淺談中小型泵站電氣設計的環保節能與經濟性

陳志剛

（岳陽市水利水電勘測設計院岳陽市414000）

隨著農業現代化水平的不斷提高，農業生產越來越依靠水利設施的運用，對于洞庭湖區來說，電力排灌泵站的作用尤其重要。

中小型泵站有以下特點：靠近排灌區，排灌靈活；工程簡易，投資省、見效快；以低壓機組為主，單機容量不大；裝機臺數不一，少到1臺，多到十幾臺；建設資金主要以國投為主，地方自籌為輔。

由于地方自籌資金到位的程度無法保證，中小型泵站的建設資金往往捉襟見肘，同時，為提高泵站運行的經濟社會效率，在泵站建設中必須考慮環保節能，而這往往與經濟性相矛盾。因此，在設計中需要認真考慮平衡環保節能和經濟適用，使設計在滿足經濟性要求的同時盡量采用環保節能設備及措施。以下根據自己多年泵站設計的經驗，談談在電氣設計中的幾個方面平衡環保節能及降低成本所要考慮的因素。

1 電壓等級的確定

隨著農網改造的完成，現在農用電供電半徑一般都不大，供電電壓等級主要有有35 kV、10 kV及0.4 kV。其中0.4 kV供電因電流大，線路損耗和用銅量顯著增大，而10 kV電壓供電能顯著降低損耗，又較35 kV供電經濟，宜優先選用。一般來說，為節約投資，當泵站附近有10 kV或35 kV線路經過時，宜通過T接的方式由系統取得電源，當附近沒有線路或無法滿足要求確需架設專線時，才考慮從附近變電站架設10 kV專用線路。

2 主接線的確定

中小型泵站主接線主要根據泵站的負荷性質及運行特點決定。因中小型泵站負荷性質均為三級負荷且容量較小，高壓電源側一般采用簡單經濟的線路——變壓器組接線；當采用兩臺以上變壓器運行時，也可采用單母線結線，選用的變壓器的變比、阻抗電壓和接線組別應相同并且容量相同或相近（其容量比不應超過3∶1），同時，為避免變壓器間因環流帶來的損耗和負荷分配的不平衡對變壓器造成的影響，盡量不要將多臺變壓器并列運行。

電動機電壓側可采用單母線或單母線分段形式。當裝機臺數較多，考慮到運行的靈活性，電動機電壓母線可采用單母線分段接線分別接多臺電動機和其它受電設備。

3 主要設備的選擇

（1）配電變壓器的選擇。

在設計中選擇配電變壓器時，除要充分考慮其性能參數外，應根據用電負荷，合理選擇變壓器的容量，使變壓器經濟運行，不僅能節電，同時也能提高功率因數。理論上當變壓器在運行中的空載損耗等于負載損耗時，效率最高，這在實際運行時很難做到，實踐中可主要考慮使變壓器運行在經濟運行曲線或最佳經濟運行曲線中，而這與變壓器的臺數、容量和性能參數密切相關。

國家已明文規定淘汰高能耗變壓器，推廣S9系列、S10、S11系列節能變壓器。S10、S11系列變壓器與S9系列相比較：損耗更低（尤其空載損耗）、噪聲更低；價格與S9系列相差不大；購置S10、S11系列變壓器一般只需運行2～5年，就能通過節能回報補償價差。因此，設計中應優先選用S10系列或S11系列配電變壓器。

變壓器的容量選擇要恰當，既不能過大（增加一次性投資，加大損耗），也不能過小（無法滿足用電要求，損耗也往往偏高）。一般來說，適當選擇變壓器的容量，使變壓器的負荷率β＝0.5～0.6左右時，有功功率損失最小；當變壓器的負荷率β＝0.75～0.8左右時，功率因數最大；當變壓器的負載率β＝0.45～0.75時效率較高，各個方面比較經濟；因此，設計中應盡量使變壓器的負荷率β＝0.45～0.8左右。

合理的確定變壓器的臺數，可以兼顧靈活性和經濟性兩個方面。當泵站裝機臺數較多（一般多于5臺），負荷波動大且間隔的時間長，或低壓為0.4 kV的主變壓器容量大于1 250 kVA時（GB 50053—94規定，主變壓器單臺容量一般不宜大于1 250 kVA），可考慮選擇多臺變壓器，以提高運行的靈活性，減少低壓配電線路的電能損耗、電壓損耗和有色金屬消耗量；在泵站單機容量較大、負荷集中且運行合理時，亦可選用較大容量的單臺變壓器；在泵站裝機容量小，負荷波動大的情況還可以通過選用調容變壓器來減少電能損耗。

