大型泵站的配電系統(tǒng)分析與優(yōu)化

摘 要：【目的】為確保大型泵站實現(xiàn)安全、可靠、靈活的運行，并提高其運行的經(jīng)濟性，對大功率泵站供配電系統(tǒng)進行合理的設(shè)計和優(yōu)化。【方法】以濰坊某大型排澇泵站為例，通過對泵站設(shè)計方案（負荷等級、供電電源、負荷統(tǒng)計計算）、變電所設(shè)計等進行深入探討，詳細分析該泵站供配電系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化過程?！窘Y(jié)果】通過應(yīng)用主接線方案對比、需要系數(shù)法負荷計算、無功補償及諧波抑制等措施，提出確保泵站安全可靠運行的雙回路單母線分段高壓供電方案，并采用高壓就地?zé)o功補償?shù)姆绞?，提高系統(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟性?！窘Y(jié)論】結(jié)合實際情況，對該系統(tǒng)的特點進行總結(jié)，并提出了進一步優(yōu)化建議，通過合理的設(shè)備選型和電氣主接線設(shè)計，為系統(tǒng)的未來擴容和改造提供了便利條件。未來，可引入智能化技術(shù)，提高系統(tǒng)的自動化水平和可維護性。

關(guān)鍵詞：大功率泵站；供配電系統(tǒng)；主接線方案；負荷計算；無功補償

中圖分類號：TU991.35" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）23-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.002

Analysis and Optimization of Power Distribution System for Large Pumping Station

DING" Ke

（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] In order to ensure the safe， reliable and flexible operation of large pumping stations and improve the economy of their operation， the power supply and distribution system of high-power pumping stations is reasonably designed and optimized. [Methods] Taking a large drainage pump station in Weifang as an example， this paper analyzes the design and optimization process of its power supply and distribution system by deeply discussing the load grade， power supply， load calculation and substation design. [Findings] Through the comparison of main wiring schemes， load calculation of demand factor method， reactive power compensation and harmonic suppression， a design scheme is put forward to ensure the safe and reliable operation of the pumping station， which improves the reliability and economy of the power supply system. [Conclusions] Combined with the actual situation， the characteristics of the system are summarized， and further optimization suggestions are put forward. Reasonable equipment selection and electrical main wiring design provide convenient conditions for the future expansion and transformation of the system. In the future， intelligent technology can be further introduced to improve the automation level and maintainability of the system.

Keywords： high power pumping station; power supply and distribution system; main connection scheme; load calculation; reactive power compensation

0 引言

泵站是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在供電、防洪等方面發(fā)揮著重要作用。泵站的供配電系統(tǒng)設(shè)計將直接關(guān)系到其運行質(zhì)量和安全可靠性。本研究以濰坊某大型排澇泵站為例，通過對其供配電系統(tǒng)進行設(shè)計與優(yōu)化，為同類工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 泵站基本情況

規(guī)模：20 m3/s，中型泵站，等別為Ⅲ等。

功能：內(nèi)澇防治設(shè)計標準為30 a一遇，2 h內(nèi)排干內(nèi)澇。

建筑物級別：主體建筑物等級為Ⅲ級，次要建筑物等級為Ⅳ級。

1.2 工藝布局

排澇泵站工藝平面圖如圖1所示。

2 設(shè)計方案

2.1 負荷等級

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)標準》（CJJ/T 120—2018）第4.1.1章節(jié)中的要求，排水設(shè)施的負荷等級不得低于二級，重要的排水設(shè)施要求為一級負荷，該工程泵站供電負荷等級為二級負荷［1］。

2.2 供電電源

建議排水泵站供電線路采用電纜線路，并采用兩回電纜通過不同的路徑敷設(shè)，每回考慮截面時，都要能承擔(dān)百分百的一、二級負荷［2-3］。由于市政排澇泵站位于城市道路周邊，而市政供電電纜多采用電力排管、電纜溝、纜線管廊等敷設(shè)方式，架空線路供電條件無法滿足。該工程電源方案為自上一級變電所，接引兩路電源，一路由環(huán)網(wǎng)箱電纜接入，一路由架空線T接電纜接入，每根電纜均能滿足全部二級負荷，兩路電源處于熱備用狀態(tài)。

2.3 負荷統(tǒng)計計算

需要系數(shù)法是電氣工程中一種用于計算負載電流或負載需求的簡化方法，通常用于確定供配電系統(tǒng)的設(shè)計容量。工作方式不同的用電設(shè)備，將設(shè)備的額定功率換算到統(tǒng)一計算功率。泵站設(shè)備中的主要設(shè)備負荷（如鼓風(fēng)機、水泵等）是采用連續(xù)工作方式計算功率的。

短時或周期工作的設(shè)備功率換算計算如下。將周期工作電動機的設(shè)備額定功率換算到電動機額定負載持續(xù)率（εN）為100%時的有功功率［4］，見式（1）。

