10 kV高壓水泵變頻運行設計要點簡析

摘? 要：電耗、藥耗一直為水處理行業中重要的能源消耗及成本支出，隨著行業對節能降耗的要求越來越高，目前水廠、原水泵站的大功率水泵一般配套使用高壓變頻器，以滿足生產調度和節能的目的。根據水廠10 kV水泵電機變頻實際運行案例，對10 kV高壓水泵采用一拖二變頻、工頻補償運行控制進行介紹分析，旨在為泵房電氣設計及安裝調試人員提供參考。

關鍵詞：泵房;10 kV高壓水泵;變頻運行

中圖分類號：TM921.51? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

目前水廠基于出水壓力、流量調節、節能的目的，一般二級泵房的多臺水泵采用變頻啟動。水泵變頻一拖二運行控制，因涉及高壓柜、旁路柜、補償柜、變頻器、電機、閥門和多種工況等多方因素，運行操作較復雜。使用單位一般指定有操作規范流程，但隨著自動化程度的提高，廠內值班人員呈現年輕化、少人化;當出現自動化故障改為人工操作時，作為廠內最核心的關鍵設備，卻存在著較大的操作風險。所以，在設備端最大程度補充采用機械或電氣閉鎖關系，在現代化水廠運行中顯得尤為重要。

1? 水泵電機變頻原理及作用

根據流體力學基本定律，風機水泵類負載是典型的平方轉矩負載，其主要特點是：轉矩與轉速2次方成正比，功率與轉速3次方成正比。風機水泵類負載一般都是根據最大工作負荷來進行選型，實際工作中大部分時間并非工作于滿負荷狀態，所以只要平均轉速略微降低，負載功率就可明顯的降低，從而達到節能效果。

采用變頻器調速時，根據實際工藝壓力、流量的需要可以方便地控制速度。例如：當電機轉速為額定轉速的90%時，負載功率為額定功率的3次方，約額定功率的70%。可見，當轉速下降10%，節能可達30%。此外，使用變頻器避免了電機起動時對電網的沖擊，降低了對電網的容量要求和無功損耗。同時，降低故障率，消除設備震動和水錘現象，延長水泵和電機的使用壽命。

2? 設計實例

2017年受廈門水務集團委托，本公司對廈門市西山水廠一期工程項目開展設計工作。水廠一期設計規模為10萬噸/天，高壓進線采用10 kV雙回路、單母分段接線。送水泵房一期設計安裝4臺送水泵，3臺使用1臺備用。其中3臺送水泵功率為560 kW，1臺為280 kW;采用10 kV系統供電。

根據水廠運行工況要求，設計其中2臺水泵采用變頻一拖二運行，工頻運行采用就地電容補償方式。

其中水泵一拖二變頻運行典型的一次接線如圖1所示：1#水泵電機高壓進線柜QF1、2#水泵電機高壓進線柜QF2，高壓變頻器TF以及KM11、QS11、QS12、KM12、KM21、QS21、QS22、KM22、KM13、KM23組成旁路柜。其中QS11、QS12、QS21、QS22、QS14、QS24為手動隔離刀閘，KM11、KM12、KM21、KM22、KM13、KM23、KM14、KM24為固定式真空接觸器。

3? 設備選型分析

根據管理規范化和集約控制要求，使用單位要求對泵房多臺水泵進行集中式管理，單臺水泵可實現一鍵變頻啟動或手動工頻啟動。本次上級斷路器柜采用10 kV中置柜QF1、QF2，變頻器采用一拖二自動旁路柜，補償裝置采用就地電動補償裝置。為滿足自動化操作及操作安全的需要，變頻器要求需具有單元旁路功能，并標準配置UPS，供電時間不低于30 min;旁路柜、補償柜內均裝設電動操作的真空接觸器及手動操作的隔離開關。

本次設計水泵電機為10 kV供電，變頻器為單元串聯多電平型。因各品牌間變頻器尺寸及空間差異，設計需充分考慮變頻設備及散熱、風道、空調、風機等設備的土建安裝;補償柜需單獨布置于電容器室。因各地供電部門均有要求客戶端電網功率因數不低于0.90甚至0.95，并納入考核;目前各使用單位一般要求將內部功率因數提升至0.95左右。考慮變頻器整流作用，功率因數均大于0.95甚至接近1.00，已滿足要求。但當處于工頻運行狀態下，則需充分復核補償容量，結合運行及操作的規程、補償柜內安裝真空接觸器方式以避免產生電機自勵磁現象。

4? 運行狀態分析

本次1#水泵、2#水泵采用變頻一拖二運行，可實現的工作模式如下：

（1）1#電機、2#電機同時有1臺運行在變頻模式。

（2）1#電機、2#電機同時2臺運行在工頻模式。

（3）1#電機變頻運行，2#電機工頻運行：QF1、KM11、QS11、QS12、KM12、QF2、KM23閉合，KM13、KM21、QS21、QS22、KM22斷開。