如果資金有限，只能選擇1臺變壓器時，宜根據不同負荷運行時間的不同，按最大負荷并考慮在最長運行時間下的負荷使變壓器處于經濟運行狀態的原則選擇變壓器的容量，在增加的成本較高時，則只按最大負荷來確定變壓器的容量，通過在運行中合理的調度來實現變壓器最大化的經濟運行。

實踐中常選擇兩臺變壓器，兩套設備同時運行，這時每臺變壓器容量宜按計算負荷的60%～70%來選擇，兩臺變壓器互為暗備用。假定泵站為8臺同型號機組，4～8臺機運行時間最長，變壓器在正常運行時的負載率β分別如下：

β=（40/70）%～（40/60）%≈57.1%～66.7%

β=（100/140）%～（100/120）%≈71.4%～83.3%

基本上滿足經濟運行的要求，一次增加的投資也不大，而且，在一臺變壓器故障的情況下，在不考慮變壓器的過負荷能力的情況下就能擔負起對大部分負荷供電的任務。

（2）電機的選擇。

減少電機的電能損耗的主要途徑是提高電動機的效率和功率因數。因此，設計中首先應選用Y系列高效率電動機；其次，電機電壓等級一般根據單機容量及技術經濟比較確定，當單機容量低于200 kW時選擇低壓電機，高于300 kW時選擇高壓電機，單機容量（200～300）kW時選擇低壓還是高壓電機則經技術經濟比較后確定；最后，合理選擇電動機的容量，使其負荷接近額定負荷并留有適當裕量，這時電機接近最佳工況點，運行效率和功率因數最高。

選擇何種結構的電機也是設計中應重點比較的：鼠籠式電機結構簡單、耐用、可靠、易維護、價格低，而繞線式電動機結構復雜、維護較麻煩、價格高，但繞線式電機轉子繞組可通過接價格平實、易維護的頻敏變阻器改善起動性能，使電機平滑起動，起動力矩也較大，因此，許多中小型泵站都采用繞線式電機來提高起動性能。但繞線式電機價格較鼠籠式電機價格貴不少，而且采用頻敏變阻器起動時功率因數低。隨著軟啟動技術的成熟，價格下降，泵站如果采用鼠籠式電機結合軟起動的方式，反而可能降低造價，提高起動性能，并可節約能耗。因此，在設計選用中低壓異步電機時宜優先采用鼠籠式電機（直接或軟起動）；對于大容量的高壓電機，在水泵轉速低時宜優先選用同步電機，以提高功率因數。

（3）導體和電纜的選擇。

導體和電纜截面的大小，直接影響投資及電能損耗的大小：截面選得小一些，可節約有色金屬和減少投資，但電能損耗增大；反之，電能損耗雖能減少，但有色金屬耗用量和投資都隨之增大。因此導體、電纜的截面除了滿足規范要求外，應在投資、有色金屬消耗與電能損耗之間達到一個最優選擇。

導體材料一般按負荷性質、環境條件并綜合考慮損耗及經濟型等因素選擇銅或鋁；在絕緣材料的選擇上，對于低壓電纜，由于相同截面的YJV系列電纜一般較VV系列電纜載流量大一個以上等級，在電流較大時選用YJV系列電纜可能比選用VV系列電纜更為經濟，同時也更為環保。

（4）開關設備的選擇。

開關設備的節能潛力相對不大，因此泵站在設計選擇開關設備時主要從經濟可靠及環保角度上考慮。

高壓開關設備可采用跌落式熔斷器、斷路器或組合電器。一般來說，按以下原則選擇經濟上較優：對于容量在400 kVA以內的變壓器，設計中選用跌落式熔斷器，容量在（400～800）kVA以內的變壓器，選用一般型負荷開關——熔斷器組合電器，容量在（800～1 250）kVA以內的變壓器，選用真空斷路器或頻繁型負荷開關——熔斷器組合電器，容量大于1 250 kVA的變壓器則選用真空斷路器。

當戶外變壓器容量在800 kVA及以上須設置重瓦斯跳閘保護或泵站有遠方操作控制要求，設計采用組合電器時應配置分勵脫扣器以實現負荷開關的自動快速分閘，同時可供過載等保護跳閘用，這樣重瓦斯及過載時將通過繼電保護的方式使負荷開關跳閘而無須燒毀熔斷器，具有一定的技術經濟意義。

泵站低壓斷路器宜按經濟可靠原則根據保護對象的不同來選擇：對于電動機宜選擇經濟可靠的DWl5系列電動機保護型萬能式斷路器；對于變壓器低壓配電干線的主保護，宜選擇分段能力高的配電保護型萬能式斷路器，如ME、AE等；對于小容量的電動機以及其他小負荷則可選用塑殼斷路器。由于泵站為一級配電，一般選擇更為經濟的熱磁式就能滿足正常的運行要求，因此不建議選擇電子式。萬能式斷路器安裝方式可選擇固定式或抽屜式，選用抽屜式因可以取消刀開關，所以經濟性并不差。