[Pe=PNεN]" （1）

式中：Pe為統(tǒng)一負載持續(xù)率的有功功率，kW；PN為電動機額定功率，kW；εN為電動機額定負載持續(xù)率。

短時工作電動機的設(shè)備額定功率換算為連續(xù)工作的有功功率，可按式（1）進行近似換算。εN根據(jù)工作時長進行換算。例如，0.5 h工作制εN是15%、1 h工作制εN是25%［5］。

采用需要系數(shù)法計算負荷，應(yīng)符合以下規(guī)定。

設(shè)備組的計算負荷及計算電流應(yīng)按式（2）至式（5）的公式進行計算。

[Pjs=KXPe] （2）

[Qjs=Pjstan?] （3）

[Sjs=P2js+Q2js]" "（4）

[Ijs=Sjs3Un]" " （5）

以上式中：[Pjs]為計算有功功率，kW；[KX]為需要系數(shù)，按CJJ/T 120—2018的規(guī)定取值；[Qjs]為計算無功功率，kvar；[tan?]為計算負荷功率因數(shù)角的正切值；[Sjs]為計算視在功率，kVA；[Ijs]為計算電流，A；[Un]為系統(tǒng)標稱電壓（線電壓），kV。

變電所的計算負荷見式（6）至式（8）。

[Pjs=K∑P∑（KXPe）] （6）

[Qjs=K∑Q∑（KXPetan?）]" " " "（7）

[Sjs=P2js+Q2js] （8）

式中：[K∑P]為有功功率同時系數(shù)，取0.8～0.9；[K∑Q]為無功功率同時系數(shù)，取0.93～0.97。

該工程負荷如下。10 kV主要用電設(shè)備為4臺潛水軸流泵，每套560 kW，共計2 240 kW。380 V用電設(shè)備包括1座81 kW電動雙梁雙鉤橋式起重機、1臺18.5 kW集水坑潛污泵、8臺4 kW啟閉機、4臺2.2 kW格柵除污機、1臺7.5 kW皮帶輸送機、10.37 kW電動蝶閥，共計158.17 kW，動照負荷為43.3 kW。其中，電動雙梁雙鉤橋式起重機為短時工作的設(shè)備功率，負載持續(xù)率εN按25%考慮。按式（1）換算的有功功率為40.5 kW。設(shè)備組件計算功率見表1。

站用計算負荷為104.757 kW，計算視在功率為130.95 kVA，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計標準》中的建議，變壓器的持續(xù)負載率不大于85%，按此要求，變壓器容量選擇160 kVA。每臺變壓器均能滿足二級負荷的用電需求。變壓器選用SCB14-250 kVA，D，yn11，10±5%/0.4 kV，自然空冷。

3 變電所設(shè)計

3.1 電氣主接線

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)標準》（CJJ/T 120—2018）中的規(guī)定，變電所電氣主接線宜采用單母線、單母線分段。因此，泵站電氣主接線可采用以下兩種方案。

3.1.1 雙回路單母線分段接線。雙回路單母線分段接線方式的電源輸入是兩路獨立的電源分別接入兩個進線斷路器，這兩路電源經(jīng)過各自的斷路器后，連接到一段母線上，母線通過一個分段斷路器分為兩段，各饋線從母線的不同段上引出。該方式適用于需要更高可靠性和靈活性的情況。將母線分成兩段，并通過分段斷路器將其連接起來，這樣即使一段母線發(fā)生故障或需要維護，另一段母線仍能繼續(xù)供電，保證二級負荷不間斷供電［6］。雙回電源單母線分段接線如圖2所示。

3.1.2 雙回路單母線接線。雙回路單母線接線是一種較為簡單的接線方式，兩路獨立的電源分別接入兩個進線斷路器，相互之間電氣連鎖，并連接到同一段母線上。所有饋線從該段母線上引出，每次只能一路電源供電。這種方式適用于對供電連續(xù)性要求不高或故障恢復(fù)時間可以接受的情況。雙回路單母線接線如圖3所示。

雙回路單母線分段接線通過多段母線加設(shè)斷路器或隔離開關(guān)，可提高供電的可靠性，減少停電影響范圍，但母線分段接線，導(dǎo)致斷路器、配電設(shè)備數(shù)量，使電氣運行的復(fù)雜性提高，成本也隨之提高。雙回路單母線接線結(jié)構(gòu)簡單、明了，設(shè)備數(shù)量、投資、土建規(guī)格較前者少，但當(dāng)母線故障或檢修時，所有負荷都將中斷供電，停電范圍較大。所以，其可以用于小型泵站和供電要求不高的變電站內(nèi)。本研究的示例工程為新建工程，并承載著較為重要的排水任務(wù)，因此，采用雙回路單母線分段接線的方式。

