中小供水泵站工程電氣設(shè)計(jì)概要分析

李偉

陜西旅游集團(tuán)建設(shè)有限公司，中國·陜西 西安 710068

馬家溝泵站；電氣設(shè)計(jì)；設(shè)備選擇；建管模式

1 概述

馬家溝泵站是貴州省仁懷市中樞城區(qū)南部供水工程多個(gè)水源之一，設(shè)計(jì)裝機(jī)2 臺，單機(jī)容量為90kW，型號是Y280M-2，額定電壓為0.38kV，采用一用一備的運(yùn)行方式，把水從馬家溝提至渠道，經(jīng)渠道自流至后村水庫，進(jìn)而由水庫向水廠供水。

由于水庫庫容相對泵站規(guī)模較大，則水廠用水負(fù)荷的變化對泵站運(yùn)行影響不顯著，泵站短暫停運(yùn)也不致嚴(yán)重影響水廠供水。本初步設(shè)計(jì)階段以可靠、實(shí)用、方便、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)。

2 泵站基本參數(shù)

表1 泵站基本參數(shù)

3 供電電源

根據(jù)工程實(shí)際情況，并結(jié)合業(yè)主意見，初步設(shè)計(jì)階段現(xiàn)擬定泵站就近從10kV 農(nóng)網(wǎng)電源引接。本泵站主要供居民生活用水，兼供周邊工業(yè)，就負(fù)荷性質(zhì)而言是十分重要的，故泵站水泵采用一用一備的方案。且本泵站在水源大小上，與有多處水源的供水水庫相比，所占比例很小，即使短暫停運(yùn)也不會給水庫供水造成多大影響。根據(jù)本泵站在供水過程中的實(shí)際作用，決定本泵站采用單電源供電，其啟動(dòng)方式采用自耦降壓的啟動(dòng)方式。

4 電氣主接線

由于泵站為生活供水工程，結(jié)合泵站的特點(diǎn)及裝機(jī)規(guī)模，泵站主接線擬定為：10kV 電源進(jìn)線一回，采用變壓器-線路組接線。其中主要設(shè)備為：10kV 選用戶外跌落熔斷器，變壓器選用新型的S9 系列，變壓器10kV 側(cè)裝避雷器，0.4kV 系統(tǒng)側(cè)采用單母線接線，選用主變進(jìn)線柜、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制柜、站用電配電箱。配電箱考慮檢修用電及備用。

5 主變壓器的選擇

5.1 選擇依據(jù)

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中《附錄D》中提供的主變壓器容量計(jì)算與校驗(yàn)公式，確定變壓器容量，具體如下：

主變壓器容量計(jì)算式：

式中，S-主變壓器容量（kVA）。

P1-電動(dòng)機(jī)額定功率（kW）。

P2-照明等用電總負(fù)荷（kW）。

H-電動(dòng)機(jī)效率。

cosφ-電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)。

K1-電動(dòng)機(jī)負(fù)荷系數(shù)。按（2）式確定：

式中，K2——照明同時(shí)系數(shù)。

P3——水泵軸功率。

K3——修正系數(shù)，按表2確定：

表2 修正系數(shù)

5.2 變壓器的確定

考慮泵站的負(fù)荷性質(zhì)，變配電設(shè)備應(yīng)選擇滿足要求的節(jié)能損耗小的新型設(shè)備，如主變選擇S9 系列，且適當(dāng)考慮檢修用電和生活用電。經(jīng)計(jì)算，變壓器容量及參數(shù)見表3。

表3 變壓器參數(shù)

6 電力電纜的選擇

6.1 短路電流計(jì)算

假設(shè)電源進(jìn)線電壓為10kV 恒定，變壓器在額定工況下運(yùn)行和主變低壓側(cè)三相短路時(shí)，泵站主變低壓側(cè)三相短路電流按以下公式計(jì)算：

