“雙高”糖料蔗基地小型泵站供電電源方案設(shè)計(jì)

嚴(yán)欣婷，廖 容，李兼伐，賀瑋彤

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

0 引言

廣西是中國(guó)最大的食糖生產(chǎn)地區(qū)，年產(chǎn)糖量占全國(guó)總產(chǎn)量60%以上。為保證食糖戰(zhàn)略物資的可靠供應(yīng)，2014 年起，廣西在政策導(dǎo)向和資金支持等多個(gè)方面給予食糖產(chǎn)業(yè)大力支持，在全區(qū)持續(xù)推進(jìn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模化、水利現(xiàn)代化、種植良種化及生產(chǎn)機(jī)械化的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高糖糖料蔗基地（簡(jiǎn)稱“雙高”基地）建設(shè)[1]，而泵站作為“雙高”基地建設(shè)的重要內(nèi)容之一，采用電網(wǎng)供電時(shí)，其供電電源方案設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的合理性將直接影響到基地水利化工程項(xiàng)目的建設(shè)投資及日后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

在“雙高”基地建設(shè)水利化項(xiàng)目實(shí)施過程中，除小部分甘蔗種植灌溉面積較大的片區(qū)，其泵站總裝機(jī)容量達(dá)到500～2000 kW，屬于中型泵站之外，大部分片區(qū)受甘蔗種植土地特點(diǎn)及土地流轉(zhuǎn)等因素影響，灌溉面積小于2000 畝，泵站總裝機(jī)容量在500 kW以下，屬于小型泵站。

泵站最主要的負(fù)荷是取水泵和加壓泵的電動(dòng)機(jī)，同時(shí)還包括施肥、加藥、抽真空、照明、通風(fēng)、檢修及生活電器等一些附屬小容量負(fù)荷。為滿足泵站設(shè)備用電要求，一般采用柴油發(fā)電機(jī)供電和電網(wǎng)供電兩種供電電源方案。由于柴油發(fā)電機(jī)供電方案運(yùn)行成本高，甘蔗種植戶難以承受，除非種植片區(qū)遠(yuǎn)離供電線路，采用電網(wǎng)供電建設(shè)成本過高，否則應(yīng)優(yōu)先選擇電網(wǎng)供電的方案。

在多年的“雙高”基地建設(shè)過程中，不少項(xiàng)目由于項(xiàng)目小，項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)人員不足，在泵站電網(wǎng)供電電源方案設(shè)計(jì)中常存在電源接入方式不科學(xué)，變壓器選型不合理，高壓側(cè)開關(guān)選用不恰當(dāng)?shù)葐栴}，應(yīng)引起相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位重視。

1 泵站電網(wǎng)供電電源方案設(shè)計(jì)

對(duì)于小型泵站，如果泵站附近已建有滿足泵站建設(shè)新增容量的公用變壓器，可采用自公用變壓器獲取泵站電源的方式，但要詳細(xì)核算公用變壓器至泵站的線路壓降能否滿足泵站電動(dòng)機(jī)起動(dòng)及附屬電氣設(shè)備正常工作電壓的要求。實(shí)際上，小型泵站多采用農(nóng)村供電電網(wǎng)10 kV 公用架空配電線路“T”型接電的方式接入電源，具體接入點(diǎn)應(yīng)事先向當(dāng)?shù)毓╇姴块T申請(qǐng)，由供電部門核算該配電線路是否能滿足新增泵站容量要求并對(duì)泵站接入點(diǎn)及接電方案進(jìn)行審批。

2 10 kV高壓側(cè)接入方式選擇

對(duì)于裝機(jī)容量較大或離電網(wǎng)10 kV變電站較近的泵站，可采用客戶專用架空線路（或電纜）的方式，直接從變電站10 kV 母線經(jīng)線路斷路器獲取電源，并建設(shè)泵站變電站或配電站來滿足泵站用電要求（見圖1）。這種接入方式主要應(yīng)用于大中型泵站，在“雙高”基地建設(shè)時(shí)較少采用。

圖1 10 kV專用線路接入方式

對(duì)于裝機(jī)容量較小、離10 kV電源變電站較遠(yuǎn)、村莊公用變壓器容量無法滿足泵站裝機(jī)容量要求的小型泵站，一般自10 kV公用架空線路通過“T”型接線方式獲取電源，具體見圖2，“T”型接線處稱為“接入點(diǎn)”，也是泵站與供電部門的責(zé)任分界點(diǎn)，分界點(diǎn)后屬于泵站建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)范圍，這種接入方式在“雙高”基地小型泵站建設(shè)時(shí)廣泛采用。

