淺談防洪排澇泵站的電氣設(shè)計(jì)

杜根興

[摘 ? ?要 ]洪災(zāi)及城市內(nèi)澇這類(lèi)自然災(zāi)害對(duì)居民生活帶來(lái)巨大影響，直接造成的經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估量。隨著中國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，城市防洪排澇， 城市防洪排澇泵站的建設(shè)顯得尤為重要。本文針對(duì)城市防洪排澇泵——下林泵站的電氣設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析研究，提出可行性電氣設(shè)計(jì)方案并加以分析，希望為后續(xù)的防洪排澇泵站的電氣設(shè)計(jì)工作提供理論性的指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]防洪排澇;泵站;電氣一次設(shè)計(jì)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273;TV675 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]Natural disasters such as flood and urban waterlogging have a great impact on people's lives， and the direct economic losses are incalculable. With the development of urban construction in China， the construction of urban flood control and drainage pump station is particularly important. In this paper， the electrical design of flood control pump station is analyzed.

[Keywords]flood control and drainage; pumping station; primary electrical design

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 用電負(fù)荷及供電方式

1.1.1 閘泵用電負(fù)荷

下林閘泵泵站水泵3臺(tái)，每臺(tái)水泵配套電機(jī)功率為280 kW，額定電壓為10 kV。泵站進(jìn)口攔污柵3扇，每扇配套電機(jī)功率4.0 kW;進(jìn)口檢修閘門(mén)一扇，電機(jī)功率為7.5 kW;泵站起吊設(shè)備電動(dòng)葫蘆一臺(tái)，配套電機(jī)功率8 kW;以及泵站照明檢修等用電約40 kW，總負(fù)荷共計(jì)約907.5 kW。

下林水閘工作閘門(mén)啟閉機(jī)兩套，功率為15 kW，進(jìn)口檢修閘門(mén)一扇，電機(jī)功率為7.5 kW，出口檢修閘門(mén)一扇，電機(jī)功率為7.5 kW。以及水閘照明檢修等用電約15 kW，總負(fù)荷共計(jì)約60 kW。

本工程共計(jì)用電負(fù)荷約967.5 kW。

1.1.2 負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)條件，本工程用電設(shè)備如表1、表2所示。

1.1.3 供電方式

下林泵站的工程任務(wù)是防洪、排澇。由于當(dāng)?shù)嘏_(tái)汛期間電網(wǎng)的供電可靠性較低，特別考慮臺(tái)風(fēng)在當(dāng)?shù)氐顷懚彼斖械膼毫託夂驐l件下，外江高水位時(shí)利用下林泵站排水，以降低內(nèi)澇洪水位要求，保障人民群眾生命及財(cái)產(chǎn)安全。作為非常情況下的應(yīng)急需要，以及為確保運(yùn)行的可靠性，用電負(fù)荷等別擬定為二級(jí)，采用兩回電源對(duì)下林泵站供電，以保證用電可靠性。根據(jù)工程所處位置，供電主電源擬從工程附近的江嶼110 kV變電站引一回10 kV電纜專(zhuān)線(xiàn)對(duì)閘泵站供電，10 kV進(jìn)線(xiàn)電源不在本電氣工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。另在泵站設(shè)置10 kV柴油發(fā)電機(jī)組作為下林泵站的備用電源，兩路電源應(yīng)設(shè)切換閉鎖裝置。

下林水閘設(shè)施具有內(nèi)河排澇泄洪的要求，負(fù)荷供電要求較高，用電負(fù)荷等別擬定為二級(jí)。為保證供電可靠性，選用一臺(tái)SC13-125/10型干式室內(nèi)變壓器作為站用電供電電源，接在10 kV電壓母線(xiàn)上。因高壓柴油發(fā)電機(jī)使用頻率低，故另設(shè)一臺(tái)低壓柴油發(fā)電機(jī)組，在下林泵站非運(yùn)行期間可承擔(dān)下林水閘運(yùn)行、檢修、調(diào)試、辦公及生活用電，讓高壓柴油發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行以減少油耗。

