“雙高”糖料蔗基地小型泵站供電電源方案設計

嚴欣婷，廖 容，李兼伐，賀瑋彤

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

0 引言

廣西是中國最大的食糖生產地區，年產糖量占全國總產量60%以上。為保證食糖戰略物資的可靠供應，2014 年起，廣西在政策導向和資金支持等多個方面給予食糖產業大力支持，在全區持續推進經營規模化、水利現代化、種植良種化及生產機械化的優質高產高糖糖料蔗基地（簡稱“雙高”基地）建設[1]，而泵站作為“雙高”基地建設的重要內容之一，采用電網供電時，其供電電源方案設計和設備選型的合理性將直接影響到基地水利化工程項目的建設投資及日后的運行維護費用。

在“雙高”基地建設水利化項目實施過程中，除小部分甘蔗種植灌溉面積較大的片區，其泵站總裝機容量達到500～2000 kW，屬于中型泵站之外，大部分片區受甘蔗種植土地特點及土地流轉等因素影響，灌溉面積小于2000 畝，泵站總裝機容量在500 kW以下，屬于小型泵站。

泵站最主要的負荷是取水泵和加壓泵的電動機，同時還包括施肥、加藥、抽真空、照明、通風、檢修及生活電器等一些附屬小容量負荷。為滿足泵站設備用電要求，一般采用柴油發電機供電和電網供電兩種供電電源方案。由于柴油發電機供電方案運行成本高，甘蔗種植戶難以承受，除非種植片區遠離供電線路，采用電網供電建設成本過高，否則應優先選擇電網供電的方案。

在多年的“雙高”基地建設過程中，不少項目由于項目小，項目電氣設計人員不足，在泵站電網供電電源方案設計中常存在電源接入方式不科學，變壓器選型不合理，高壓側開關選用不恰當等問題，應引起相關項目建設單位和設計單位重視。

1 泵站電網供電電源方案設計

對于小型泵站，如果泵站附近已建有滿足泵站建設新增容量的公用變壓器，可采用自公用變壓器獲取泵站電源的方式，但要詳細核算公用變壓器至泵站的線路壓降能否滿足泵站電動機起動及附屬電氣設備正常工作電壓的要求。實際上，小型泵站多采用農村供電電網10 kV 公用架空配電線路“T”型接電的方式接入電源，具體接入點應事先向當地供電部門申請，由供電部門核算該配電線路是否能滿足新增泵站容量要求并對泵站接入點及接電方案進行審批。

2 10 kV高壓側接入方式選擇

對于裝機容量較大或離電網10 kV變電站較近的泵站，可采用客戶專用架空線路（或電纜）的方式，直接從變電站10 kV 母線經線路斷路器獲取電源，并建設泵站變電站或配電站來滿足泵站用電要求（見圖1）。這種接入方式主要應用于大中型泵站，在“雙高”基地建設時較少采用。

圖1 10 kV專用線路接入方式

對于裝機容量較小、離10 kV電源變電站較遠、村莊公用變壓器容量無法滿足泵站裝機容量要求的小型泵站，一般自10 kV公用架空線路通過“T”型接線方式獲取電源，具體見圖2，“T”型接線處稱為“接入點”，也是泵站與供電部門的責任分界點，分界點后屬于泵站建設及運行維護范圍，這種接入方式在“雙高”基地小型泵站建設時廣泛采用。

圖2 10 kV線路“T”型接入方式

3 電力變壓器選擇

小型泵站主要負荷為水泵配套的三相交流異步電動機，因此泵站變壓器應選用三相配電用電力變壓器。不同型式的變壓器，各有優缺點，甚至對泵站建設投資及運行維護工作及費用影響較大，在泵站設計選型時應慎重選擇。此外，變壓器容量選擇與泵站的負荷類型、功率大小以及水泵機組起動和運行方式均有關系，應科學、合理選擇。

3.1 變壓器類型選擇

電力變壓器按冷卻介質不同，分為油浸式變壓器和干式變壓器。對于泵站常用的小容量10 kV電力變壓器，油浸式變壓器采用絕緣油作為冷卻介質，通過內部油循環將變壓器工作產生的熱量帶到變壓器的散熱器（片）上進行散熱，存在漏油污染、可燃、易爆、維護相對復雜等缺點，而干式變壓器用樹脂絕緣，自然風冷時可在額定容量下長期連續運行，采用強迫風冷時，變壓器輸出容量可提高50%，同時結構簡單，無油，抗短路能力強，運行維護工作量小，但制造工藝相對復雜，成本較高，表1 為S13系列兩種容量變壓器市場價格對比表。

表1 油浸式與干式變壓器價格對比表

從表1 可見，干式變壓器價格明顯高于油浸式變壓器。當泵站采用干式變壓器時，考慮變壓器的防水、防潮和安全要求，一般采用戶外箱變或室內安裝的方式，高壓部分需要引接高壓電力電纜，同時需要占用安裝用土地面積。

