蔣家嘴泵站電氣主接線設計淺析

鄧德滿

（漢壽縣水利局 常德市 415900）

1 工程概況

蔣家嘴泵站位于漢壽縣蔣家嘴鎮，南湖撇洪河末端，距漢壽縣城約25 km，始建于1991年10月，裝機容量2×1 250 kW，單機設計排水流量36 m3/s，設計揚程2.5 m，配置120 ZWB-3型臥式軸流泵經齒輪減速箱與T 1250-8/1180型高壓同步電動機連接，年單機最大運行時間1 650 h。泵站東側緊鄰蔣家嘴排水閘，設計排水流量1 665 m3/s，與泵站聯合運用，共同擔負南湖撇洪河968 km2流域面積集水的撇、排、削峰任務，并兼顧沿河兩岸的灌溉、航運等功能。

近15年來，沅水流域水情發生了急劇變化——蔣家嘴閘外汛期水位抬高，排水閘自排功能弱化、擠撇機會減少、時間縮短；南湖撇洪河兩岸抗洪形勢日益嚴峻、災情加大。因此，對蔣家嘴泵站進行擴建勢在必行，迫在眉睫。2008年10月，蔣家嘴泵站擴建建工程土建正式動工，工程選址在機組檢修間西側，與已建主廠房同寬，以便共用20/5 t雙梁橋式起重機和機組檢修間。泵站新增裝機3×1 250 kW，單機設計排水流量36 m3/s，設計揚程3.0 m，安裝3000ZXB33-2.8型斜150軸流泵，經齒輪減速箱與電動機相連，設計排水流量180 m3/s。該擴建工程的建成投產將為打造漢壽和諧水利、生態水利，建立滿足良性循環和可持續利用的水利體系發揮重要作用。

2 電源接入方式

泵站35 kV專用輸電線路引自110 kV蔣家嘴變電站，導線為LGJ-70型，全長2.8 km。在擴建施工期間，110 kV蔣家嘴變電站將搬遷新址，泵站“受電點”變更、輸電線路延長。通過與當地電力部門密切合作、共同協商，延長的35 kV輸電線路將與110 kV“蔣巖”聯絡線共用雙回路鐵塔，線路全長達3.8 km。泵站運行期間線路持續有功功率為6 589 kW，泵站年最大負荷利用小時數1 650 h，供電可靠性一般。

對此，35 kV專用輸電線路將涉及擴建負荷增加和輸電距離延長，需對現有LGJ-70型導線截面面積、允許電壓損失等進行復核計算。

（1）按經濟電流密度選擇蔣泵35 kV專用輸電線路導線截面S：

選用標準導線截面為LGJ-70型鋼芯鋁絞線。

（2）按允許電壓損失10%校驗導線截面，其電壓損失負荷矩為162 MW/km，大于實際負荷矩6.25×3.8=23.75 MW/km，其實際電壓損失為 0.062 5×6.25×3.8=1.48%〈10%。

（3）35 kV專用輸電線路跨越蔣家嘴鎮居民區和工業區，但所選線徑大于最小允許截面35 mm2，故現有輸電線路滿足機械強度要求。

（4）LGJ-70型鋼芯鋁絞線在基準環境溫度為+25℃時長期允許截流量為265 A，在基準環境溫度為+35℃時經溫度修正為265×0.88=233.2 A，而實際通過電流為123.2 A〈233.2 A。

通過復核計算，3.8 km LGJ-70型輸電線路能夠滿足泵站擴建工程需求。經多次協商同意，線路延長段施工由電力部門負責，2.8 km線路因部分疲勞振動、大風、雷擊已多處斷股；導地線接續金具過熱、損壞而有時引發接地故障；絕緣子串或金具部分損壞，絕緣子串閃絡或導線相間、導線對地閃絡幾度造成跳閘或停電，需要對鋼芯鋁絞線、導地線、絕緣子及金具等進行更換。

3 電氣主接線

電氣主接線是根據泵站接入電力系統方式、泵站裝機規模，以及運行重要性等因素綜合考慮確定。按照接線簡單、供電可靠、操作檢修方便及節約投資的原則進行。擴建工程前后供電將統籌兼顧，采用“站變合一”的供電方式。

根據現有泵站接入系統方式，確定蔣家嘴泵站擴建時仍以一回35 kV專用線路接入電力系統，并選擇新增3臺機組所配主電機電壓等級與現有2臺主電機相同，則主變壓器負荷側電壓等級應定為6.3 kV。