1.2 水泵電機(jī)選擇

同步電機(jī)因?yàn)橛袆?lì)磁繞組和滑環(huán)，增加了機(jī)電設(shè)備及相應(yīng)的故障率，比起異步電機(jī)的免維護(hù)來(lái)，維護(hù)工作量較大;異步電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在運(yùn)行、維護(hù)及可靠性方面要優(yōu)于同步電動(dòng)機(jī);在價(jià)格上異步電動(dòng)機(jī)也比同步電動(dòng)機(jī)便宜;同步電機(jī)效率高，但本工程電機(jī)功率280 kW，功率較小，效率的差別不大;近年來(lái)，在溫州地區(qū)的泵站工程中采用異步電動(dòng)機(jī)較多，運(yùn)行部門(mén)已取得了一些的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。綜合以上幾點(diǎn)，工程水泵采用三相異步電動(dòng)機(jī)。

1.3 水泵電機(jī)機(jī)端電壓比較

方案一：機(jī)端電壓采用6 kV

每臺(tái)機(jī)組均配置軟起動(dòng)器，主變選用S11-□ kVA-10.5/6 kV節(jié)能型變壓器。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)端電流較小。

缺點(diǎn)：由于6 kV和10 kV電壓屬于同一電壓等級(jí)，變壓器高低壓側(cè)電壓差距小，此變壓器屬非標(biāo)產(chǎn)品，投資相對(duì)較高。泵站運(yùn)行中主變電能損耗永久產(chǎn)生，每年的電能損耗費(fèi)用較高。

方案二：機(jī)端電壓采用10 kV

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50265-2010）》：當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件相近時(shí)，電動(dòng)機(jī)額定電壓宜優(yōu)先選用10 kV。這樣可以大大改善機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行工況，提高泵站運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于該工程供電電源是10 kV，水泵電機(jī)采用直配線(xiàn)供電，工程不設(shè)置主變壓器。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）機(jī)端電流小。

（2）直配線(xiàn)方案取消了主變壓器及相應(yīng)的二次控制保護(hù)設(shè)備，綜合一次性投資及日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用降低，且不再產(chǎn)生主變電能損耗，大大降低了運(yùn)行成本。

（3）水泵機(jī)組直接與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)連接，水泵容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所連接變電所主變?nèi)萘?，大大改善了機(jī)組的啟動(dòng)特性。

缺點(diǎn)：直配線(xiàn)方式對(duì)泵站的防雷過(guò)電壓保護(hù)要求較高。

機(jī)端電壓技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表3所示。

上述兩種方案供電可靠性均較高，都能夠滿(mǎn)足泵站供水保障率的要求，通過(guò)分析比較推薦方案二為選定的機(jī)端電壓方案，即水泵機(jī)組選用10 kV電壓等級(jí)。

1.4 水泵起動(dòng)方式比較

1.4.1 直接啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，省投資，但存在以下缺點(diǎn)：

①電動(dòng)機(jī)直接全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流會(huì)在線(xiàn)路上產(chǎn)生較大的壓降，影響并聯(lián)在電網(wǎng)上的其它設(shè)備的正常運(yùn)行。

②電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生短時(shí)的沖擊電流，導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加。

③直接全壓?jiǎn)?dòng)還會(huì)在高壓開(kāi)關(guān)關(guān)合時(shí)產(chǎn)生陡度很大的操作過(guò)電壓，對(duì)其絕緣造成極大的傷害。

④對(duì)水泵類(lèi)負(fù)荷來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，水流會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到全速，因此會(huì)破壞管道。如果水泵前面的管路比較長(zhǎng)，當(dāng)水泵電機(jī)突然停止時(shí)，高速的水流會(huì)沖擊到水泵的葉輪上，產(chǎn)生很大的沖擊力，會(huì)使葉輪變形或損壞。

1.4.2 高壓固態(tài)軟起動(dòng)

高壓固態(tài)軟起動(dòng)裝置CMV適用于大中型高壓鼠籠交流異步電動(dòng)機(jī)，作降壓起動(dòng)之用。完整的CMV軟起動(dòng)裝置是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)起動(dòng)、保護(hù)裝置，用來(lái)控制和保護(hù)高壓交流電機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)的CMV產(chǎn)品主要由以下部件組成：高壓可控硅模塊、可控硅保護(hù)部件、光纖觸發(fā)部件、真空開(kāi)關(guān)部件、信號(hào)采集與保護(hù)部件、系統(tǒng)控制與顯示部件。

