大中型潛水泵站供配電系統(tǒng)設計

郭文會

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司 中山市 528403）

潛水泵技術近年來發(fā)展較快，特別在低揚程（2 m～4 m）范圍內，機組裝置效率高，比相同比轉速的軸流式水泵高出約2%～5%，特別適用于低揚程的抗旱排灌泵站。 筆者參與設計完成多座大型潛水排灌泵站，積累了一定實踐經驗，以下是在供配電系統(tǒng)設計中的一些體會和經驗，供電氣專業(yè)人員參考。

1 供電電源

盡管《泵站設計規(guī)范》（GB 50265-2010）和《潛水泵站技術規(guī)范》（SL 584-2012）沒有明確泵站的負荷等級及供電方案，但大中型排灌泵站中斷供電將對當?shù)亟洕斐芍卮蠡蜉^大損失，筆者認為依據(jù)《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB 50052-2009），大中型排灌泵站負荷等級宜不低于二級，應采用雙回線路供電，泵站負荷較小時可采用一回6 kV 以上專用的架空線路供電；當采用雙回時，應按每一回路承擔泵站全部容量設計。

在泵站設計過程中，現(xiàn)階段可能暫時沒有條件取得雙回路電源，但亦應按雙回路電源進行設計，泵站高壓配電房、電氣設備選擇、自動化控制系統(tǒng)均應按雙回路電源供電方案進行設計。 且現(xiàn)在很多工程建設、運行管理是分開的，建設單位獲得建設資金相對容易，運行管理單位獲得技術改造資金較為困難。雙回路電源設計方案盡管部分設備暫時沒有運行，但當條件具備后，運行管理單位不需要另外投入資金，或投入少量資金就可立即投入使用，給運行管理單位帶來極大方便。

2 主接線

對于電氣主接線《泵站設計規(guī)范》要求設計根據(jù)泵站性質、規(guī)模、運行方式、供電接線以及泵站重要性等因素合理確定，并沒有具體說明接線具體方式。根據(jù)筆者經驗規(guī)模較大、臺數(shù)較多的泵站（裝機容量5 000 kW、臺數(shù)5 臺及以上）宜采用雙回路進線單母線分段接線（圖1）；規(guī)模較小、臺數(shù)較少的泵站可采用雙回路進線單母線接線（圖2），這種接線方式接線簡單、清晰，較單母線分段接線減少了進線柜、電壓互感器柜、計量柜及母聯(lián)柜，不僅節(jié)省了電氣設備投資，而且還減少了高壓配電室的土建尺寸，降低了土建造價，從已經投入運行的幾座泵站來看，這種接線母線沒有發(fā)生故障，可靠性較高。另外，這種接線還是已建泵站雙電源改造的優(yōu)選方案，特別是高壓配電房尺寸受限條件下。

圖1 雙回路進線單母線分段接線

圖2 雙回路進線單母線接線

3 功率因數(shù)補償

大中型潛水泵多采用高壓異步電動機，干式潛水電動機功率因數(shù)一般為0.65～0.8，濕式潛水電動機功率因數(shù)一般為0.8～0.85，根據(jù)《供電營業(yè)規(guī)則》大、中型電力排灌站功率因數(shù)為0.85 以上即可，但電力部門往往要求功率因數(shù)0.9 以上，因此潛水泵站均需要進行功率因數(shù)補償。功率因數(shù)補償方式有母線集中補償和單機就地補償，前者適用于小型低壓機組，對于大中型潛水泵站，其特點是機組臺數(shù)不多、且單機容量較大，宜采用單機就地補償方式進行補償。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》6.0.12 條規(guī)定：“接在電動機控制設備側電容器的額定電流，不應超過電動機勵磁電流的0.9 倍”。 電動機單機就地補償容量的選擇應以補償回路的電流不大于電動機的勵磁電流的0.9 倍為準。 電動機單機補償容量Qc的計算公式有兩種方法：

（1）按電動機的空載電流選擇。

式中 Qc——電動機補償容量（kVar）；

Ue——電動機的額定電壓（kV）；

I0——電動機的空載電流（A）。

（2）按電動機補償前后的功率因數(shù)選擇。

式中 P1——電動機的輸入功率（kW）；

tanφ1——補償前的功率因數(shù)角的正切值；

tanφ2——補償后的功率因數(shù)角的正切值，一般補償后的功率因數(shù)cosφ2取值為0.94～0.96。

兩種計算方法計算出的Qc值結果往往不一致，大多數(shù)情況第（2）種方法計算值小于第（1）種方法的計算值，這時以第（2）種方法計算結果為準；若果第（2）種方法計算出的值大于第（1）種方法的計算值時，則以第（1）種方法的計算結果為準。

特別注意的是上述方法計算出的是電動機需要補償?shù)娜萘?，并不是選用補償裝置的標稱容量（即補償電容器的安裝容量），補償裝置的標稱容量選擇要考慮補償裝置串聯(lián)電抗及電容器電壓差異引起容量變化的影響。如某工程6 kV 電動機選用串聯(lián)電抗器的補償裝置進行單機補償，補償裝置每相串聯(lián)安裝BFM-6.6/√3-50-1型電容器和CKDG-3/6-6型電抗器，對補償裝置實際補償容進行核算，其中電抗器容量為3×3=9 kVar，電容器電壓差異引起的容量變化3×50×（6/6.6）2=123 kVar，所以補償裝置實際的補償容量為123-9=114 kVar。

