望天獅排澇站電氣一次系統(tǒng)更新設(shè)計及實施研究

宋易瓏 清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計院有限公司

1.工程概況

望天獅電排站擴容改造工程位于清遠(yuǎn)市清新區(qū)范圍，望天獅排澇區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇24h暴雨1天排干，其屬于治澇工程，治澇面積為6.9km，本工程等別為V等，工程規(guī)模為小（2）型。本次望天獅電排站擴容改造工程地處清遠(yuǎn)市清城區(qū)小市新城鄉(xiāng)村振興樣板區(qū)，望天獅排澇坑已進行拓寬改造達(dá)到10年一遇的城排標(biāo)準(zhǔn)，望天獅排澇站承擔(dān)著清新主城區(qū)集雨面積5.215km的排澇任務(wù)，但現(xiàn)狀電排站排澇標(biāo)準(zhǔn)仍為10年一遇24小時暴雨所產(chǎn)生的徑流量3d排干的農(nóng)排標(biāo)準(zhǔn)，排澇能力較為有限，與上游排澇坑標(biāo)準(zhǔn)不相符且不能滿足示范區(qū)建成后的排澇要求?？梢姡飒{現(xiàn)狀的排澇能力，難以滿足示范區(qū)及相關(guān)規(guī)劃的排澇需求，將嚴(yán)重影響圍內(nèi)生產(chǎn)生活的安全，為保障該示范區(qū)順利建成以及圍內(nèi)居民生產(chǎn)生活的安全，迫切需要建設(shè)本工程。

2.電氣一次設(shè)計

2.1 接入電力系統(tǒng)

現(xiàn)有的望天獅排澇站（以下稱舊排澇站）的供電線路為110kV回瀾站10 kV 回太聯(lián)絡(luò)干線電排支線4#桿引入現(xiàn)有戶外10kV 降壓站，排澇站至變電站線路長度約4.5 km。舊排澇站現(xiàn)有裝機容量3×110KW+1×155kW=485kW，電動機額定電壓0.38kV，3臺軸流泵和1臺潛水泵（潛水泵布置在前池的廠房外）。現(xiàn)有戶外10kV降壓站有2臺柱上變壓器（630kVA和250kVA變壓器各1臺），630kVA變壓器由110kV回瀾站10kV回太聯(lián)絡(luò)干線電排支線4#桿引入控制舊排澇站泵房內(nèi)3臺水泵；250kVA變壓器由110kV回瀾站10kV回太聯(lián)絡(luò)干線電排支線3#桿引入，控制前池側(cè)1臺潛水泵。

表1 新排澇站負(fù)荷計算表

根據(jù)本工程排澇規(guī)劃，在舊排澇站10 kV進線側(cè)新建1 座排澇站（以下稱新排澇站），裝機容量2×450kW+2×330kW=1560kW，電動機采用10kV高壓電動機。由于新排澇站經(jīng)過舊排澇站的架空供電線路，故在新排澇站動工前對現(xiàn)有電排進線進行改造，避開新排澇站施工場地，并在新排澇站開工前投入使用（此為10kV線路一期工程）；新排澇站仍由110kV回瀾站10kV回太聯(lián)絡(luò)干線電排支線供電，經(jīng)10kV高壓電纜引入新排澇站開關(guān)柜室內(nèi)（此為10kV線路二期工程）。

2.2 電氣主接線方案

2.2.1 主接線方案

望天獅排澇站新站裝機容量2×450kW+2×330kW，供電電壓等級10kV，電動機電壓等級也為10kV，采用10kV輸電線路直接供電，根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50265-2010）的有關(guān)條款，10kV電動機電壓母線采用單母線接線。

2.2.2 站用電

新排澇站站用電設(shè)備安裝功率為266kW，計算負(fù)荷為174.85kW，選用1臺200kVA 的干式變壓器作為站用電源。變壓器負(fù)荷率約為87%。站用電母線電壓采用400/230V三相五線制供電系統(tǒng)。排澇站設(shè)1臺40kW的柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源。

2.3 電氣一次設(shè)備選擇

2.3.1 計算短路電流

短路電流計算采用《水電站機電設(shè)計手冊》的計算方法，分別對各電排站10kV母線三相短路及0.4kV母線三相短路兩種情況進行計算，計算采用等值阻抗法。

取基準(zhǔn)值：Sj=100MVA，Uj=Up；當(dāng)Uj=10.5kV時，Ij=5.5（kA）；Uj=0.4kV時，Ij=144.34（kA）。圖中M為本電站3臺450kw的水輪發(fā)電機。通過等值阻抗法和相關(guān)電氣資料對主接線方案進行短路電流計算，系統(tǒng)電路電流及等值電抗圖見圖1，短路電流計算成果見表2。