圖2 10 kV線路“T”型接入方式

3 電力變壓器選擇

小型泵站主要負(fù)荷為水泵配套的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，因此泵站變壓器應(yīng)選用三相配電用電力變壓器。不同型式的變壓器，各有優(yōu)缺點(diǎn)，甚至對(duì)泵站建設(shè)投資及運(yùn)行維護(hù)工作及費(fèi)用影響較大，在泵站設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)慎重選擇。此外，變壓器容量選擇與泵站的負(fù)荷類型、功率大小以及水泵機(jī)組起動(dòng)和運(yùn)行方式均有關(guān)系，應(yīng)科學(xué)、合理選擇。

3.1 變壓器類型選擇

電力變壓器按冷卻介質(zhì)不同，分為油浸式變壓器和干式變壓器。對(duì)于泵站常用的小容量10 kV電力變壓器，油浸式變壓器采用絕緣油作為冷卻介質(zhì)，通過內(nèi)部油循環(huán)將變壓器工作產(chǎn)生的熱量帶到變壓器的散熱器（片）上進(jìn)行散熱，存在漏油污染、可燃、易爆、維護(hù)相對(duì)復(fù)雜等缺點(diǎn)，而干式變壓器用樹脂絕緣，自然風(fēng)冷時(shí)可在額定容量下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，變壓器輸出容量可提高50%，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無油，抗短路能力強(qiáng)，運(yùn)行維護(hù)工作量小，但制造工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，表1 為S13系列兩種容量變壓器市場(chǎng)價(jià)格對(duì)比表。

表1 油浸式與干式變壓器價(jià)格對(duì)比表

從表1 可見，干式變壓器價(jià)格明顯高于油浸式變壓器。當(dāng)泵站采用干式變壓器時(shí)，考慮變壓器的防水、防潮和安全要求，一般采用戶外箱變或室內(nèi)安裝的方式，高壓部分需要引接高壓電力電纜，同時(shí)需要占用安裝用土地面積。

當(dāng)泵站采用油浸式變壓器時(shí)，可采用柱上安裝或建設(shè)戶外變壓器安裝支墩的方式進(jìn)行安裝。對(duì)于泵站變壓器在315 kVA 及以下容量時(shí)，可采用柱上安裝方式，在泵房附近雙電桿的槽鋼橫擔(dān)上安裝泵站變壓器，從而節(jié)省泵站建設(shè)用地和泵站電氣部分建設(shè)成本，是最經(jīng)濟(jì)的一種方式。對(duì)于泵站變壓器容量在315 kVA 以上時(shí)，考慮到變壓器本身重量及安全要求，通常將變壓器固定安裝于變壓器支墩上并配建圍墻的方式，如因征地困難等原因需采用柱上安裝時(shí)，須經(jīng)過嚴(yán)格的方案論證。

3.2 變壓器繞組接線組別選擇

按配電變壓器繞組接線組別不同，分為Yyn0和Dyn11兩種[2]。為獲取照明、風(fēng)扇等單相負(fù)載所需的電源，泵站變壓器低壓側(cè)都選用帶N（中性線）的接線方式。

與同容量的Dyn11 接線組別變壓器相比較，Yyn0 接線組別的空載損耗與負(fù)載損耗略小于Dyn11 接線組別，因此在過去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，1000 kVA及以下容量的10/0.4-0.23 kV泵站電力變壓器，幾乎都采用Yyn0 的接線組別，但隨著電網(wǎng)中電力電子元件應(yīng)用越來越廣泛，這些元件對(duì)電源而言是典型的非線性負(fù)載，在使用過程中會(huì)產(chǎn)生諧波注入電網(wǎng)，從而影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量并產(chǎn)生附加的諧波損耗。Dyn11 接線組別變壓器原邊接成D 形（三角形），泵站變頻器、軟起動(dòng)器等設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的三次及以上高次諧波激勵(lì)電流在變壓器原邊形成環(huán)流，相比Y 形（星形）接法，可有效抑制高次諧波電流注入電網(wǎng)；此外，Dyn11接線組別變壓器的零序阻抗也明顯小于Yyn0接線組別，更有利于單相接地短路故障的切除。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，Yyn0 接線組別電力變壓器，在接用單相不平衡負(fù)荷時(shí)，要求中性線電流不超過低壓繞組額定電流的25%，嚴(yán)重限制了三相不平衡時(shí)單相負(fù)荷的容量，影響了變壓器設(shè)備能力的充分利用，而Dyn11接線組別電力變壓器，中性線電流允許達(dá)到低壓繞組額定電流的75%以上。綜上所述，泵站10 kV 電力變壓器推薦采用Dyn11 接線組別配電變壓器，如圖1、圖2所示。

