南濱排澇泵站電氣設計要點

吳桂良，滕 峰，羅 剛，張凱超，林錦偉

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

隨著我國經濟發展、城市規模的擴大，城市防洪排澇已成為制約城市健康發展的重要因素。近年來，因排澇設施建設滯后或不合理而導致的城市內澇災害時有發生，已對居民的生產生活造成了不良影響。南濱泵站是汕頭南濱片區重要的防洪排澇措施，泵站的建成將有力提升片區排澇能力，保障片區防洪安全。

排澇泵站電氣設計是保障排澇泵站正常運行的一個重要環節。可靠的電氣系統可以保證排澇泵站在各種運行模式下都能正常工作，從而避免由于電氣設備問題帶來的排澇泵站運行故障，進而造成城市內澇、洪水災害等嚴重后果[1]。

1 工程概況

南濱泵站位于汕頭市濠江南濱片區規劃主排渠出口，為堤身式泵站，泵站設計流量100 m3/s，水泵總裝機容量7 500 kW，自排水閘設計流量247 m3/s，并考慮漁船通航需求。主要構（建）筑物含泵房、自排水閘、粗格柵、配電間等。

根據GB 50265-2022《泵站設計規范》[2]和SL252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定，南濱泵站等別為Ⅱ等工程，規模為大（2）型，泵站主要建筑物為2 級，次要建筑物為3 級，臨時性建筑物級別為4 級。

2 電氣設計

2.1 供電電源

南濱泵站安裝有6 臺雨水泵，配套電動機采用10 kV 供電，單機容量1 250 kW。泵站內另有部分低壓輔助設備負荷，根據負荷計算結果，設置2 臺160 kVA 站用變壓器，一用一備。工程總裝機容量7 820 kW。

排澇泵站作為重要的民生設施，若供電中斷，會導致所負責的排澇區雨水無法正常排出，造成城市內澇，嚴重影響經濟發展，甚至導致人員傷亡，對人民生活、社會發展造成較大影響。因此，需要可靠的供電電源以保證當發生電力線路常見故障時，不致中斷供電或者中斷后能迅速恢復[3，4]。根據《供配電系統設計規范》，本工程確定為二級負荷。

由于本工程水泵電機單機容量較大，電壓等級較高，若采用柴油發電機作為備用電源，占地面積大，設備造價昂貴，噪音污染嚴重，實現可能性不大。故要求由市政電網接引兩回路10 kV 電源供電，一用一備，每回線路均能承擔泵站100%用電負荷。

2.2 電氣主接線

對于雙電源的6~10 kV 中壓配電系統，較常用的主接線形式主要為單母線接線、隔離開關受電和分段的單母線接線、斷路器受電和分段的單母線接線3 種方式。主接線方式的選擇應依據規模大小、電機電壓等級、運行時間以及占地面積等要求，選擇原則如下：

（1）規模較大、電機采用中壓電機的泵站，中壓系統優先選用斷路器受電和分段的單母線接線；

（2）規模較小、電機采用低壓電機的泵站，或者規模較小、電機采用中壓電機的小型泵站，中壓系統宜選用單母線接線，低壓系統采用單母線分段接線或單母線接線方式。

本工程主要用電設備為中壓電機，低壓負荷主要為小功率工藝設備、永久建筑設施和工程管理設施的照明用電等，負荷較小。考慮到中壓需設置八回饋線回路，且要求工程供電可靠性較高，在母線故障或檢修時僅允許縮小停電范圍，不得全廠斷電，故中壓主接線采用斷路器受電和分段的單母線接線。主接線圖如圖1 所示。

圖1 電氣主接線圖

2.3 電機選型

本工程雨水泵的設計轉速僅為214 r/min，轉速較低，且選用立式水泵。與之配套的驅動裝置考慮3 種方案供遴選，如表1 所示。

表1 水泵驅動方案比選

當電機級數超過20 級時，可以考慮采用同步電機，但同步電機維護工作量大，啟動時需要單獨的勵磁裝置，體積重量均較大，且本工程為排澇泵站，啟動頻率低，后期維護工作量大。

雖然國內電機廠可以生產32 級及以下異步電動機，但電機體積、重量大，運輸、安裝很不方便，電機功率因數很低，國內很少使用。

減速齒輪箱方案造價較28 級同步、異步電機略高，但電機體積、重量小，運輸、安裝方便，可以節省土建造價，并且功率因數較高，維護方便。

綜上所述，故本次推薦采用4P/6P 異步電機+減速齒輪箱方案。該方案整體體積小，運輸、安裝方便，降低了對電機運輸車輛及進廠道路拐彎半徑的要求，節約泵房起吊設備、基礎的投資，方便施工，大大節約土建造價；減速箱承受軸向推力，無需電機承受；4 級電機維護簡單，減速箱一體化設計免維護，整體維護成本低；與同步電機相比不需要額外的勵磁裝置，節約配電間面積；與大級數異步電機相比，無功補償容量少，電機整體效率高。4 級電機+減速箱方案與傳統28 級異步電動機、同步電動機相比，更適用于本工程，并且也是國內為數不多的應用于排澇泵站立式軸流泵工程的案例。