6.2 電纜選擇

6.2.1 電纜型號選擇

本工程電纜敷設(shè)在戶內(nèi)和戶外的空氣中，周圍無其他有害介質(zhì)，依據(jù)規(guī)范，35kV 及以下電力電纜應(yīng)采用銅材；保護(hù)線和中性線各自獨(dú)立的三相四線制系統(tǒng)宜采用五芯電纜，單相回路宜采用三芯電纜；電壓1kV 及以下回路宜選用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。其中，本泵站統(tǒng)一選用YJV22型電纜。

6.2.2 電纜截面的選擇

（1）按回路額定電壓選擇，且滿足有關(guān)規(guī)定要求。

（2）按經(jīng)濟(jì)電流密度選。

已知本泵站為供水用，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)大于6500小時(shí)。電價(jià)暫按0.383 元/kW.h 計(jì)，查經(jīng)濟(jì)電流密度表Ij≈1.1A/mm2。

（3）按持續(xù)允許工作電流選擇截面

式中，Igmax-最大工作電流；Igmax=1.05Ie=1.05Ig；K-考慮周圍環(huán)境溫度及敷設(shè)等因素后的修正系數(shù)。

對YJV22型電纜，查的電纜允許工作溫度為90℃。

由上式的電流I 選截面S 為最小截面，按標(biāo)準(zhǔn)截面選擇，但不得小于S。

6.3 電纜校驗(yàn)

6.3.1 按電壓熱穩(wěn)定校驗(yàn)

電纜在短路電流作用下，應(yīng)能保持使用特性不變。對非熔斷器保護(hù)的回路，計(jì)算允許的最小導(dǎo)體截面：

式中，S-導(dǎo)體截面（mm2）；I-短路允許電流（即短路電流有效值A(chǔ)）；T-短路時(shí)間（本工程取2s）；C-熱穩(wěn)定系數(shù)，銅芯交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電纜取143。

6.3.2 按電壓損失校驗(yàn)

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)電壓損失校驗(yàn)，變壓器和其低壓側(cè)導(dǎo)線的電壓損失不宜超過額定電壓的15%。

6.4 電纜的確定

通過以上的選擇和校驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際，最終選擇電纜等相關(guān)參數(shù)如下表4。

表4 電纜及相關(guān)參數(shù)

7 主要電氣設(shè)備

表5 主要電氣設(shè)備

8 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式

按照規(guī)范要求，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)、主變?nèi)萘?、泵站裝機(jī)容量臺數(shù)等計(jì)算起動(dòng)時(shí)泵站的母線電壓降，一般當(dāng)電壓降大于15%時(shí)，采用降壓起動(dòng)。如上所述，本項(xiàng)目缺乏電網(wǎng)資料，不便計(jì)算起動(dòng)時(shí)母線電壓降；同時(shí)供電線路不是專用線路，而是就近農(nóng)網(wǎng)的公用線路，線路上的負(fù)荷是變化的，采用什么樣的負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行電壓降計(jì)算，也有一定的困難。因此，本站機(jī)組采用自耦降壓啟動(dòng)方式，增加投資不大，卻大大改善了啟動(dòng)條件，減少了對系統(tǒng)電壓影響[2]。

雖采用降壓起動(dòng)，如收集到電網(wǎng)資料后，也應(yīng)補(bǔ)算起動(dòng)時(shí)母線電壓降?，F(xiàn)階段假定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)主變高壓側(cè)電壓為10kV 不變，泵站的直接啟動(dòng)電流均為額定電流的7 倍，且泵站兩臺泵為一用一備的運(yùn)行方式，當(dāng)采用自耦降壓啟動(dòng)方式時(shí)，置于65%的抽頭，計(jì)算主變及其低壓側(cè)電纜電壓損失為14.36%，小于15%，滿足要求。

9 無功補(bǔ)償

本泵站電費(fèi)計(jì)量點(diǎn)在主變壓器的0.4kV 側(cè)。泵站配套的泵用電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)為0.89，大于0.85，且本泵站是小型提水站，屬農(nóng)業(yè)用電范圍，同時(shí)，不清楚供電線路及始端變電站無功補(bǔ)償?shù)那闆r，故現(xiàn)階段暫不考慮裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，下一步應(yīng)根據(jù)業(yè)主和供電部門協(xié)商要求確定。若供電部門要求裝設(shè)無功補(bǔ)償，可采用在變壓器低壓側(cè)裝靜電電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。