表2 新電排站短路電流計算成果表

圖1 電路電流（左）及等值電抗（右）圖

2.3.2 電機啟動方式及無功功率補償

新站由110kV峽山站10kV農(nóng)場甲線小楠支線#47塔供電，水泵異步電動機型號YL630-16，額定電壓10kV，根據(jù)附近其他電排站相類似的高壓電機設(shè)備啟動方式，高壓電機采用直接啟動并在每臺水泵高壓啟動柜后均配置一臺10kV高壓電容補償柜。新站選用1臺10kV/0.4kV干式變壓器，即一臺100kVA的干式變壓器作為站用電源。

新站高壓異步電動機，單機額定功率為450kW，額定功率因數(shù)取0.72，補償后功率因數(shù)提高到0.92，所需補償容量為242kVar，每臺高壓電容補償柜補償容量250kVar，水泵機組高壓電容補償柜補償容量暫定250kVar，待機組供貨廠家確定后，按廠家資料復(fù)核后確定補償容量；新站站用電設(shè)備安裝功率為136.3kW，計算負(fù)荷為70.95kW，額定功率因數(shù)取0.8，補償后功率因數(shù)提高到0.92，所需補償容量為23kVar，單個電容補償容量20kVa r，共2 組，總?cè)萘?0kVar，可滿足高壓電機和站用電無功功率補償要求。

2.3.3 新站電氣設(shè)備改造內(nèi)容

電氣系統(tǒng)更新主要電氣設(shè)備選擇應(yīng)該要符合性能好、可靠性高且具有較長的使用壽命；近年來，設(shè)備的輕型化，占地少，維護簡單也成為設(shè)備優(yōu)選的主要考慮因素之一。此外，導(dǎo)體和電氣的選擇應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)性，即選型應(yīng)該符合國家相關(guān)規(guī)定，不能盲目追求成本及經(jīng)濟適用性。

1）主電動機。主電動機承擔(dān)整個裝置的運行工作，自建站以來，望天獅排澇站已經(jīng)運行有三十多年，電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子及定子已經(jīng)達(dá)到設(shè)計使用年限，出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象嚴(yán)重。此次將更換型號為YL630-16的立式三相異步電動機，更換后主電動機功率由原來的400KW增加到450KW，發(fā)電機機端部電壓增至10KV。

2）站用高壓柜。該站高壓柜涉及10KV高壓啟動柜、開關(guān)柜和高壓電容補償柜。排澇站當(dāng)前安置的開關(guān)柜子是固定式開關(guān)柜（GG-1A），這種固定式開關(guān)柜內(nèi)部雖然已經(jīng)實現(xiàn)了傳統(tǒng)少油開關(guān)到真空開關(guān)的轉(zhuǎn)換，但此類開關(guān)柜常有因元件布置不合理導(dǎo)致的金屬線路外露，對值守人員造成了極大的安全隱患。現(xiàn)狀排澇站已實現(xiàn)計算機監(jiān)控代替人員值班，因此本次設(shè)計改造后對高壓開關(guān)柜的使用具有更嚴(yán)格的要求。為了確保排澇站高壓開關(guān)柜使用的安全性、可靠性和簡便性，本排澇站采用KYN28A-12系列箱型固定金屬封閉式開關(guān)柜，柜內(nèi)部采用抽屜式斷路器。高壓啟動柜同樣使用KYN28A-12系列，控制電動機功率450kW。高壓電容補償柜采用GWBK10系列開關(guān)柜，待機組供貨廠家確定后，按廠家資料復(fù)核后確定補償容量。

3）站用變壓器。望天獅排澇站現(xiàn)有三臺主變壓器，多年以來，主變壓器維修次數(shù)較多，損耗極大。其中兩臺型號為SF15000/110,15000kV A,121±2×2.5%/6.3kV的變壓器維修次數(shù)已超過10次大修，另外一臺SF16000型的變壓器也接近設(shè)計使用年限。目前我國市場通常以S9和S11兩個系列的變壓器為主導(dǎo)，S11相對S9系列具有更優(yōu)的節(jié)能效果，據(jù)測算，空載損耗比兩者相差接近30%；此外S11創(chuàng)新性采用節(jié)電模式，總體空載電流相比S9要低一倍，電流噪音也更低。本次設(shè)計電排站主變壓器更換為S11系列節(jié)能型變壓器，型號為SCB11-100，額定容量100kVA，額定電壓10±2×2.5%/0.4kV。