當泵站采用油浸式變壓器時，可采用柱上安裝或建設戶外變壓器安裝支墩的方式進行安裝。對于泵站變壓器在315 kVA 及以下容量時，可采用柱上安裝方式，在泵房附近雙電桿的槽鋼橫擔上安裝泵站變壓器，從而節省泵站建設用地和泵站電氣部分建設成本，是最經濟的一種方式。對于泵站變壓器容量在315 kVA 以上時，考慮到變壓器本身重量及安全要求，通常將變壓器固定安裝于變壓器支墩上并配建圍墻的方式，如因征地困難等原因需采用柱上安裝時，須經過嚴格的方案論證。

3.2 變壓器繞組接線組別選擇

按配電變壓器繞組接線組別不同，分為Yyn0和Dyn11兩種[2]。為獲取照明、風扇等單相負載所需的電源，泵站變壓器低壓側都選用帶N（中性線）的接線方式。

與同容量的Dyn11 接線組別變壓器相比較，Yyn0 接線組別的空載損耗與負載損耗略小于Dyn11 接線組別，因此在過去相當長一段時間內，1000 kVA及以下容量的10/0.4-0.23 kV泵站電力變壓器，幾乎都采用Yyn0 的接線組別，但隨著電網中電力電子元件應用越來越廣泛，這些元件對電源而言是典型的非線性負載，在使用過程中會產生諧波注入電網，從而影響電網的供電質量并產生附加的諧波損耗。Dyn11 接線組別變壓器原邊接成D 形（三角形），泵站變頻器、軟起動器等設備工作時產生的三次及以上高次諧波激勵電流在變壓器原邊形成環流，相比Y 形（星形）接法，可有效抑制高次諧波電流注入電網；此外，Dyn11接線組別變壓器的零序阻抗也明顯小于Yyn0接線組別，更有利于單相接地短路故障的切除。

根據相關規范要求，Yyn0 接線組別電力變壓器，在接用單相不平衡負荷時，要求中性線電流不超過低壓繞組額定電流的25%，嚴重限制了三相不平衡時單相負荷的容量，影響了變壓器設備能力的充分利用，而Dyn11接線組別電力變壓器，中性線電流允許達到低壓繞組額定電流的75%以上。綜上所述，泵站10 kV 電力變壓器推薦采用Dyn11 接線組別配電變壓器，如圖1、圖2所示。

3.3 泵站變壓器容量選擇

泵站變壓器容量選擇是否合理，直接影響到泵站能否正常工作。變壓器容量選得過大，投資成本高，運行損耗大；變壓器容量選得小，可能無法滿足水泵起動和正常工作需要。因此，泵站變壓器的容量應根據泵站的總計算負荷以及水泵機組起動和運行方式綜合考慮進行選擇。

泵站變壓器容量按下式進行計算[3]：

式中：S—變壓器容量，kVA；P1—電動機額定功率，kW；P2—照明、生活等用電總負荷，kW；η—電動機效率；cosφ—電動機功率因數；K2—照明同時系數；K1—電動機負荷系數。

式（1）是考慮水泵機組采用軟起動或變頻起動工作方式時計算泵站所需變壓器容量的計算公式，如果水泵機組采用直接起動方式，式（1）計算變壓器容量可能難以滿足要求，隨著軟起動器和變頻器價格的不斷下降，為減小泵站變壓器容量，降低變壓器空載損耗，避免水泵起動瞬間對供水管路的沖擊，建議水泵電動機額定功率在7.5 kW 及以上時，應采用軟起動或變頻起動方式。

如果泵站設計時，明確設計有備用機組且泵站正常工作時不會起動，用式（1）計算變壓器容量時可不計入該備用機組的容量；當泵站需要起動多臺水泵工作時，應通過控制回路設計，避免同一泵房同一時間內兩臺或多臺水泵同時起動。

3.4 10 kV高壓側開關選擇

作為10 kV架空線路的一個“T”型接入點，為滿足泵站電氣檢修需求及泵站出現電氣故障時能迅速并有效地切斷與10 kV 架空線路的連接，應在接入點處設置分界開關。小型泵站常用真空斷路器和跌落式熔斷器作為分界開關。

如果分界開關在泵站內部發生故障時，不能迅速且可靠動作斷開與10 kV 架空線路的連接，或其保護動作時限與電源變電站該線路出口開關保護配合不當，均會造成變電站線路出口開關跳閘，從而造成該架空線路停電，影響到本線路上其他用戶的正常用電，應設法避免。