4 配電形式的確定

高壓配電設備可選用戶外或戶內設備，在實踐中，主要根據變電站用地范圍及主、副廠房空間的限制，考慮經濟性來確定。無論采用何種形式，都必須考慮使配電設備盡量接近負荷中心，以縮短配電線路，降低線路的電能損耗、電壓損耗和有色金屬的消耗量。

由于箱變具有成套性強、體積小、占地少、能深入負荷中心、提高供電質量、減少線路損耗、縮短送電周期、選址靈活、對環境適應性強、安裝方便、運行安全可靠及投資少、見效快等一系列優點，因此，在進行技術經濟比較后中小型泵站高壓配電設備可以考慮采用成套戶外箱式變電站。

低壓配電設備一般采用戶內低壓開關柜的形式。由于GGD系列低壓開關柜具有柜體標準化；價格低廉；運行安全、可靠等諸多優點，因此，對于中、小泵站，一般設計中可選用經濟可靠的GGD系列作為低壓開關柜。

5 起動方式的確定

直接起動起動設備簡單，起動速度快，但是危害很大：造成對電網沖擊，給設備的安全可靠運行帶來威脅，縮短其使用壽命；同時過大的起動電流會使電機繞組發熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命，并造成巨大的起動能量損耗，尤其當頻繁起停時更是如此。

相對于傳統減壓起動方式，軟起動器以體積小，轉矩可以調節、起動平穩、沖擊小并具有軟停機功能等優點得到了越來越多的應用。由于無沖擊電流，可自由地無級調整至最佳的起動電流，因此非常適用各種泵類負載。

三相晶閘管調壓軟啟動器是新型電子軟起動器，相對于磁控式和自動液體電阻式軟起動器有較優越的性能，相對于變頻器有較低的價格，具有起動電流小（且可根據需要設定起動電流倍數），電壓可連續平滑調節的優點。當設計采用軟起動時應優先考慮選擇功能簡單、價格較低、操作方便、有多種運行狀態的晶閘管調壓軟起動器采用斜坡電壓起動，除能實現軟起動外，在泵站變負載工況、電動機處于輕載運行時，還具有輕載節能的效果（不帶旁路接觸器），在接觸器旁路工作模式還可用一臺軟起動器去起動多臺電動機，從而大大減少一次性投入。

同時，三相晶閘管調壓軟起動器還具有許多保護功能：過載保護功能，缺相保護功能，過熱保護功能及其它功能，可以省去熱繼電器等設備；可讀取電機的運行參數，從而可減少傳感器及儀表，這也在很大程度上降低了成本。

綜上所述，對于鼠籠式異步電機，當機組容量較低，滿足直接起動要求時，可采用全電壓直接起動，當不滿足直接起動要求時，優先采用三相晶閘管調壓軟起動器軟起動；對于繞線式異步電機優先選用轉子回路串頻敏變阻器方式啟動；對于同步電機則一般采用直接起動。

6 無功補償及其它

提高功率因素對降低電能損耗、提高供電質量具有重要意義。一般情況下應通過合理選擇設備，提高自然功率因素來實現，在不能滿足要求時或者代價太高時，必須通過進行無功補償，提高負載和系統的功率因數，減少設備容量和功率損耗，穩定電壓，提高供電質量。

另外，由于轉速與流量成正比，功率與流量的三次方成正比，當水泵流量減少時，功率按流量的三次方大幅下降，采用電機的軟起動方式與調速方式相結合可以進一步降低能耗；在泵站照明方式及設備選擇上，采用一般照明與加強照明相結合的方式，選用成熟平價的高光效、長壽命、顯色性好的光源、燈具和鎮流器（采用緊湊型熒光燈或T5、T8熒光燈，寬大場所使用金屬鹵化物燈和高壓鈉燈），也可以在節能與經濟性上達到平衡。

同時，合理選擇控制保護及其他設備，采用交流操作電源（帶UPS），在滿足泵站性能要求的同時，可以節約成本，使得在選用環保節能產品上有更大的余地。

1 皮積瑞，解廣潤.機電排灌設計手冊[M].北京：水利電力出版社，1992.

2 天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

3 中國航空工業規劃設計研究院組.工業與民用配電設計手冊（第3版）[M].北京：中國電力出版社，2005.

4 水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）上、下冊[M].北京：水利電力出版社，1989.

5 鋼鐵企業電力設計手冊編委會.鋼鐵企業電力設計手冊（上、下冊）[M].北京：冶金工業出版社，1996.

6 電氣工程師手冊第二版編委會.電氣工程師手冊（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2000.

7 北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊（第2版）[M].北京：中國電力出版社，2006.