低压辅助设备负荷，根据负荷计算结果，设置2 台160 kVA 站用变压器，一用一备。工程总装机容量7 820 kW。

排涝泵站作为重要的民生设施，若供电中断，会导致所负责的排涝区雨水无法正常排出，造成城市内涝，严重影响经济发展，甚至导致人员伤亡，对人民生活、社会发展造成较大影响。因此，需要可靠的供电电源以保证当发生电力线路常见故障时，不致中断供电或者中断后能迅速恢复[3，4]。根据《供配电系统设计规范》，本工程确定为二级负荷。

由于本工程水泵电机单机容量较大，电压等级较高，若采用柴油发电机作为备用电源，占地面积大，设备造价昂贵，噪音污染严重，实现可能性不大。故要求由市政电网接引两回路10 kV 电源供电，一用一备，每回线路均能承担泵站100%用电负荷。

2.2 电气主接线

对于双电源的6~10 kV 中压配电系统，较常用的主接线形式主要为单母线接线、隔离开关受电和分段的单母线接线、断路器受电和分段的单母线接线3 种方式。主接线方式的选择应依据规模大小、电机电压等级、运行时间以及占地面积等要求，选择原则如下：

（1）规模较大、电机采用中压电机的泵站，中压系统优先选用断路器受电和分段的单母线接线；

（2）规模较小、电机采用低压电机的泵站，或者规模较小、电机采用中压电机的小型泵站，中压系统宜选用单母线接线，低压系统采用单母线分段接线或单母线接线方式。

本工程主要用电设备为中压电机，低压负荷主要为小功率工艺设备、永久建筑设施和工程管理设施的照明用电等，负荷较小。考虑到中压需设置八回馈线回路，且要求工程供电可靠性较高，在母线故障或检修时仅允许缩小停电范围，不得全厂断电，故中压主接线采用断路器受电和分段的单母线接线。主接线图如图1 所示。

图1 电气主接线图

2.3 电机选型

本工程雨水泵的设计转速仅为214 r/min，转速较低，且选用立式水泵。与之配套的驱动装置考虑3 种方案供遴选，如表1 所示。

表1 水泵驱动方案比选

当电机级数超过20 级时，可以考虑采用同步电机，但同步电机维护工作量大，启动时需要单独的励磁装置，体积重量均较大，且本工程为排涝泵站，启动频率低，后期维护工作量大。

虽然国内电机厂可以生产32 级及以下异步电动机，但电机体积、重量大，运输、安装很不方便，电机功率因数很低，国内很少使用。

减速齿轮箱方案造价较28 级同步、异步电机略高，但电机体积、重量小，运输、安装方便，可以节省土建造价，并且功率因数较高，维护方便。

综上所述，故本次推荐采用4P/6P 异步电机+减速齿轮箱方案。该方案整体体积小，运输、安装方便，降低了对电机运输车辆及进厂道路拐弯半径的要求，节约泵房起吊设备、基础的投资，方便施工，大大节约土建造价；减速箱承受轴向推力，无需电机承受；4 级电机维护简单，减速箱一体化设计免维护，整体维护成本低；与同步电机相比不需要额外的励磁装置，节约配电间面积；与大级数异步电机相比，无功补偿容量少，电机整体效率高。4 级电机+减速箱方案与传统28 级异步电动机、同步电动机相比，更适用于本工程，并且也是国内为数不多的应用于排涝泵站立式轴流泵工程的案例。

2.4 电机启动压降及启动方式选择

对于排涝泵站机组启动方式的选择，可以从以下3 个方面进行考虑：

（1）当采用全压启动时，母线及电机端子压降是否满足现行规范要求；

（2）当地供电部门的相关规定、要求；

（3）对于低压电动机，当回路的开关电流达到一定值时，电动机回路直接启动电流较大，容易烧毁断路器或接触器触头，采用软启动器降压启动比较合适。

本工程主电机均为中压电机，且电机容量较大，启动过程中会引起不可忽视的电压损失。因此，设计中应先计算电动机启动时的电压水平，以便正确选择启动方式，并根据启动电流校验供配电和启动设备的过负荷能力。

本工程电源取自10 kV 公共线路，进线采用YJV22-8.7/15 kV 3×150 mm2电缆，电缆长度约3.0 km，线路阻抗Xl=0.159 Ω（泵站到电机3.1 m，阻抗0.093 Ω/km）。电动机额定容量：SRM=P/0.85=1 470 kVA，额定电流启动倍数kst=6；功率因数为0.85。变电站供电变压器的额定容量：SrT=40 MVA；母线短路容量：Skm=200 MVA；预接负荷的无功功率：Qfh=0.6×（Srt-0.75×SrM）=23.2 Mvar。

电动机启动时，启动回路的额定输入容量：

电动机启动时，母线电压降相对值：

电动机启动时，端子电压相对值：

电动机启动电流：

由以上计算结果可知，电动机全压启动时的母线压降及电动机端子电压水平均满足规范要求，可考虑采用全压启动。

经与当地电力部门沟通，由于本泵站单机容量较大，如采用全压启动势必将对同一线路上的其它供电用户的电能质量产生一定的影响。同时，由于在雨季时排涝泵站需要频繁启动，采用降压启动方式可以有效减少对机电设备的冲击，有利于延长设备寿命。而且，目前该地区已建成的排涝泵站亦多采用降压启动方式。基于此，本工程考虑采用软启动器降压启动。几种较为常见的软启动器对比如表2 所示。

表2 软启动器对比

通过比选，本工程10 kV 软启动采用中压干式调压软启动柜。该启动柜采用一体化设计，体积小，安装维护简便，受使用环境和温度影响较小，更适用于沿海城市恶劣环境。

2.5 无功补偿

目前，常见的无功补偿方式包括静态补偿和动态补偿，一般可以从电压稳定性、功率因数调节、负荷均衡和谐波滤除等方面综合考虑、选取。

本工程主要负荷为10 kV 中压电机，且单机容量较大、补偿需求稳定，因此考虑采用电容器就地补偿。该补偿方式相对来说成本更低，不需要配套其他设备，依托于负载，减低了设备和线路的使用成本。

工程中其它辅助设备均为低压负荷，容量较小且分散分布，由160 kVA 变压器供电。考虑在变压器低压侧设置集中补偿电容，该补偿方式能够同时补偿多个电缆线路和负载，没有就地补偿的控制繁琐和管理复杂。

补偿后低压侧功率因素达到0.95 以上，10 kV进线侧的功率因数达0.9 以上，满足供电部门的要求。

2.6 短路电流计算

因本工程为受电端，暂无法得到准确的短路数据，经咨询当地电力部门后，按系统容量无穷大、供电变电站出口短路容量200 MVA 为计算条件，进线电缆为两回3×150 mm2铜芯交联聚乙烯电缆，供电距离3 km。计算得泵站电源进线端的短路电流为18.3 kA，变压器低压侧短路电流为5.8 kA。依据以上计算条件，校核断路器开断电流、电流互感器、电缆的热稳定电流。

中压配电设备的额定短路开断电流可取为25 kA，低压主配电系统的额定短路开断电流可取为50 kA。