韓城禹門抽黃一級泵站電氣設備改造方案探討

宋 蕊

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

泵站在我國農業經濟發展中擔負著重要作用，其內部電氣設備較多，一旦出現運行故障，就會影響泵站的整體運行效率，特別是長年運行的泵站電氣設備更容易出現各種問題。因此，改造泵站內的電氣設備勢在必行。針對泵站存在電氣設備絕緣老化、操作不靈活、能耗高、安全隱患等問題，本文通過比選電氣設備型號、研究設備內部結構，分析設備能耗等方法，提出了設備改造方案，并重新合理布置電氣設備。

1 工程概況

韓城禹門抽黃一級泵站位于韓城市龍門鎮渚北村禹門口大橋以西300 m 處，1977 年動工，1980 年建成。改造后主要任務是為鄉鎮生活、工業及農業灌溉供水，兼顧城市湖泊生態補水。該泵站計劃改造更換水泵電動機組3 臺，型式為臥式中開離心泵機組（2 工1 備），設計流量為3.0 m3/s，配套電動機功率1250 kW，泵站總裝機功率3750kW。

2 泵站電氣設備存在的問題

（1）主電動機型號為JSQ158-6，1980 年產品。主電動機已間隔運行約38 年左右，已達到SL 510-2011《灌排泵站機電設備報廢標準》2.2.1 條報廢標準要求，且在運行時溫度高、振動大，安全絕性能差，電氣性能檢測不符合規程要求，存在較為嚴重的安全隱患，且JSQ158-6 型電動機已列入國家第四批高耗能機電設備淘汰產品。

（2）主變壓器為SL 型鋁芯，運行近38 年，電氣主要技術參數不符合現行規程要求，存在較大的安全隱患，不滿足泵站安全運行要求，且SL 型變壓器已列入國家第一批高耗能機電設備淘汰產品目錄。

（3）35 kV 為DW8-35 型戶外高壓多油斷路器，外殼銹蝕嚴重，彈簧操作機構動作卡阻，操作不靈活，動作不可靠，多項電氣試驗參數不合格，存在重大安全隱患。

（4）10 kV 高壓柜為 GG1-1A 型，母線、隔離刀閘外露，不符合“五防”性能要求，隔離刀閘操作機構動作不靈活，操作費力、困難。0.4kV 低壓配電柜為PGL 型，柜內元器件絕緣老化，故障頻發，存在嚴重安全隱患，不滿足泵站安全運行要求。

（5）泵站運行自動化程度低，不能實現機組自動化運行。泵站的變配電控制保護設備多采用繼電器邏輯，且設備性能已非常落后，僅能維持在現場的控制和操作，無法實現自動化監控。電磁式繼電器絕緣老化，運行不穩定，直流系統老化嚴重，蓄電池大部分損壞，必須進行更換。

3 電氣設備更新改造方案

3.1 主電動機

主電動機是泵站的主要傳動設備，合理選擇電動機能夠提高泵站的裝置效率，保證泵站安全運行。（1）原有的JSQ 型電機效率低、損耗大，改造為高效節能的Y 型電機。（2）優先選用10 kV 電壓等級，可有效減少降壓變損耗及基礎設施費用。同時，10 kV 電機F 級絕緣具有良好的防潮、抗老化、耐熱性能，在延長電機使用壽命方面效果顯著。（3）電動機的容量應按水泵運行可能出現的最大軸功率選配，并留有一定的儲備，《泵站設計規范》GB50265,選取儲備系數范圍為1.10～1.05，改造后選擇1.1。（4）為適用河道水位變幅，采用變頻器調節水泵揚程，電動機選用變頻電動機，調節水泵轉速，擴大機組安全運行范圍[1～3]。

改造選用10 kV 高壓變頻及高效節能三相異步電動機。

3.2 主變壓器

（1）原SL 型變壓器屬于高耗能淘汰類產品。S13 型變壓器比SL 系列更節能，更合理，銅損、鐵損更小，已被電力行業廣泛應用。改造選用S13 系列。（2）鑒于地方電網較為薄弱，電壓波動較大，從有利于電動機啟動，簡化接線的角度出發，泵站的主變壓器選用有載調壓電力變壓器。