（4）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行：QF2、KM21、QS21、QS22、KM22、QF1、KM13閉合，KM23、KM11、QS11、QS12、KM12斷開。

特別說明，變頻器運行時，不可分斷KM12和KM22。當變頻故障時，KM11、QS11、QS12、KM12、KM21、QS21、QS22、KM22斷開，變頻器處于檢修狀態。QF1、KM13閉合時，1#電機處于工頻運行。QF2、KM23閉合時，2#電機處于工頻運行。

4.1? 各設備間的連鎖關系及運行要求

（1）高壓柜、變頻器、旁路柜、補償柜滿足自身“五防”及連鎖要求。

旁路柜及補償柜、柜門均為強電閉鎖，當強電失效帶電開門時，需能跳閘該設備上級高壓柜斷路器。解決措施：增設門限開關用于串入高壓柜，關門允許高壓斷路器合閘，開門需使得高壓斷路器跳閘。

變頻器運行時，補償柜不可投入。解決措施：在補償柜合閘回路里串入變頻柜未運行的使能信號。

（2）變頻器旁路柜狀態選擇：

1）QS11～QS12與KM11之間存在電氣連鎖，QS11 ～QS12閉合時才允許合KM11，KM11斷開時才允許合QS11

～QS12。KM13與KM11、KM12電氣閉鎖，在KM13合上的時候KM11和KM12不能合上，在KM11合上的時候才能合上KM12但KM13不能合上。

2）QS21～QS22與KM21之間存在電氣連鎖，QS21 ～QS22閉合時才允許合KM21，KM21斷開時才允許合QS21～QS22。KM23與KM21、KM22電氣閉鎖，在KM23 合上的時候KM21和KM22不能合上，在KM21合上的時候才能合上KM22，但KM23不能合上。

3）KM11與KM21、KM12與KM22、KM12與KM13、KM22與KM23之間分別電氣互鎖。

4）如果1#電機工作在變頻狀態，2#電機可以工作在工頻狀態;相反如果2#電機工作在變頻狀態，則1#電機可以工作在工頻狀態;如果變頻器故障，兩臺負載都可以工頻運行。隔離開關QS11、QS12、QS21、QS22維護期間處于分閘狀態用于隔離變頻器，確保維護人員的操作安全，工作期間隔離開關處于合閘狀態。

（3）變頻器、旁路柜提供QF1和QF2的跳閘信號和合閘允許信號，邏輯關系示意如圖2所示。

（4）泵房設備關聯運行：根據泵房運行操作要求，如圖3、圖4所示分別為水泵典型的工頻及變頻操作流程。設計思路分為上位機自動運行、手動操作及就地按鈕箱操作三種模式。上位機狀態下可在值班控制室通過觸摸屏了解高壓斷路器、變頻器、機組真空閥、壓力表、進水閥門、出水閥門、就地補償柜的運行狀態。機組變頻和工頻運行分為不同界面，就地操作時按照規程操作，不滿足條件時按鈕呈現灰色并帶有文字提醒。水泵啟動過程手/自動切換設置在就地操作箱。在就地操作時，利用柜內加裝中間繼電器，可實現各步驟間的電氣閉鎖，以避免誤操作。

5? 高壓變頻器接地的作用及要求

高壓變頻器接地經常不被施工單位重視，應著重強調接地的目的：除確保安全外，還具有固定變頻裝置接地電位以防高頻的作用。接地干線應使用最短的接地線連接到接地線柱或等電位箱，設備的接地電阻不大于4 Ω，電動機的接地線也應就近接入泵房接地干線。變頻器主要接地要求如下：

（1）上級高壓饋線柜QF到變頻器的電力電纜屏蔽應連接到上級高壓饋線柜QF接地端子，即在高壓配電室內單點接地;電機側電纜的鎧裝及屏蔽層、電動機外殼需重復接地。

（2）輸入電纜和輸出電纜應當分開敷設，可采用電源線槽隔開，或者不平行敷設。高壓動力電纜與低壓動力電纜分開敷設，動力電纜與控制電纜分開敷設;控制及信號電纜采用屏蔽電纜。

（3）當使用多臺變頻器時，切勿將接地線形成環路。

6? 結? 論

根據自動化、智慧化生產要求，通過對水泵進行合理分組、采用變頻與工頻結合控制的方式、結合生產調度、出廠壓力、流量、清水池液位等參數優化配置，以達到節能降耗的目的。通過在設備端電氣、機械、五防閉鎖，在軟件界面端操作閉鎖，進一步規范操作流程，減少手動誤操作的可能。

參考文獻：

[1] 中國市政工程中南設計研究總院有限公司.給水排水設計手冊：第8冊 電氣與自控：第2版 [M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2] 謝紅軍，李璟.一拖二變頻調速技術及其在凝結水泵中的應用 [J].變頻器世界，2011（3）：84-86.

作者介紹：王永德（1986.08—），男，漢族，福建安溪人，工程師，本科，研究方向：市政、建筑電氣。