蔣家嘴泵站現有電氣主接線為擴大單元接線方式，一回35 kV電源進線經高壓隔離開關、高壓計量裝置與S7-100/35型1號站用變壓器、閥型避雷器等共用母線連接，再經高壓隔離開關利用硬母線直連S7-3150/35型主變壓器和電壓互感器。主變壓器6 kV負荷側經硬母線連接2臺1 250 kW同步電動機組、PT高壓開關柜及S7-160/6型2號站用變壓器。

2008年11月，泵站擴建工程初步設計擬定電氣主接線為聯合擴大單元接線方式，即在維持現有設備布置方式和位置不變、2003年重建設備構架保留的基礎上，順進線方向增加1組設備間隔，新增S11-5000/35型主變壓器（接線組別Y，dn11）經高壓隔離開關與現有S7-3150/35型主變壓器35 kV電源側單母線連接，2臺主變并列布置，并在新增3臺電動機電源側母線上接有SC11-400/6型干式強迫風冷站用變壓器（接線組別D,yn11），以替換現有2號站用變壓器。

2009年6月，初步設計方案泵站擴建工程建設管理處在對現有35 kV降壓站新增1組設備間隔進行測量時，發現其位置尺寸不能滿足高壓設備布置和電氣安全距離，需拆除緊鄰的某單位宿舍樓和廁所各1棟，涉及征地和拆遷費用過高。應泵站工程建設管理處要求，在降壓站現有條件下設計單位需對初步設計方案進行進一步優化、調整。下面就優化、調整后的擴大單元接線方案與初設聯合擴大單元接線方案進行分析比較，以便選擇適合本工程實際需要的電氣主接線方案。

第一種方案是因先后順序建設而形成的聯合擴大單元接線方式，即初步設計方案。實施這一方案需征用某單位用地200 m2，拆除其宿舍樓1棟、廁所等建筑面積490 m2；原35 kV降壓站設備構架不拆除；順進線方向增加1組設備間隔；擴建高壓配電室50 m2。

第二種方案是擴大單元接線方式，即現有電氣主接線方案，維持原35 kV降壓站設備布置方式和位置不變，將現有S7-3150/35型主變壓器更換成S11—8000/35型新型節能變壓器，對其它設備進行更新，5臺電動機經硬母線與主變壓器6 kV側連接；將1號站用變更換為S11—400/35型新型節能變壓器（接線組別D，yn11），2號變更換為S11—400/10型新型節能變壓器 （接線組別D,yn11），10 kV電源自城區電纜引入。

由上述所知，第一種方案的優點是每段母線所接機組臺數少，供電可靠性較高、運行方式靈活，短路電流小、易于設備成套，且S7-3150/35型主變壓器得以保留。缺點是征地拆遷費用過高；擴建現有高壓配電室，增加1組設備間隔；增加1臺隔離開關、六氟化硫開關、6 kV進線中置高壓開關柜、母線PT柜、勵磁變柜；2臺主變壓器6 kV側需電纜出線，施工工期延長；電氣設備布置，微機保護、控制及測量配置過于復雜，故障機率大，運行、維護費用高，工作量增大。對此需增加拆遷品補、土建配套及電氣設備投資近100萬元。

第二種方案的優點是接線簡單清晰、故障率小、運行可靠、適應性強；可直接利用現有35 kV降壓站構架和高壓配電室；與第一方案相比，減少1臺隔離開關、六氟化硫開關、6 kV進線中置高壓開關柜、母線PT柜、勵磁變柜；主變壓器6 kV側直接硬母線出線，微機保護和控制配置簡單。缺點是進線或母線發生故障時全站不能運行；6 kV單母線上所接機組臺數多、容量大，考慮發生短路事故時電動機的反饋電流會影響開關設備選擇。

通過技術經濟比較，第一種方案供電可靠、方式靈活，但經濟性太差，施工工期延長，且擴建高壓配電室位置受限，屋面防水難度較大。第二種方案接線簡單清晰、設備故障率低，經濟性好，施工工期短，但供電可靠性較差，方式不靈活，對于年運行時間不長，國家設備整體制造水平、運行可靠性大大提升的今天，強化機電設備維護及保養，將會提高泵站供電可靠性，保障主機組適時、安全和可靠運行。江蘇江都三站10臺、湖南坡頭2臺、湖北排湖9臺等大型泵站均采用此接線方式且已運行多年。故推薦使用第二種方案較為符合工程實際。

4 主要電氣設備選擇

4.1 主電動機的選擇

根據《泵站設計規范》GB/T 50265-97，主電動機容量應按水泵運行可能出現的最大軸功率選配，并留有一定儲備，儲備系數為1.05～1.10。3000ZXB33-2.8型水泵在各種工況下可能出現的最大軸功率為1 105 kW，HGⅡ630-6.3型齒輪減速箱傳動效率為97%，則電動機配套功率為Pe=N軸×1.10/η齒=1 105×1.10/97%=1 253 kW， 故選擇電動機額定容量為1 250 kW。