改造選用S13 系列有載調壓電力變壓器。

3.3 高低壓成套柜

（1）原35kV 配電裝置采用戶外敞開式布置，該布置型式過去被廣泛采用。該布置型式的優點就是投資少，不足之處是與戶內布置方案相比占地面積較大，且布置在戶外，污染較嚴重，檢修維護工作量較大，安全可靠性較差。改造選用KYN61 戶內交流金屬鎧裝移開式開關柜。（2）原10 kV 配電裝置采用GG1A 柜型，高壓柜母線、隔離刀閘外露，不符合“五防”性能要求，安全性較差，且操作不便。KYN28 鎧裝中置式開關柜，該柜型結構合理，安全可靠，操作簡便且具有可靠的五防”性能要求，檢修維護方便，使用壽命長。（3）高壓柜內采用的固封極柱式真空斷路器，具有高度集成的整體式機構，結構簡單、維修方便，且具有封閉式主回路以及先進的真空滅弧室，產品的可靠性高、使用壽命長，免維護，體積小。（4）原0.4 kV 低壓配電柜采用PGL1 柜型，且柜內接線凌亂，元件老化嚴重，故障頻發。改造選用GCS 型交流低壓配電柜，此柜型各功能單元采用模塊化設計，單元組合靈活方便，目前在電力行業廣泛應用。

3.4 變頻器

為適用河道水位變幅，新增變頻器設備來調節水泵揚程。選擇電壓源型逆變器，高壓采用IGBT (集成門極雙極晶體管)功率半導體。（1）采用變頻器設備后，解決了大功率1250kW 電動機的啟動電流沖擊問題，實現了軟啟動，電動機的啟動特性得到明顯改善。（2）通過變頻器實現閉環控制，由于在正常情況下無需人工干預水泵運行，不需要頻繁的調節帶動水泵的電動機的輸出功率，變頻調速，可大大降低運行人員的勞動強度，實現無人值守。（3）變頻器的合理運用，還可降低能耗。控制系統的穩定性、經濟性和可靠性明顯提高，減少了機械振動和磨損，節能效果明顯。（4）變頻器設有過流、過壓、欠壓、變壓器過負荷，防人身觸電保護，因其防誤性能高，安全性大大提高。目前，變頻器在供水泵站的應用非常廣泛，不僅安全可靠，還滿足用水量隨時變化的需要，具有明顯的節能降損作用。

3.5 綜合自動化系統

原泵站運行自動化程度低，不能實現機組自動化運行。本次改造方案如下：（1）泵站計算機監控系統均按“無人值班（少人值守）”的監控模式設計，采用開放式分層、分布式系統結構，分為站控層和現地層兩級。計算機監控系統由上位機系統、現地系統單元和網絡總線三部分組成。（2）直流操作電源采用100 Ah/220 V 單母線接線，采用閥控式鉛酸蓄電池組和高頻開關整流模塊，組屏布置于中控室。泵站設置一套不間斷電源，供計算機監控系統、視頻系統使用。（3）繼電保護系統：全站繼電保護均配置微機型保護。35 kV、10 kV 系統及電動機采用微機型保護測控一體化裝置，分散裝設在成套開關柜上。

改造完成后，除將泵站所采集的信息傳送給中央控制室外，還能夠傳送給上一級調度中心，以便為泵站機電設備的控制和檢修計劃的制訂提供原始數據。

4 電氣設備布置方案難點分析

由于禹門抽黃一級泵站地理位置特殊，主廠房一面緊鄰黃河，一面背靠山體，使得電氣設備布置空間受限。在分析了改造前現場實地情況后，綜合考慮了電氣線路走徑、電氣設備搬運、運行人員巡視路線等方面。電氣副廠房設備提出了兩種布置方案。

方案一：主、副廠房分開布置。副廠房距離主廠房約150 m，通過電纜溝連接。泵站副廠房為一層布置，主要設置有中控室、35 kV/10 kV 配電室、10 kV 變頻器室等。此方案電氣設備安裝檢修方便，主副廠房分開布局清晰，運行人員巡視方便，缺點是主副廠房距離150 米造成了線纜量增加，投資費用和損耗相應增加。

方案二：將10 kV 配電柜、變頻器、電容器以及低壓配電柜布置于主廠房安裝間層，主變壓器和35 kV 配電裝置布置于主廠房外，由于主廠房一面緊鄰黃河，一面背靠山體，加之還有一條通向場外的進場道路，使得主變壓器和35 kV 配電裝置只能占據山體一側，造成了山體開挖工程量大，費用高，加之主變壓器的布置造成安裝檢修不便。

以上兩種改造設計方案從使用功能上均可滿足使用要求。方案二布局緊湊，但土建開挖量較大，總體投資費用高，安裝檢修巡視不便。方案一布局清晰，安裝、巡視檢修方便，雖然造成了線纜投資費用和損耗有一定增加，但較之方案二更加合理。泵站擬改造的副廠房平面布置方案見圖1。

圖1 泵站擬改造的副廠房平面布置圖（尺寸單位：mm）

5 結語

韓城禹門抽黃一級泵站電氣設備在長年運行中出現了絕緣老化、操作不便，自動化程度低等問題，存在安全隱患。通過更換主電動機、變壓器、高低壓成套柜以及增加綜合自動化系統，使電氣設備安全可靠，操作維護簡便以及節能、使用壽命方面的性能都有顯著提高，確保了泵站電氣設備的安全、可靠的長期運行。