10 過電壓保護(hù)及接地

為保證人身和設(shè)備安全，電氣設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行防雷和接地。泵站主變壓器的高壓側(cè)采用避雷器進(jìn)行防雷保護(hù)，對雷電波入侵可能造成的泵房里的設(shè)備過電壓按照《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的要求，在變壓器低壓側(cè)裝避雷器。

泵房為防止直擊雷過電壓，在泵房屋頂裝設(shè)避雷帶，避雷帶引下線與接地裝置相接。泵房采用TN系統(tǒng)的低壓電網(wǎng)（三相五線線制），此供電系統(tǒng)中電源有一點(diǎn)接地，即主變中性點(diǎn)和PE 線均與接地裝置實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地，負(fù)荷側(cè)電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分則通過PE 保護(hù)線與該點(diǎn)連接。

在主變安裝處就近敷設(shè)接地網(wǎng)，其接地電阻應(yīng)滿足R≤4歐。如不滿足，則應(yīng)采取換土、加鹽等措施改善接地電阻。

11 電工二次

11.1 自動(dòng)控制

其控制方式皆為：根據(jù)實(shí)際需要，本泵站電動(dòng)機(jī)采用自耦降壓啟動(dòng)方式，采用手動(dòng)啟動(dòng)，采用手自動(dòng)切換控制，水池最低水位停泵，兩臺泵一工作一備用的控制方式。本工程泵站設(shè)有水位信號器，實(shí)現(xiàn)水位低和過低報(bào)警及跳閘停泵。正常情況下，手動(dòng)啟泵；事故時(shí)，水位低報(bào)警，水位過低停機(jī)。

11.2 繼電保護(hù)

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》及DL400-91《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》等規(guī)程規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，配置繼電保護(hù)系統(tǒng)。

泵站為低壓供電系統(tǒng)，選用帶瞬時(shí)脫扣和過流脫扣的空氣開關(guān)作為保護(hù)元件。交流接觸器配熱繼電器，作為電動(dòng)機(jī)的故障保護(hù)。主變10kV 側(cè)裝為高壓跌落負(fù)荷熔斷器，作為變壓器及低壓側(cè)引出線的短路和過載保護(hù)[3]。

12 電氣設(shè)備布置

電氣設(shè)備布置，要考慮運(yùn)行、檢修、巡視、搬運(yùn)、安裝方便，在滿足要求的前提下，整體規(guī)劃、緊湊布置，盡量節(jié)省投資。

10kV 高壓設(shè)備和變壓器布置在戶外，緊靠泵房。室內(nèi)布置主變低壓進(jìn)線柜、電動(dòng)機(jī)控制柜和一塊泵站用電低配電箱。

電力電纜敷設(shè)走盡可能短的路徑，盡可能避免可能受到各種損壞，便于維修。電纜引入溝道等建筑物時(shí)，要將電纜穿入管中，并在管口處加以封堵處理，防止水分滲入和小動(dòng)物爬入。

13 總結(jié)分析

13.1 盡可能采用先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備

隨著脫貧攻堅(jiān)飲水工程一票制深入落實(shí)和鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興的發(fā)展需要，村鎮(zhèn)供水工程尤為重要，且數(shù)量越來越多，在經(jīng)費(fèi)寬裕的情況下，可選用先進(jìn)設(shè)備，如S11 系列變壓器、GCS 成套設(shè)備和變頻器及消防系統(tǒng)，泵站控制宜增加就地和集中中央控制、監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的方式，且考慮人民健康需要應(yīng)增加凈水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

13.2 優(yōu)化監(jiān)管模式

同時(shí)，考慮泵站的特殊應(yīng)用情景，檢驗(yàn)成果的是最終的運(yùn)營效果，建議政府部門應(yīng)可持續(xù)發(fā)展思維，考慮“設(shè)計(jì)-建造-運(yùn)營”的一體化實(shí)施方案。