洼地治理工程沿潁洼地兩河口泵站電氣設(shè)計(jì)淺析

劉 琛

（安徽省阜陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 阜陽(yáng) 236000）

1 工程概況

兩河口電力排灌站位于潁泉區(qū)聞集鎮(zhèn)兩河口村境內(nèi)，沙潁河右岸。兩河口站建于1967 年，總裝機(jī)1820kW，安裝32SH-19 型水泵配JSQ157-7-10 型電機(jī)7 臺(tái)套。

該站因建設(shè)年代久遠(yuǎn)，各類(lèi)設(shè)施設(shè)備陳舊老化，裝置效率降低，經(jīng)鑒定其安全類(lèi)別為四類(lèi)，需拆除重建。規(guī)劃參數(shù)發(fā)生較大變化，原泵型已不能適應(yīng)，此次重建工程機(jī)電設(shè)備全部更新。該站凈揚(yáng)程0～9.50m，灌溉流量7.2m3/s，排澇流量18.5m3/s，據(jù)本站流量揚(yáng)程特點(diǎn)，適合選用的泵型為立式軸流泵或混流泵。泵站灌溉、排澇流量和揚(yáng)程相差較大，排灌機(jī)組分開(kāi)選型。選用5 臺(tái)1200ZDB-100 型潛水軸流泵。灌溉機(jī)組選擇3 臺(tái)900ZDB-50 型潛水軸流泵。均選用額定功率為315kW、額定電壓10000V、極數(shù)為12 極的異步電動(dòng)機(jī)作為本站主電機(jī)。

2 泵站電氣設(shè)計(jì)

2.1 供電方式

兩河口站為重建工程，主要用途為所轄灌溉區(qū)域提供農(nóng)田排澇和灌溉，根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50052-2009)，該站供電負(fù)荷等級(jí)為三級(jí)。供電電源為現(xiàn)有35kV 輸電線路，此次工程擬對(duì)管理范圍內(nèi)的架空線路進(jìn)行維修，維修線路長(zhǎng)度約為1.5km。

2.2 電氣主接線

泵站設(shè)8 臺(tái)潛水軸流泵，其中排澇機(jī)組5臺(tái)，配套高壓潛水異步電機(jī)型號(hào)為YQGN850-12-315kW，單機(jī)容量為315kW，額定電壓10kV，額定功率因數(shù)0.76，電機(jī)效率為92.5%；灌溉機(jī)組另設(shè)3 臺(tái)潛水軸流泵，配套高壓潛水異步電機(jī)型號(hào)為YQGN850-12-315kW，與排澇機(jī)組相同；另有泵站室內(nèi)外照明負(fù)荷、站用輔助設(shè)備負(fù)荷、中控室用電、管理所用電等。

排澇最大運(yùn)行方式為5 臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，灌溉工況3 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。泵站高、低壓設(shè)備用電計(jì)算負(fù)荷大約3449.6kVA，其中35kV 總計(jì)算負(fù)荷約3360kVA，0.4kV 總計(jì)算負(fù)荷約89.6kVA（折算到35kV 側(cè)）。

電氣主接線的接線確定應(yīng)是綜合考慮系統(tǒng)狀況、建設(shè)規(guī)模、接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)等因素；電氣主接線應(yīng)滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性的要求以及電力系統(tǒng)對(duì)泵站水泵運(yùn)行方式的要求，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足供電可靠、運(yùn)行靈活、檢修方便、接線簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和分期過(guò)渡、經(jīng)濟(jì)合理等要求。

泵站配電側(cè)的電氣主接線方式主要有單母線接線和單母線分段接線兩種。相對(duì)于單母線分段接線，單母線接線更為簡(jiǎn)單、設(shè)備相對(duì)較少、投資較低，但是可靠性與靈活性不如分段方式接線。水泵臺(tái)數(shù)裝設(shè)較少的泵站一般采用單母線接線；對(duì)于水泵臺(tái)數(shù)較多的泵站，主接線均采用單母線分段接線的接線方式，為了避免某一個(gè)饋電環(huán)節(jié)發(fā)生電氣故障時(shí)切換不及時(shí)，影響整個(gè)配電系統(tǒng)造成整個(gè)泵站停電，單母線接線難以滿(mǎn)足可靠性的要求，為了降低這種故障的風(fēng)險(xiǎn)，需采用單母線分段接線的電氣主接線方式。

結(jié)合該站運(yùn)行方式特點(diǎn)，本著滿(mǎn)足運(yùn)行需要和節(jié)省投資，降低運(yùn)行費(fèi)用等原則對(duì)本站電氣主接線擬定了兩個(gè)可行方案進(jìn)行比選，見(jiàn)表1。

表1 兩河口站主接線方案比較表

方案一：設(shè)一臺(tái)主變，容量為5000kVA，帶8 臺(tái)機(jī)運(yùn)行，10kV 機(jī)壓側(cè)采用單母線接線，35kV 側(cè)為線路—變壓器組單元接線，主變高、機(jī)壓側(cè)均設(shè)斷路器。