我國大型泵站配置同步電動機和異步電動機的泵站為數不少，早期建設和低轉速泵站使用同步電動機居多。結合本泵站的實際情況，現對這兩種類型電動機的特點進行分析：

（1）結構及其配置。同步電動機定子繞組與異步電動機無異，但轉子差別很大。大型水泵用同步電動機轉子多為凸極式，由轉子磁極、磁軛、勵磁線圈、滑環和風扇組成；而同容量和電壓等級的Y、YKS、YKK系列異步電動機轉子則設計成鑄鋁和銅條鼠籠式兩種結構，沒有磁極，結構十分簡單。此外，前者需要配置技術含量高、結構復雜的勵磁裝置，后者只需配置結構和技術相對簡單的無功集中補償和現地補償裝置。就其綜合制造成本及維護成本而言，異步電動機無疑要優于同步電動機，但若需增設高壓軟起動裝置800 kW以上的異步電動機，則其綜合制造成本和維護成本，不如同步電動機。

（2）功率因數特性。調節勵磁不僅可以調節同步電動機本身的功率因數，過勵時還可改善電網功率因數，提高設備運行質量。而異步電動機功率因數則總是滯后，若采用與現有T1250-8/1180型同步電動機轉速相近，額定轉速為744 r/min的YKK系列高壓異步電動機時，其功率因數將達到0.84以上，通過電容補償后供電母線端功率因數將完全可以達到0.90以上，以滿足供電部門的規定要求。

（3）轉矩轉速特性。蔣家嘴泵站內河設計起排水位34.00 m，最高運行水位36.00 m，外河設計水位36.00 m，最高運行水位36.50 m，泵站凈揚程變化范圍（0.00～2.50）m，電動機負載隨水位變化幅度較小；110 kV蔣家嘴新建變電站距離泵站僅3.80 km，電源電壓相對穩定，這兩方面說明同步電動機和異步電動機的轉矩特性受自身負載和電網電壓變化影響較小，該泵站對電動機轉矩特性要求不是很高。

同步電動機轉子轉速為同步轉速，恒定不變，而與之對應的YKK系列異步電動機在額定負載時的最低轉速最低為744 r/min，轉差率為S=0.80%，根據水泵比例律Q2/Q1=N2/N1，則（Q2-Q1）/Q1=（N2-N1）/N1=S，即對應流量變化率等于轉差率——對水泵流量影響極小。因此，同步轉速和容量相同的兩種類型電動機的轉速特性均滿足3000ZXB33-2.8型水泵的配套要求。

（4）電機效率特性。蔣家嘴泵站原2臺T1250-8/1180型同步電動機，額定效率為95.5%，通過配備有功功率為40 kW的可控硅勵磁裝置后其裝置綜合效率為92.3%。相應異步電動機額定效率為95.8%，雖然配備集中補償電容器，但基本上只消耗無功功率。因此就整個裝置來講，同步電動機效率要低于異步電動機。

根據實際情況和綜合分析，通過齒輪減速箱連接，并與斜式軸流泵配套的3臺6 kV主電動機在機組轉速和啟動轉矩方面并無特殊要求，選擇相應同步電動機和異步電動機均能適應泵站運行工況要求，因而對電動機類型的選擇可以有三種方案：

第一種方案是選擇3臺異步電動機，并與現有2臺同步電動機并列運行，利用同步電動機的過補償能力對其進行無功補償，以提高功率因數。但這會使電氣設計復雜化、運管難度增加、維修保養不便。

第二種方案是在第一種方案的基礎上將現有2臺同步電動機改造成異步電動機，將有利于統一設計、運行管理及維修保養。但加重了投資建設成本。

第三種方案是選擇3臺與現有2臺類型和特性相同的同步電動機，投資成本最低，有利于統一設計，且管理單位具備該類型設備多年運行管理及維修保養經驗，此為最佳推薦方案，即選擇T1250-8/1180型同步電動機。

4.2 主變壓器的選擇

根據 《泵站設計規范》GB/T 50265-97，1號站用變壓器電源接入泵站主變壓器35 kV側，2號站用變壓器電源外引入城區10 kV，故計算主變壓器容量時不計入站用電負荷。通過計算泵站主變壓器最大負荷容量為7 272 kVA，故其額定容量選擇為8 000 kVA，且該容量同時滿足泵站同步電動機全壓啟動要求。

