韓城禹門(mén)抽黃一級(jí)泵站電氣設(shè)備改造方案探討

宋 蕊

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

泵站在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擔(dān)負(fù)著重要作用，其內(nèi)部電氣設(shè)備較多，一旦出現(xiàn)運(yùn)行故障，就會(huì)影響泵站的整體運(yùn)行效率，特別是長(zhǎng)年運(yùn)行的泵站電氣設(shè)備更容易出現(xiàn)各種問(wèn)題。因此，改造泵站內(nèi)的電氣設(shè)備勢(shì)在必行。針對(duì)泵站存在電氣設(shè)備絕緣老化、操作不靈活、能耗高、安全隱患等問(wèn)題，本文通過(guò)比選電氣設(shè)備型號(hào)、研究設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析設(shè)備能耗等方法，提出了設(shè)備改造方案，并重新合理布置電氣設(shè)備。

1 工程概況

韓城禹門(mén)抽黃一級(jí)泵站位于韓城市龍門(mén)鎮(zhèn)渚北村禹門(mén)口大橋以西300 m 處，1977 年動(dòng)工，1980 年建成。改造后主要任務(wù)是為鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉供水，兼顧城市湖泊生態(tài)補(bǔ)水。該泵站計(jì)劃改造更換水泵電動(dòng)機(jī)組3 臺(tái)，型式為臥式中開(kāi)離心泵機(jī)組（2 工1 備），設(shè)計(jì)流量為3.0 m3/s，配套電動(dòng)機(jī)功率1250 kW，泵站總裝機(jī)功率3750kW。

2 泵站電氣設(shè)備存在的問(wèn)題

（1）主電動(dòng)機(jī)型號(hào)為JSQ158-6，1980 年產(chǎn)品。主電動(dòng)機(jī)已間隔運(yùn)行約38 年左右，已達(dá)到SL 510-2011《灌排泵站機(jī)電設(shè)備報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》2.2.1 條報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)要求，且在運(yùn)行時(shí)溫度高、振動(dòng)大，安全絕性能差，電氣性能檢測(cè)不符合規(guī)程要求，存在較為嚴(yán)重的安全隱患，且JSQ158-6 型電動(dòng)機(jī)已列入國(guó)家第四批高耗能機(jī)電設(shè)備淘汰產(chǎn)品。

（2）主變壓器為SL 型鋁芯，運(yùn)行近38 年，電氣主要技術(shù)參數(shù)不符合現(xiàn)行規(guī)程要求，存在較大的安全隱患，不滿足泵站安全運(yùn)行要求，且SL 型變壓器已列入國(guó)家第一批高耗能機(jī)電設(shè)備淘汰產(chǎn)品目錄。

（3）35 kV 為DW8-35 型戶外高壓多油斷路器，外殼銹蝕嚴(yán)重，彈簧操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作卡阻，操作不靈活，動(dòng)作不可靠，多項(xiàng)電氣試驗(yàn)參數(shù)不合格，存在重大安全隱患。

（4）10 kV 高壓柜為 GG1-1A 型，母線、隔離刀閘外露，不符合“五防”性能要求，隔離刀閘操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作不靈活，操作費(fèi)力、困難。0.4kV 低壓配電柜為PGL 型，柜內(nèi)元器件絕緣老化，故障頻發(fā)，存在嚴(yán)重安全隱患，不滿足泵站安全運(yùn)行要求。

（5）泵站運(yùn)行自動(dòng)化程度低，不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)化運(yùn)行。泵站的變配電控制保護(hù)設(shè)備多采用繼電器邏輯，且設(shè)備性能已非常落后，僅能維持在現(xiàn)場(chǎng)的控制和操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控。電磁式繼電器絕緣老化，運(yùn)行不穩(wěn)定，直流系統(tǒng)老化嚴(yán)重，蓄電池大部分損壞，必須進(jìn)行更換。

3 電氣設(shè)備更新改造方案

3.1 主電動(dòng)機(jī)