4）電線設(shè)施。排澇站現(xiàn)狀廠房電線電纜布置雜亂，各種電纜的堆放缺乏安全性，高壓電纜與信息電纜、低壓電線纏繞，絕大多數(shù)電纜出線了絕緣層脫落、保護層鼓包等現(xiàn)象，部分高壓電纜屬于超期產(chǎn)品，按照規(guī)范應(yīng)該予以淘汰?；诖?，現(xiàn)對所有超期損壞電纜進行全線更換，更換的電纜型號為YJV22和VV22。新更換電纜為耐火型電纜，高溫防絕緣層開裂。

2.3.4 繼電保護方案

1）電排站直流系統(tǒng)采用成套免維護鉛酸蓄電池直流屏，直流電壓選用220V，蓄電池容量選用100Ah，直流電源主要供高壓設(shè)備的操作、保護、信號及自動裝置用電。

2）全站電量測量二次額定電壓采用100V，額定電流采用5A，在高低壓進線柜均裝設(shè)多功能數(shù)顯表,其它回路和動力配電箱裝設(shè)數(shù)顯表，22kW以上電動機及重要電動機回路裝設(shè)電流表，動力配電箱箱面均裝設(shè)電壓表。電能計量用互感器精確度等級配用0.2級，選用的儀表不低于0.5級，其它互感器精確度等級配用0.5級，選用的儀表不低于1.0級。

3）為保證電氣設(shè)備安全運行、提高電排站自動化水平，10kV進線、PT、電動機出線、站用變出線均配置微機綜合保護測控裝置，測控裝置安裝在對應(yīng)設(shè)備的高壓開關(guān)柜繼電器室內(nèi)。

10kV進線、水泵電動機、站用變壓器分別設(shè)置電流速斷保護、高溫保護等措施，其中水泵電動機、站用變壓器還應(yīng)該制定對應(yīng)的機組軸承溫度升高和定子溫度升高保護及過電流保護。

3.機電設(shè)備布置

新站裝機容量3×450kW，水泵為1400ZLB-85型立式軸流泵，水泵干式安裝，廠房分為主廠房、安裝間和副廠房，安裝間位于主廠房右側(cè)，與主廠房同寬；副廠房位于主廠房下游側(cè)。

3.1 主廠房設(shè)備布置

根據(jù)機組布置需要，主廠房分為水泵層和電機層。水泵層布置主水泵，主水泵為干式安裝，水泵層出水側(cè)布置技術(shù)供水池、檢修排水閥、檢修排水泵、技術(shù)供水泵。適當(dāng)位置布置備用柴油發(fā)電機組。

3.2 副廠房設(shè)備布置

副廠房布置在主廠房下游側(cè)，副廠房共三層，設(shè)1個樓梯：其中副廠房一層布置高壓室和中控室；副廠房二層布置辦公室和會議室；副廠房三層布置休息室、資料室和茶水間。

副廠房一層：高壓室內(nèi)布置10面高壓開關(guān)柜和1臺站用變壓器（即1面10kV進線柜、1面10kV計量柜、1面10kV母線PT柜、1面變壓器出線柜、3面機組啟動柜、3面高壓電容器柜和1臺SCB11-100kVA站用變壓器）；中控室內(nèi)布置8面配電柜（即1面低壓進線柜、1面電容補償柜、1面配電柜、1面直流屏、1面電池屏、1面公用LCU屏、1面機組LCU屏和1面視頻柜，一字布置），中控室控制臺布置計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

4.結(jié)語

文章結(jié)合望天獅排澇站擴容改造工程對電氣一次系統(tǒng)做了較為細(xì)致的分析研究，基于排澇站現(xiàn)狀設(shè)施設(shè)備使用情況、站內(nèi)地形狀況選取了電氣設(shè)施的布置方案，主要內(nèi)容涉及主廠房和副廠房設(shè)備的布置、接入電力系統(tǒng)、主要接線方案、站內(nèi)高壓柜、電機啟動方式及無功率補償、繼電保護等方面。通過研究上述問題，有助于提升排澇站擴容后整體的運行成效、確保范圍內(nèi)排澇任務(wù)高效實施。本文所述電氣更新設(shè)計及實施方案可作為小（2）型排澇站的典型案例，能夠為其他相似工程提供設(shè)計參考。