由于泵站5臺機組均配置6 kV同步電動機，過補償能力較強，選擇無載調壓油浸自冷新型節能變壓器能夠滿足泵站供電要求，主變壓器型號為S11-8000/35，接線組別為Y,d11。

5 站用電接線

站用電接線設計應能滿足泵站運行和檢修的要求，其變壓器容量按可能出現的最大站用負荷進行選擇。根據《廠用電設計規范》計算廠用電負荷容量為416 kVA。選擇2臺400 kVA油浸自冷變壓器互為熱備用。

蔣家嘴泵站年運行時間不長，且日常機電檢修和正常照明負荷小，在35 kV母線上接入400 kVA 1號站用變作為主電源，有利于減少主機組停運期間的主變電能損耗。為保證站用供電可靠性，另自城區引入一路10 kV電源接入400 kVA2號站用變作為備用電源。2臺站用變0.40 kV側分別經空氣斷路器接入單母線接線，互為熱備用，根據不同用電情況設有相互閉鎖和備用電源自動投入裝置。

引入10 kV電源的供電方式避免了主機組停機，主變壓器及6 kV側站用變退出運行時，35 kV側站用變壓器只有排水泵組、正常照明及空氣調節器等少量負荷用電，工作電流小，高壓計量裝置靈敏度低，電能計量偏小，電氣主接線之計量方式在電業部門審查難以通過的問題，切實保證了站用電的可靠性和靈活性。

根據《供配電系統設計規范》GB 50052-95的規定，宜選擇接線組別為D,yn11低壓配電變壓器。其主要優點是：

（1）一次“D”接線繞組中激磁電流的三次諧波分量可以閉合流通，于是主磁通呈現正弦波形，一、二次繞組相電勢E也保持正弦波形，且抑制直流配電裝置和電子整流器式燈具所產生三次諧波分量的效果好，在繞組外部線路上不會產生三次諧波電壓及零序電壓；

（2）承載單相負荷運行的能力強，二次繞組線圈電壓的中心點偏移現象并不嚴重；

（3）D,yn11配電變壓器零序阻抗小，產生線（相）電壓偏差小，利于設備使用和人身安全，此外單相短路故障電流大，提高了保護裝置動作的靈敏度。

上述這些正是Y,yn12配電變壓器所不具備的。但Y,yn12配電變壓器空載和負載損耗小、節能性能佳；正常運行情況下每相對地電壓只有線電壓的，使得制造工藝簡單、消耗材料少、制造成本低。因此，蔣家嘴泵站2臺站用變應推薦采用D,yn11接線組別，型號分別為S11－400/35型和S11－400/10型。

在單母線接線上配置低壓電容器組進行集中無功補償，無功功率補償容量按照現行的《全國供用電規則》及《功率因數調整電費辦法》的要求進行設計，補償后的功率因數應在0.90以上。

6 過電壓保護及接地裝置

根據《建筑物防雷設計規范》GB 50057-94，泵站應按第二類防雷建筑物設計。為防止直擊雷過電壓，在35 kV降壓站采用高30 m的避雷針進行保護，原主、副廠房和新建主廠房屋頂女兒墻上敷設熱鍍鋅圓鋼或扁鐵聯接成環，沿墻引下并與主接地網相連。為防止侵入雷電波過電壓損壞電氣設備，在主變壓器35 kV母線側和6 kV側母線PT柜內各裝設一組氧化鋅避雷器。

此外，在每個真空斷路器負荷側裝設操作過電壓保護裝置，以防止其因故障和和正常操作時所產生的操作過電壓擊穿電氣設備和高壓同步電動機絕緣。

為保證人身和設備安全，室內交流電氣設備應盡量充分利用泵站樞紐建筑物鋼筋網和金屬結構埋件構成的自然接地體接地，并校驗其熱穩定性。在35 kV降壓站增設人工接地體（管子、角鋼、扁鐵）和均壓帶，回填降阻劑，以使接地電阻滿足規范要求，并應盡可能使電氣設備所在地點附近對地電壓分布均勻，并與自然接地相聯而構成統一的接地系統。與此同時，在變壓器中性點及避雷器接地處附近設置垂直接地極。

7 結語

蔣家嘴泵站是目前湖南省設計排水流量最大的泵站，按照《泵站設計規范》GB/T 50265-97分等指標，泵站規模為大（Ⅱ）型，上述只是針對該泵站電氣設計進行粗淺探討而已，是否可行尚待進一步設計優化和運行驗證，并希望各位同行批評指正。

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 GB/T 50265-97.泵站設計規范[S].