主電動(dòng)機(jī)是泵站的主要傳動(dòng)設(shè)備，合理選擇電動(dòng)機(jī)能夠提高泵站的裝置效率，保證泵站安全運(yùn)行。（1）原有的JSQ 型電機(jī)效率低、損耗大，改造為高效節(jié)能的Y 型電機(jī)。（2）優(yōu)先選用10 kV 電壓等級(jí)，可有效減少降壓變損耗及基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用。同時(shí)，10 kV 電機(jī)F 級(jí)絕緣具有良好的防潮、抗老化、耐熱性能，在延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命方面效果顯著。（3）電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)按水泵運(yùn)行可能出現(xiàn)的最大軸功率選配，并留有一定的儲(chǔ)備，《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50265,選取儲(chǔ)備系數(shù)范圍為1.10～1.05，改造后選擇1.1。（4）為適用河道水位變幅，采用變頻器調(diào)節(jié)水泵揚(yáng)程，電動(dòng)機(jī)選用變頻電動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，擴(kuò)大機(jī)組安全運(yùn)行范圍[1～3]。

改造選用10 kV 高壓變頻及高效節(jié)能三相異步電動(dòng)機(jī)。

3.2 主變壓器

（1）原SL 型變壓器屬于高耗能淘汰類(lèi)產(chǎn)品。S13 型變壓器比SL 系列更節(jié)能，更合理，銅損、鐵損更小，已被電力行業(yè)廣泛應(yīng)用。改造選用S13 系列。（2）鑒于地方電網(wǎng)較為薄弱，電壓波動(dòng)較大，從有利于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，簡(jiǎn)化接線的角度出發(fā)，泵站的主變壓器選用有載調(diào)壓電力變壓器。

改造選用S13 系列有載調(diào)壓電力變壓器。

3.3 高低壓成套柜

（1）原35kV 配電裝置采用戶外敞開(kāi)式布置，該布置型式過(guò)去被廣泛采用。該布置型式的優(yōu)點(diǎn)就是投資少，不足之處是與戶內(nèi)布置方案相比占地面積較大，且布置在戶外，污染較嚴(yán)重，檢修維護(hù)工作量較大，安全可靠性較差。改造選用KYN61 戶內(nèi)交流金屬鎧裝移開(kāi)式開(kāi)關(guān)柜。（2）原10 kV 配電裝置采用GG1A 柜型，高壓柜母線、隔離刀閘外露，不符合“五防”性能要求，安全性較差，且操作不便。KYN28 鎧裝中置式開(kāi)關(guān)柜，該柜型結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，操作簡(jiǎn)便且具有可靠的五防”性能要求，檢修維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。（3）高壓柜內(nèi)采用的固封極柱式真空斷路器，具有高度集成的整體式機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，且具有封閉式主回路以及先進(jìn)的真空滅弧室，產(chǎn)品的可靠性高、使用壽命長(zhǎng)，免維護(hù)，體積小。（4）原0.4 kV 低壓配電柜采用PGL1 柜型，且柜內(nèi)接線凌亂，元件老化嚴(yán)重，故障頻發(fā)。改造選用GCS 型交流低壓配電柜，此柜型各功能單元采用模塊化設(shè)計(jì)，單元組合靈活方便，目前在電力行業(yè)廣泛應(yīng)用。

3.4 變頻器

為適用河道水位變幅，新增變頻器設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)水泵揚(yáng)程。選擇電壓源型逆變器，高壓采用IGBT (集成門(mén)極雙極晶體管)功率半導(dǎo)體。（1）采用變頻器設(shè)備后，解決了大功率1250kW 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流沖擊問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性得到明顯改善。（2）通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，由于在正常情況下無(wú)需人工干預(yù)水泵運(yùn)行，不需要頻繁的調(diào)節(jié)帶動(dòng)水泵的電動(dòng)機(jī)的輸出功率，變頻調(diào)速，可大大降低運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。（3）變頻器的合理運(yùn)用，還可降低能耗?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性明顯提高，減少了機(jī)械振動(dòng)和磨損，節(jié)能效果明顯。（4）變頻器設(shè)有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、變壓器過(guò)負(fù)荷，防人身觸電保護(hù)，因其防誤性能高，安全性大大提高。目前，變頻器在供水泵站的應(yīng)用非常廣泛，不僅安全可靠，還滿足用水量隨時(shí)變化的需要，具有明顯的節(jié)能降損作用。