方案二：設(shè)二臺(tái)主變，容量分別為2500kVA，各帶4 臺(tái)機(jī)運(yùn)行，10kV 機(jī)壓側(cè)分兩段單母線，每段單母線分別由4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)和1 臺(tái)主變壓器組成，35kV 側(cè)為變壓器—線路組單元接線，主變高、低壓側(cè)均設(shè)斷路器。

經(jīng)兩個(gè)方案比較：雖然方案二較方案一變配電設(shè)備及投資多，但主變、母線檢修或故障時(shí)，部分機(jī)組仍能運(yùn)行，可靠性和靈活性高，便于調(diào)度運(yùn)行，同時(shí)在灌溉運(yùn)行和排澇機(jī)組未滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行情況下主變損耗小。

綜上所述，該階段推薦方案二為本站電氣主接線方案。

2.3 主要電氣設(shè)備選擇

2.3.1 主變壓器選擇

單臺(tái)電動(dòng)機(jī)（水泵軸功率為267.5kW）視在容量為410.2kVA，5 臺(tái)機(jī)運(yùn)行容量為2051.5kVA，再加上站用電容量約89.6kVA，計(jì)算所需主變壓器的容量為2140.6kVA。選用容量為2500kVA 的2 臺(tái)S22-2500/35±2×2.5%/10.5 型變壓器。

2.3.2 其他電氣設(shè)備選擇

為保證所選的電氣設(shè)備運(yùn)行安全、可靠，除按正常工作狀況下所在回路的最高工作電壓和最大工作電流來(lái)進(jìn)行選擇外，還按最大運(yùn)行方式下最不利的短路情況，對(duì)電氣設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定進(jìn)行校驗(yàn)，以保證電氣設(shè)備在短路情況下，不致受到破壞，并能安全切斷電流，避免短路故障事態(tài)的擴(kuò)大。經(jīng)選擇和校驗(yàn)，35kV 側(cè)KYN61-40.5 型中置金屬鎧裝式高壓開(kāi)關(guān)柜，柜內(nèi)選配LVB-40.5 型真空斷路器，LZZBJ9-35Q 型電流互感器。10kV 側(cè)選用KYN28A-12 型中置金屬鎧裝式高壓開(kāi)關(guān)柜，柜內(nèi)選配LVB-12 型真空斷路器，LZZBJ9-10Q 型電流互感器；0.4kV 選用MNS 抽屜式低壓配電屏，屏內(nèi)選配TS 型空氣開(kāi)關(guān)，SDH-0.66 型電流互感器。

2.4 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和無(wú)功補(bǔ)償方式

2.4.1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

為降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，減少變壓器容量，機(jī)組采用高壓軟啟動(dòng)方式。

同時(shí)對(duì)起動(dòng)力矩進(jìn)行了校核，當(dāng)水泵靜阻力矩為額定力矩的30%，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.1 時(shí)，起動(dòng)電壓僅需額定電壓的54%，起動(dòng)力矩足以克服靜阻力矩，機(jī)組起動(dòng)時(shí)間和主電動(dòng)機(jī)熱穩(wěn)定均符合校驗(yàn)。

2.4.2 無(wú)功補(bǔ)償方式

由于本站電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為0.76，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50265）第10.4.2 規(guī)定對(duì)本站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，采用母線分段集中補(bǔ)償方式。10kV 母線每段補(bǔ)償容量為750kVar，將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9 以上。

2.5 站用電系統(tǒng)

站用變壓器容量的選擇是按以下兩種可能出現(xiàn)的最大站用負(fù)荷運(yùn)行方式來(lái)考慮。（1）全部機(jī)組運(yùn)行；（2）一臺(tái)機(jī)組檢修，其余機(jī)組運(yùn)行。選容量為160kVA 的站變1 臺(tái),其型號(hào)為：SC(B)18-160/1010±5%/0.4kV，站變接自10kV 機(jī)壓母線。

考慮到本站不運(yùn)行時(shí)檢修用電，另選用一臺(tái)SC(B)18-160/35 型站用變壓器。從35kV 母線引接電源。站變低壓側(cè)通過(guò)MNS 低壓配電屏向供水泵、閘門(mén)啟閉機(jī)、機(jī)修及照明等站用電負(fù)荷供電。同時(shí)考慮重要負(fù)荷及消防需要設(shè)置一臺(tái)91kW 柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源。

2.6 電氣設(shè)備布置

廠房?jī)?nèi)安裝5 臺(tái)機(jī)組，作一列布置，在出水側(cè)布置有機(jī)機(jī)組就地控制箱。室內(nèi)35kV 變電所位于廠房右側(cè)，共分兩層，布置在泵站主廠房一側(cè)的副廠房?jī)?nèi)，一層設(shè)有35kV 配電室、10kV 配電室、電容器室、變壓器室、工具間等；二層設(shè)置直流電源及LCU 室、中控室和其他輔助性房間。