圖2 是采用斷路器作為泵站分界開關的接入方式。對于10 kV的斷路器，多為真空斷路器結構，斷路器內部無油，結構簡單，性能可靠，可以手動操作、電動操作或遙控器操作實現斷路器分合閘控制。斷路器由本體、操作機構、控制器三大部分組成，可與FDR型故障檢測器或RTU遙控終端等設備結合，將泵站供電融入供電部門配電自動化系統，實現架空線路故障自動定位和故障自動隔離。如采用ZW32-12 型帶控制器的真空斷路器作為泵站分界開關，配上FDR 型故障檢測器，當泵站支線發生單相接地或相間短路故障時，分界開關及時、自動分閘切除故障，變電站及配電線路其他分支用戶供電不會出現中斷；當泵站支線發生相間短路故障且分界開關保護動作時限與變電站配電線路出口開關保護動作時限配合不當，變電站配電線路出口開關先于泵站分界開關跳閘時，分界開關會在變電站配電線路保護動作跳閘后立即分閘，之后，變電站配電線路保護重合閘動作，自動合上配電線路出口開關，恢復配電線路的正常供電（相當于一次瞬時性故障），大大提高線路供電的可靠性。此外，配上RTU 遙控終端，分界開關可檢測支線的電壓、電流及功率等數據并傳送至供電部門的電力管理中心，實現對支線負荷的實時監控，在支線故障造成分界開關動作后，可主動上報故障信息，使供電部門能迅速定位故障位置并及時處理，提升故障排查及處理效率。

圖3 是采用跌落式熔斷器作為泵站分界開關的接入方式。跌落式熔斷器是10 kV配電線路分支線常用的一種短路保護開關，同時具備隔離開關功能，也是中小型泵站與10 kV 線路連接的常用電氣設備，當泵站支線出現短路故障時，短路相的熔斷器熔絲熔斷，熔絲管的上下動觸頭失去熔絲的系緊力，在熔絲管的自身重力和上、下靜觸頭彈簧片的作用下，熔絲管迅速跌落，使泵站故障相電路與供電線路相應相斷開，實現短路故障的及時切除。相比斷路器型式的分界開關，跌落式熔斷器價格低廉，安裝簡單，但是，受熔斷器工作原理、選型及質量等因素影響，自泵站支線短路故障發生至熔斷器熔絲熔斷，其切除故障時間難以準確確定，也難以與變電站配電線路出口開關保護動作時限配合，容易出現泵站支線故障引起變電站配電線路出口開關保護動作跳閘造成配電線路停電的大事故；當泵站出現短路故障時，非故障相熔斷器不會熔斷，泵站內部線路會出現部分帶電狀態，也容易引起安全事故。此外，跌落式熔斷器有嚴格的安全操作規范要求，包括不允許帶負荷操作；操作時必須配戴經試驗合格的絕緣手套，穿絕緣靴并戴護目眼鏡，使用電壓等級相匹配的合格絕緣棒進行操作；拉閘時，先拉斷中間相，再拉背風的邊相，最后拉斷迎風的邊相；合閘時，先合迎風邊相，再合背風邊相，最后合中間相；在雷電交加或者大雨的氣候下禁止操作。這一系列的操作規范及設備安全要求，對于未配備專業電氣作業人員的小型泵站而言，難以做到。

圖3 采用跌落式熔斷器的接入方式

因此，在設計小型泵站10 kV高壓側時，為合理確定接入電力系統的方式，應進行經濟技術方案比較，在經濟條件允許下，應優先選擇配套智能控制器的10 kV 高壓真空斷路器作為泵站與10 kV 架空線路的分界開關，特別是泵站變壓器容量在315 kVA 及以上時，變壓器充電時勵磁涌流比較大，不宜采用分相手動合閘的跌落式熔斷器作為泵站與10 kV架空線路的分界開關。

為便于泵站電氣檢修時形成明顯可靠的斷開點，在安裝位置允許的情況下，建議在泵站接入點處安裝刀閘開關作為隔離開關（如圖2、圖3所示），當泵站電氣設備（包括分界開關）需要檢修時，可在泵站分界開關處于分位情況下，操作分開接入點的隔離開關，此時10 kV線路無需停電，即可開展泵站電氣設備的檢修。如未選裝隔離開關，則應安裝帶電接線環，以便在線路不停電的情況下對泵站分界開關進行帶電檢修。

4 結語

小型泵站的設計和建設是“雙高”基地建設的重要內容，應科學選擇泵站供電電源10 kV 高壓側接入方式，合理選擇高壓開關和電力變壓器。本文結合小型泵站10 kV 供電電源常見方案，分析了10 kV專用供電線路與10 kV架空線路“T”接的電源接入方式選用條件，介紹了油浸式變壓器和干式變壓器及Yyn0和Dyn11兩種變壓器繞組接線組別特點，比較了真空斷路器和跌落式熔斷器作為泵站分界開關的優缺點，提出了變壓器類型選擇要點和優先選用Dyn11 接線組別的建議，倡議在接入點處安裝隔離開關或帶電接線環來解決泵站支線檢修問題，可供泵站設計單位及建設單位參考。