3.3 泵站變壓器容量選擇

泵站變壓器容量選擇是否合理，直接影響到泵站能否正常工作。變壓器容量選得過大，投資成本高，運(yùn)行損耗大；變壓器容量選得小，可能無法滿足水泵起動(dòng)和正常工作需要。因此，泵站變壓器的容量應(yīng)根據(jù)泵站的總計(jì)算負(fù)荷以及水泵機(jī)組起動(dòng)和運(yùn)行方式綜合考慮進(jìn)行選擇。

泵站變壓器容量按下式進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中：S—變壓器容量，kVA；P1—電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；P2—照明、生活等用電總負(fù)荷，kW；η—電動(dòng)機(jī)效率；cosφ—電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；K2—照明同時(shí)系數(shù)；K1—電動(dòng)機(jī)負(fù)荷系數(shù)。

式（1）是考慮水泵機(jī)組采用軟起動(dòng)或變頻起動(dòng)工作方式時(shí)計(jì)算泵站所需變壓器容量的計(jì)算公式，如果水泵機(jī)組采用直接起動(dòng)方式，式（1）計(jì)算變壓器容量可能難以滿足要求，隨著軟起動(dòng)器和變頻器價(jià)格的不斷下降，為減小泵站變壓器容量，降低變壓器空載損耗，避免水泵起動(dòng)瞬間對(duì)供水管路的沖擊，建議水泵電動(dòng)機(jī)額定功率在7.5 kW 及以上時(shí)，應(yīng)采用軟起動(dòng)或變頻起動(dòng)方式。

如果泵站設(shè)計(jì)時(shí)，明確設(shè)計(jì)有備用機(jī)組且泵站正常工作時(shí)不會(huì)起動(dòng)，用式（1）計(jì)算變壓器容量時(shí)可不計(jì)入該備用機(jī)組的容量；當(dāng)泵站需要起動(dòng)多臺(tái)水泵工作時(shí)，應(yīng)通過控制回路設(shè)計(jì)，避免同一泵房同一時(shí)間內(nèi)兩臺(tái)或多臺(tái)水泵同時(shí)起動(dòng)。

3.4 10 kV高壓側(cè)開關(guān)選擇

作為10 kV架空線路的一個(gè)“T”型接入點(diǎn)，為滿足泵站電氣檢修需求及泵站出現(xiàn)電氣故障時(shí)能迅速并有效地切斷與10 kV 架空線路的連接，應(yīng)在接入點(diǎn)處設(shè)置分界開關(guān)。小型泵站常用真空斷路器和跌落式熔斷器作為分界開關(guān)。

如果分界開關(guān)在泵站內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，不能迅速且可靠動(dòng)作斷開與10 kV 架空線路的連接，或其保護(hù)動(dòng)作時(shí)限與電源變電站該線路出口開關(guān)保護(hù)配合不當(dāng)，均會(huì)造成變電站線路出口開關(guān)跳閘，從而造成該架空線路停電，影響到本線路上其他用戶的正常用電，應(yīng)設(shè)法避免。

圖2 是采用斷路器作為泵站分界開關(guān)的接入方式。對(duì)于10 kV的斷路器，多為真空斷路器結(jié)構(gòu)，斷路器內(nèi)部無油，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，可以手動(dòng)操作、電動(dòng)操作或遙控器操作實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘控制。斷路器由本體、操作機(jī)構(gòu)、控制器三大部分組成，可與FDR型故障檢測(cè)器或RTU遙控終端等設(shè)備結(jié)合，將泵站供電融入供電部門配電自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)架空線路故障自動(dòng)定位和故障自動(dòng)隔離。如采用ZW32-12 型帶控制器的真空斷路器作為泵站分界開關(guān)，配上FDR 型故障檢測(cè)器，當(dāng)泵站支線發(fā)生單相接地或相間短路故障時(shí)，分界開關(guān)及時(shí)、自動(dòng)分閘切除故障，變電站及配電線路其他分支用戶供電不會(huì)出現(xiàn)中斷；當(dāng)泵站支線發(fā)生相間短路故障且分界開關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限與變電站配電線路出口開關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限配合不當(dāng)，變電站配電線路出口開關(guān)先于泵站分界開關(guān)跳閘時(shí)，分界開關(guān)會(huì)在變電站配電線路保護(hù)動(dòng)作跳閘后立即分閘，之后，變電站配電線路保護(hù)重合閘動(dòng)作，自動(dòng)合上配電線路出口開關(guān)，恢復(fù)配電線路的正常供電（相當(dāng)于一次瞬時(shí)性故障），大大提高線路供電的可靠性。此外，配上RTU 遙控終端，分界開關(guān)可檢測(cè)支線的電壓、電流及功率等數(shù)據(jù)并傳送至供電部門的電力管理中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)支線負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在支線故障造成分界開關(guān)動(dòng)作后，可主動(dòng)上報(bào)故障信息，使供電部門能迅速定位故障位置并及時(shí)處理，提升故障排查及處理效率。