使用該裝置起動(dòng)的電機(jī)具有起動(dòng)電流小且恒定、轉(zhuǎn)矩逐步增加的軟起動(dòng)特性，起動(dòng)過(guò)程中無(wú)電流沖擊和機(jī)械沖擊，起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)影響小，無(wú)電磁干擾、是起動(dòng)電抗器和自耦降壓起動(dòng)器的理想替代產(chǎn)品，相對(duì)于高壓變頻軟起動(dòng)器而言，又具有明顯的操作簡(jiǎn)單、免維護(hù)、無(wú)諧波污染等優(yōu)勢(shì)。

綜合考慮，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下應(yīng)盡量避免采用高壓電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)方式，擬采用“高壓固態(tài)軟起動(dòng)裝置”軟起動(dòng)，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，延長(zhǎng)電機(jī)的壽命。

1.5 照明設(shè)計(jì)

（1）本工程照度標(biāo)準(zhǔn)按國(guó)家民用建筑照明標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，照度滿(mǎn)足各場(chǎng)所使用要求，功率密度低于規(guī)范規(guī)定的功率密度限值。

（2）照明光源，根據(jù)國(guó)家節(jié)能要求選用高效、低耗節(jié)能燈。

（3）根據(jù)GB/T50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，本工程設(shè)有正常工作照明、事故照明。

1.6 建筑物防雷接地保護(hù)

本工程防雷按第三類(lèi)防雷建筑物設(shè)計(jì)，建筑物內(nèi)部電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級(jí)按B級(jí)設(shè)計(jì)。采用變壓器中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，接地裝置與防雷接地裝置極合用，接地電阻要求不大于1Ω。低壓配電保護(hù)采用TN-S系統(tǒng)，設(shè)置總等電位連接。

1.7 電氣節(jié)能措施

（1）變電所、配電房的位置靠近負(fù)荷中心，盡量減少線(xiàn)路損耗。

（2）變壓器選用13型低損耗節(jié)能變壓器，符合《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》GB20052-2013的要求。

（3）電動(dòng)機(jī)選用高效節(jié)能型，采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)确绞焦?jié)能降耗。

（4）采用提高功率因數(shù)cosΦ的措施。低壓系統(tǒng)設(shè)置靜電電容器對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，使cosΦ達(dá)0.95以上。照明用的氣體放電燈采用高功率因數(shù)的電子鎮(zhèn)流器或低損耗節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器加補(bǔ)償電容。

（5）照明選用高效節(jié)能的細(xì)管熒光燈（T5管）、緊湊型熒光燈或LED為主要光源。

（6）照明設(shè)計(jì)按《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013的規(guī)定控制照明功率密度。

（7）燈的控制方式符合電氣節(jié)能要求。

1.8 主要電氣設(shè)備布置

泵組LCU屏及電容補(bǔ)償柜對(duì)應(yīng)泵組布置于主泵房電機(jī)層進(jìn)水側(cè)，電動(dòng)機(jī)采用電纜進(jìn)線(xiàn)。

副廠(chǎng)房布置在主泵房一側(cè)，設(shè)中控室、高壓開(kāi)關(guān)室、低壓配電室、柴油發(fā)電機(jī)房。

中控室布置有計(jì)算機(jī)監(jiān)控操作臺(tái)、10 kV線(xiàn)路保護(hù)屏、公用LCU屏、直流屏等。低壓配電室布置站用變壓器和低壓配電屏。高壓開(kāi)關(guān)室布置10 kV開(kāi)關(guān)柜、各泵組開(kāi)關(guān)柜。

2 結(jié)束語(yǔ)

首先，泵站電氣設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足規(guī)范性要求的前提下，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行方案確立和設(shè)備選型時(shí)，需考慮設(shè)計(jì)成果在實(shí)際工況條件下的適用性和合理性，同時(shí)也需為業(yè)主考慮節(jié)省建設(shè)資金和方便設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)。本文結(jié)合下林泵站電氣設(shè)計(jì)方案加以分析，希望能為后續(xù)的防洪排澇電氣設(shè)計(jì)工作提供理論指導(dǎo)。

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