2.7 繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50265）及《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50062）有關(guān)條款的規(guī)定，對(duì)本站繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行配置，保護(hù)裝置選用國(guó)內(nèi)成熟的定型微機(jī)保護(hù)裝置。具體配置如下：

2.7.1 主變壓器保護(hù)

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)：作為主變內(nèi)部及其引出線故障的主保護(hù)，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳開(kāi)主變高、低壓側(cè)斷路器，并發(fā)出事故信號(hào)。

瓦斯保護(hù)：作為主變內(nèi)部故障的主保護(hù)，分為重瓦斯和輕瓦斯保護(hù)。其中重瓦斯保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳開(kāi)主變兩側(cè)斷路器，并發(fā)出事故信號(hào)；輕瓦斯保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)。

過(guò)電流保護(hù)：用于防止外部相間短路引起過(guò)電流(兼作主變內(nèi)部短路的后備保護(hù))；保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)：用于防止主變因過(guò)載而引起的過(guò)電流；保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)。

溫度升高保護(hù)：用以防止主變溫度升高。保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)或跳閘。

2.7.2 電動(dòng)機(jī)電壓母線（10kV 母線）保護(hù)

帶時(shí)限電流速斷保護(hù)：作為母線短路故障的主保護(hù)，保護(hù)帶延時(shí)動(dòng)作斷開(kāi)母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)。

低電壓保護(hù)：保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于斷開(kāi)母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)。

絕緣監(jiān)視：當(dāng)母線發(fā)生單相接地時(shí)，保護(hù)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)。

2.7.3 異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)

電流速斷保護(hù)：作為定子繞組（包括電動(dòng)機(jī)引出電纜）相間短路的主保護(hù)；保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)：用于防止電動(dòng)機(jī)或水泵因卡、纏所引起的過(guò)負(fù)荷；保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)。

低電壓保護(hù)：用于防止由于電網(wǎng)電壓大幅度下降或消失所引起的電動(dòng)機(jī)過(guò)電流和不穩(wěn)定運(yùn)行。保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于跳開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器。

溫度保護(hù)：軸承、線圈溫度升高和過(guò)高保護(hù)。溫度升高動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)；溫度過(guò)高動(dòng)作于跳開(kāi)電動(dòng)機(jī)斷路器。

單相接地保護(hù)：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本站電動(dòng)機(jī)回路處發(fā)生單相接地短路時(shí)，其單相接地短路電流小于5A，故可不設(shè)單相接地保護(hù)。

絕緣電阻監(jiān)測(cè)保護(hù)：電機(jī)配套專(zhuān)用監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置對(duì)潛水電機(jī)的軸承、繞組超溫，電機(jī)、油室和接線盒進(jìn)水，電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電阻等進(jìn)行監(jiān)測(cè)保護(hù)。

2.7.4 35kV 站用變壓器的保護(hù)

電流速斷保護(hù)：作為站變內(nèi)部及其引出線故障的主保護(hù)，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳開(kāi)站變高壓側(cè)斷路器，并發(fā)出事故信號(hào)。

過(guò)電流保護(hù)：用于防止外部相間短路引起過(guò)電流(兼作主變內(nèi)部短路的后備保護(hù))；保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)：用于防止主變因過(guò)載而引起的過(guò)電流；保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)。

溫度升高保護(hù)：用以防止主變溫度升高。保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)或跳閘。

2.7.5 10kV 站用變壓器的保護(hù)

電流速斷保護(hù)：作為站變內(nèi)部及其引出線故障的主保護(hù)，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳開(kāi)站變高壓側(cè)斷路器，并發(fā)出事故信號(hào)。

過(guò)電流保護(hù)：用于防止外部相間短路引起過(guò)電流(兼作主變內(nèi)部短路的后備保護(hù))；保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)：用于防止主變因過(guò)載而引起的過(guò)電流；保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)。

溫度升高保護(hù)：用以防止主變溫度升高。保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)出故障信號(hào)或跳閘。

3 結(jié)論

不同的泵站對(duì)供配電的要求不同，在泵站的供配電設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先考慮供電電源和電氣主接線，是泵站電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，直接決定了泵站電氣的建設(shè)投資和運(yùn)行成本，在設(shè)計(jì)的前期統(tǒng)籌考慮，根據(jù)泵站對(duì)供電可靠性的要求，合理地確定供電電源的回路數(shù)、供電電壓、供電距離，以及可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)的電氣主接線方案。兩河口泵站為減少發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和出現(xiàn)故障的頻率，選擇單母線分段接線為電氣主接線形式，同時(shí)在泵站日常運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)不同的運(yùn)行工況投入主變臺(tái)數(shù)，以降低主變損耗，滿(mǎn)足泵站運(yùn)行管理單位需求■