圖3 是采用跌落式熔斷器作為泵站分界開關(guān)的接入方式。跌落式熔斷器是10 kV配電線路分支線常用的一種短路保護(hù)開關(guān)，同時(shí)具備隔離開關(guān)功能，也是中小型泵站與10 kV 線路連接的常用電氣設(shè)備，當(dāng)泵站支線出現(xiàn)短路故障時(shí)，短路相的熔斷器熔絲熔斷，熔絲管的上下動(dòng)觸頭失去熔絲的系緊力，在熔絲管的自身重力和上、下靜觸頭彈簧片的作用下，熔絲管迅速跌落，使泵站故障相電路與供電線路相應(yīng)相斷開，實(shí)現(xiàn)短路故障的及時(shí)切除。相比斷路器型式的分界開關(guān)，跌落式熔斷器價(jià)格低廉，安裝簡(jiǎn)單，但是，受熔斷器工作原理、選型及質(zhì)量等因素影響，自泵站支線短路故障發(fā)生至熔斷器熔絲熔斷，其切除故障時(shí)間難以準(zhǔn)確確定，也難以與變電站配電線路出口開關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限配合，容易出現(xiàn)泵站支線故障引起變電站配電線路出口開關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘造成配電線路停電的大事故；當(dāng)泵站出現(xiàn)短路故障時(shí)，非故障相熔斷器不會(huì)熔斷，泵站內(nèi)部線路會(huì)出現(xiàn)部分帶電狀態(tài)，也容易引起安全事故。此外，跌落式熔斷器有嚴(yán)格的安全操作規(guī)范要求，包括不允許帶負(fù)荷操作；操作時(shí)必須配戴經(jīng)試驗(yàn)合格的絕緣手套，穿絕緣靴并戴護(hù)目眼鏡，使用電壓等級(jí)相匹配的合格絕緣棒進(jìn)行操作；拉閘時(shí)，先拉斷中間相，再拉背風(fēng)的邊相，最后拉斷迎風(fēng)的邊相；合閘時(shí)，先合迎風(fēng)邊相，再合背風(fēng)邊相，最后合中間相；在雷電交加或者大雨的氣候下禁止操作。這一系列的操作規(guī)范及設(shè)備安全要求，對(duì)于未配備專業(yè)電氣作業(yè)人員的小型泵站而言，難以做到。

圖3 采用跌落式熔斷器的接入方式

因此，在設(shè)計(jì)小型泵站10 kV高壓側(cè)時(shí)，為合理確定接入電力系統(tǒng)的方式，應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案比較，在經(jīng)濟(jì)條件允許下，應(yīng)優(yōu)先選擇配套智能控制器的10 kV 高壓真空斷路器作為泵站與10 kV 架空線路的分界開關(guān)，特別是泵站變壓器容量在315 kVA 及以上時(shí)，變壓器充電時(shí)勵(lì)磁涌流比較大，不宜采用分相手動(dòng)合閘的跌落式熔斷器作為泵站與10 kV架空線路的分界開關(guān)。

為便于泵站電氣檢修時(shí)形成明顯可靠的斷開點(diǎn)，在安裝位置允許的情況下，建議在泵站接入點(diǎn)處安裝刀閘開關(guān)作為隔離開關(guān)（如圖2、圖3所示），當(dāng)泵站電氣設(shè)備（包括分界開關(guān)）需要檢修時(shí)，可在泵站分界開關(guān)處于分位情況下，操作分開接入點(diǎn)的隔離開關(guān)，此時(shí)10 kV線路無需停電，即可開展泵站電氣設(shè)備的檢修。如未選裝隔離開關(guān)，則應(yīng)安裝帶電接線環(huán)，以便在線路不停電的情況下對(duì)泵站分界開關(guān)進(jìn)行帶電檢修。

4 結(jié)語

小型泵站的設(shè)計(jì)和建設(shè)是“雙高”基地建設(shè)的重要內(nèi)容，應(yīng)科學(xué)選擇泵站供電電源10 kV 高壓側(cè)接入方式，合理選擇高壓開關(guān)和電力變壓器。本文結(jié)合小型泵站10 kV 供電電源常見方案，分析了10 kV專用供電線路與10 kV架空線路“T”接的電源接入方式選用條件，介紹了油浸式變壓器和干式變壓器及Yyn0和Dyn11兩種變壓器繞組接線組別特點(diǎn)，比較了真空斷路器和跌落式熔斷器作為泵站分界開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了變壓器類型選擇要點(diǎn)和優(yōu)先選用Dyn11 接線組別的建議，倡議在接入點(diǎn)處安裝隔離開關(guān)或帶電接線環(huán)來解決泵站支線檢修問題，可供泵站設(shè)計(jì)單位及建設(shè)單位參考。