3.5 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

原泵站運(yùn)行自動(dòng)化程度低，不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)化運(yùn)行。本次改造方案如下：（1）泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均按“無(wú)人值班（少人值守）”的監(jiān)控模式設(shè)計(jì)，采用開(kāi)放式分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為站控層和現(xiàn)地層兩級(jí)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)、現(xiàn)地系統(tǒng)單元和網(wǎng)絡(luò)總線三部分組成。（2）直流操作電源采用100 Ah/220 V 單母線接線，采用閥控式鉛酸蓄電池組和高頻開(kāi)關(guān)整流模塊，組屏布置于中控室。泵站設(shè)置一套不間斷電源，供計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)使用。（3）繼電保護(hù)系統(tǒng)：全站繼電保護(hù)均配置微機(jī)型保護(hù)。35 kV、10 kV 系統(tǒng)及電動(dòng)機(jī)采用微機(jī)型保護(hù)測(cè)控一體化裝置，分散裝設(shè)在成套開(kāi)關(guān)柜上。

改造完成后，除將泵站所采集的信息傳送給中央控制室外，還能夠傳送給上一級(jí)調(diào)度中心，以便為泵站機(jī)電設(shè)備的控制和檢修計(jì)劃的制訂提供原始數(shù)據(jù)。

4 電氣設(shè)備布置方案難點(diǎn)分析

由于禹門(mén)抽黃一級(jí)泵站地理位置特殊，主廠房一面緊鄰黃河，一面背靠山體，使得電氣設(shè)備布置空間受限。在分析了改造前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況后，綜合考慮了電氣線路走徑、電氣設(shè)備搬運(yùn)、運(yùn)行人員巡視路線等方面。電氣副廠房設(shè)備提出了兩種布置方案。

方案一：主、副廠房分開(kāi)布置。副廠房距離主廠房約150 m，通過(guò)電纜溝連接。泵站副廠房為一層布置，主要設(shè)置有中控室、35 kV/10 kV 配電室、10 kV 變頻器室等。此方案電氣設(shè)備安裝檢修方便，主副廠房分開(kāi)布局清晰，運(yùn)行人員巡視方便，缺點(diǎn)是主副廠房距離150 米造成了線纜量增加，投資費(fèi)用和損耗相應(yīng)增加。

方案二：將10 kV 配電柜、變頻器、電容器以及低壓配電柜布置于主廠房安裝間層，主變壓器和35 kV 配電裝置布置于主廠房外，由于主廠房一面緊鄰黃河，一面背靠山體，加之還有一條通向場(chǎng)外的進(jìn)場(chǎng)道路，使得主變壓器和35 kV 配電裝置只能占據(jù)山體一側(cè)，造成了山體開(kāi)挖工程量大，費(fèi)用高，加之主變壓器的布置造成安裝檢修不便。

以上兩種改造設(shè)計(jì)方案從使用功能上均可滿足使用要求。方案二布局緊湊，但土建開(kāi)挖量較大，總體投資費(fèi)用高，安裝檢修巡視不便。方案一布局清晰，安裝、巡視檢修方便，雖然造成了線纜投資費(fèi)用和損耗有一定增加，但較之方案二更加合理。泵站擬改造的副廠房平面布置方案見(jiàn)圖1。

圖1 泵站擬改造的副廠房平面布置圖（尺寸單位：mm）

5 結(jié)語(yǔ)

韓城禹門(mén)抽黃一級(jí)泵站電氣設(shè)備在長(zhǎng)年運(yùn)行中出現(xiàn)了絕緣老化、操作不便，自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，存在安全隱患。通過(guò)更換主電動(dòng)機(jī)、變壓器、高低壓成套柜以及增加綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，使電氣設(shè)備安全可靠，操作維護(hù)簡(jiǎn)便以及節(jié)能、使用壽命方面的性能都有顯著提高，確保了泵站電氣設(shè)備的安全、可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行。