2.4 電機啟動壓降及啟動方式選擇

對于排澇泵站機組啟動方式的選擇，可以從以下3 個方面進行考慮：

（1）當采用全壓啟動時，母線及電機端子壓降是否滿足現行規范要求；

（2）當地供電部門的相關規定、要求；

（3）對于低壓電動機，當回路的開關電流達到一定值時，電動機回路直接啟動電流較大，容易燒毀斷路器或接觸器觸頭，采用軟啟動器降壓啟動比較合適。

本工程主電機均為中壓電機，且電機容量較大，啟動過程中會引起不可忽視的電壓損失。因此，設計中應先計算電動機啟動時的電壓水平，以便正確選擇啟動方式，并根據啟動電流校驗供配電和啟動設備的過負荷能力。

本工程電源取自10 kV 公共線路，進線采用YJV22-8.7/15 kV 3×150 mm2電纜，電纜長度約3.0 km，線路阻抗Xl=0.159 Ω（泵站到電機3.1 m，阻抗0.093 Ω/km）。電動機額定容量：SRM=P/0.85=1 470 kVA，額定電流啟動倍數kst=6；功率因數為0.85。變電站供電變壓器的額定容量：SrT=40 MVA；母線短路容量：Skm=200 MVA；預接負荷的無功功率：Qfh=0.6×（Srt-0.75×SrM）=23.2 Mvar。

電動機啟動時，啟動回路的額定輸入容量：

電動機啟動時，母線電壓降相對值：

電動機啟動時，端子電壓相對值：

電動機啟動電流：

由以上計算結果可知，電動機全壓啟動時的母線壓降及電動機端子電壓水平均滿足規范要求，可考慮采用全壓啟動。

經與當地電力部門溝通，由于本泵站單機容量較大，如采用全壓啟動勢必將對同一線路上的其它供電用戶的電能質量產生一定的影響。同時，由于在雨季時排澇泵站需要頻繁啟動，采用降壓啟動方式可以有效減少對機電設備的沖擊，有利于延長設備壽命。而且，目前該地區已建成的排澇泵站亦多采用降壓啟動方式。基于此，本工程考慮采用軟啟動器降壓啟動。幾種較為常見的軟啟動器對比如表2 所示。

表2 軟啟動器對比

通過比選，本工程10 kV 軟啟動采用中壓干式調壓軟啟動柜。該啟動柜采用一體化設計，體積小，安裝維護簡便，受使用環境和溫度影響較小，更適用于沿海城市惡劣環境。

2.5 無功補償

目前，常見的無功補償方式包括靜態補償和動態補償，一般可以從電壓穩定性、功率因數調節、負荷均衡和諧波濾除等方面綜合考慮、選取。

本工程主要負荷為10 kV 中壓電機，且單機容量較大、補償需求穩定，因此考慮采用電容器就地補償。該補償方式相對來說成本更低，不需要配套其他設備，依托于負載，減低了設備和線路的使用成本。

工程中其它輔助設備均為低壓負荷，容量較小且分散分布，由160 kVA 變壓器供電。考慮在變壓器低壓側設置集中補償電容，該補償方式能夠同時補償多個電纜線路和負載，沒有就地補償的控制繁瑣和管理復雜。

補償后低壓側功率因素達到0.95 以上，10 kV進線側的功率因數達0.9 以上，滿足供電部門的要求。

2.6 短路電流計算

因本工程為受電端，暫無法得到準確的短路數據，經咨詢當地電力部門后，按系統容量無窮大、供電變電站出口短路容量200 MVA 為計算條件，進線電纜為兩回3×150 mm2銅芯交聯聚乙烯電纜，供電距離3 km。計算得泵站電源進線端的短路電流為18.3 kA，變壓器低壓側短路電流為5.8 kA。依據以上計算條件，校核斷路器開斷電流、電流互感器、電纜的熱穩定電流。

中壓配電設備的額定短路開斷電流可取為25 kA，低壓主配電系統的額定短路開斷電流可取為50 kA。

3 總結

城市的防洪排澇問題已成為城市建設中越來越嚴峻的問題，為保證排澇泵站運行的安全性、可靠性，對于泵站的電氣系統設計應提高要求。在實際設計過程中，應緊密結合工程特點，經過計算確定合適的設計參數，合理進行電氣主接線選擇及機電設備選型。