4 機組啟動

機組應優(yōu)先采用全電壓直接啟動方式，該啟動方式優(yōu)點是接線簡單、可靠，啟動轉矩大，設備及土建投資少；但缺點是啟動電流大、在配電母線上引起的電壓降大。采用全電壓直接啟動，應符合母線電壓降不宜超過額定電壓的15%的要求。 電動機啟動時電壓降計算可按《工業(yè)與民用配電設計手冊》 第三版第六章的方法進行計算。

電動機啟動計算應按系統(tǒng)最小運行方式和機組最不利的運行組合形式進行，當同一母線上全部連接異步電動機時，應按最后1 臺最大電動機進行啟動計算；當同一母線上連接有同步電動機和異步電動機時，應按全部異步電動機投入運行，再啟動最大一臺同步電動機的條件進行啟動計算。

電動機啟動時，電壓降落與系統(tǒng)容量、主變壓器容量、機組容量密切相關，系統(tǒng)容量、主變壓器越大，機組容量越小，啟動時電壓降落越小。 經啟動計算，若全電壓直接啟動不能滿足要求時，就宜采用采用降壓啟動方式，雖然《泵站設計規(guī)范》第10.5.1 條“當電動機啟動引起的電壓波動不致破壞其他用電設備正常運行，且啟動電磁力矩大于靜阻力矩時，電壓降可不受15%額定電壓的限制”，筆者建議條件許可的情況下最好能夠采用降壓啟動，特別是泵站供電電源引自地區(qū)變電站，泵站不安裝主變壓器的情況。高壓異步電動機最常用的降壓啟動方式是采用高壓軟啟動裝置，按應用不同技術可分為液阻型、固態(tài)可控硅型和干式可變電抗調壓型。

5 過電壓保護

對于直接與架空線路連接的電動機（簡稱直配電機），為了抑制雷電侵入波過電壓對電動機絕緣的損害，應對其進行雷電過電壓保護，對于容量小于1 500 kW 及以下的直配電機可采用圖3 所示的保護接線。 現(xiàn)階段國內潛水泵廠家生產的水泵機組容量大多小于1 500 kW，對于容量大于1 500 kW 的電動機的過電壓保護應《水力發(fā)電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則》和《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中對旋轉電機的過電壓保護要求進行。

圖3 （a）進線段采用FE 的保護接線；（b）進線段采用避雷線的保護接線；（c）進線段采用避雷針的保護接線

避雷器F1、F2 也可以選用金屬氧化物型避雷器，裝設時應盡量靠近電動機，F(xiàn)2 可安裝在潛水泵機組就地接線箱內；裝在配電母線上的電容器-避雷器組（F1-C）與電動機之間的電氣距離超過50 m時，應在電動機進線端加裝一組避雷器。

安裝在配電母線上的電容器是為了保護直配電機匝間絕緣和防止感應過電壓，其每相容量應為（0.25～0.5）μF，對于中性點不能引出的電動機，其每相容量應為（0.1.5～2.0）μF。 電容器應有短路保護。對于采用圖3（b）方式，保護直配電機用的避雷線，對邊導線的保護角不應大于30°。

6 機組保護

潛水泵機組應按照《泵站設計規(guī)范》和《潛水泵站技術規(guī)范》要求裝設電動機相間短路保護、低電壓保護、過負荷保護、單相接地保護和機組超溫保護外，還應監(jiān)視機組是否漏水、漏電，并對電動機的絕緣電阻值進行監(jiān)測。

（1）對于電動機相間短路，2000 kW 及以上的電動機應采用縱聯(lián)差動保護；2 000 kW 以的電動機應兩相式電流速斷保護，當靈敏度不能滿足要求時，應采用縱聯(lián)差動保護，兩種保護均應動作于斷開電動機斷路器。

（2）電動機低電壓保護，低電壓整定值應為40%～50%電動機額定電壓，時限宜為0.5 s，動作于斷開電動機斷路器。

（3）單相接地保護，規(guī)范條文要求接地電流大于5 A 應裝設接地保護。 筆者經驗當供電電源采用架空線路時，一般可以裝設；但當采用電纜線路時，宜裝設。 以10 kV 240 mm2電纜為例，其單相接地電流可達1.6 A/km。單相接地保護5 A 報警，10 A 動作于斷開電動機斷路器。

（4）過負荷保護，保護整定值一般取1.05 倍電動機-電容器組電流值，整定時間一般可取（10～15）s。

（5）機組超溫保護，對于電動機三相繞組、軸承箱溫度應進行監(jiān)測，溫度升高進行告警，溫度過高動作于斷開電動機斷路器，整定值按潛水泵廠家要求進行。

（6）潛水泵機組電動機長期浸泡在水中，電動機、電動機接線盒、油室均可能發(fā)生進水情況，當機組發(fā)生漏水、漏電情況時進行告警或跳閘，應選用潛水泵廠家專用的潛水泵保護裝置進行保護。

絕緣監(jiān)測均宜采用靜態(tài)或動態(tài)方式對電動機繞組的對地絕緣電阻進行自動監(jiān)測，開機前先開啟絕緣監(jiān)測設備對電動機進行自動檢測，當絕緣電阻滿足要求時（≥50 MΩ），緣監(jiān)測設備宜自動退出，達到開機條件，否則應閉鎖電動機啟動回路，不能開機。絕緣監(jiān)測設備應選用潛水泵廠家專用設備。

7 結語

做好潛水泵站電氣設計還應注意接地、自動控制、設備布置、防火和防潮等方面內容，筆者僅從以上幾個方面對潛水泵站電氣設計進行闡述，希望對潛水泵站工程的建設提供借鑒和參考。

1 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2005.

2 皮積瑞，解廣潤.機電排灌設計手冊（第二版）[M].北京：水利電力出版社，1992.