3.2 無功補償方式的選擇

該工程中的潛水泵為高壓異步電動機，根據(jù)《電力系統(tǒng)無功補償及調(diào)壓設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 5554—2019）中的相關(guān)規(guī)定：高壓供電的用戶在最大負荷情況下，用戶的功率因數(shù)應(yīng)該保持在0.9以上，而在輕載時，則不應(yīng)向電網(wǎng)輸送無功功率。負荷容量在100 kVA（kW）以上的泵站，功率因數(shù)建議0.85以上［7～8］。鑒于電力部門通常要求用戶的功率因數(shù)維持在0.9以上，為了滿足這一要求，需要增設(shè)無功補償設(shè)備，從而提高系統(tǒng)的整體效率，并減少能源浪費。

3.2.1 無功補償方式選擇。無功補償方式分為就地補償和集中補償兩種。就地補償適用于電動機的饋電回路中并聯(lián)補償裝置，確保補償裝置與電動機同步投入和退出，具有單次產(chǎn)生的投資低、土建占地小、安裝比較簡便、配置靈活、維護簡單、故障率低的優(yōu)點。因此，就地補償適合于單個電動機的應(yīng)用場景。集中補償是將電容器集中補償于高低壓母線上，可實現(xiàn)集中管理、維護方便、運行穩(wěn)定可靠、利用率高。然而，集中補償無法補償饋線上的無功電流，不適用于10 kV直接供電的電動機負荷。綜上所示，該工程選擇采用單機就地補償方式，高壓就地?zé)o功補償主接線如圖4所示。

根據(jù)設(shè)計標準，無功補償設(shè)備容量的計算見式（9）。

[Qc=P（tanφ-tanφ1）]" （9）

式中：P為用電設(shè)備的計算有功功率。

針對三相異步電動機的計算，根據(jù)《三相異步電動機經(jīng)濟運行》的第6.4.1條，無功功率補償?shù)挠嬎愎揭娛剑?0）。

[Qc=P1（tanφ-tanφ1）]" （10）

式中：[Qc]為就地?zé)o功補償?shù)臒o功功率值，kvar；P1為負載的有功功率，kW；[tanφ=1-cos2φcosφ]為補償前相角的正切值；[cosφ]為電動機補償前的功率因數(shù)；[tanφ1]為補償后相角的正切值。

3.2.2 抑制諧波干擾，串聯(lián)電抗器。隨著越來越多的非線性電氣設(shè)備并入電網(wǎng)，交流電的波形不再為標準的正弦波形，而畸變波形中的高次諧波會使電動機發(fā)熱增加、振動加劇、噪聲增大及效率下降，電網(wǎng)中的諧波頻率高于基波頻率，從而導(dǎo)致電容器的阻抗降低，進而引發(fā)過電流現(xiàn)象，導(dǎo)致電容器發(fā)熱，而長期過熱可能會引起電容器性能下降，甚至損壞，要對其進行抑制［9］。

加裝串聯(lián)電抗器是一種常用的抑制諧波電流流入的方法，這是因為串聯(lián)電抗器可以有效阻止特定頻率的諧波進入電容器組。在工程應(yīng)用中，還要根據(jù)具體情況來調(diào)整電抗器的參數(shù)，從而確保最佳的諧波抑制效果。據(jù)統(tǒng)計，我國近年來普遍采用6%電抗器。

3.2.3 無功補償容量計算。該工程潛水軸流泵參數(shù)如下：額定功率[PN=560 kW]、額定效率[η=0.869]、額定功率因數(shù)[cosφ=0.8]、補償前功率因數(shù)正切值[tanφ=0.75]、水泵軸功率[P2=440.8 kW]、電動機的輸入功率[P1=PNη=644.4 kW]、補償后功率因數(shù)[cosφ1=0.95]、補償后功率因數(shù)正切值[tanφ1=0.463]。代入式（10）可得[Qc]=184.94 kvar。

電抗器串聯(lián)后，電容器的額定電壓[UC]應(yīng)選擇10.5 kV。電容器實際承受電壓見式（11）。

[UC1=UN1-6%=100.94=10.64 kV] （11）

補償容量[Qc]=184.94 kvar，實際裝置所需容量[Q1]為191.28 kvar，電容器產(chǎn)品參數(shù)選用200 kvar。

4 系統(tǒng)特點及優(yōu)化

4.1 供電可靠性

相較于單回路電源，雙回路電源能確保不間斷供電，能顯著提高系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計線路和設(shè)備時，雙回路10 kV電源必須實施機械閉鎖和電氣閉鎖措施，防止因誤操作引發(fā)的故障。

同時，設(shè)置微機保護系統(tǒng)，確保對泵站的過流、零序電流和差動等情況進行有效保護。這一措施不僅保護了電力線路、高壓柜、變壓器和電壓互感器（PT）等設(shè)備，使其免受因切斷不及時而造成的損害，也維護了電網(wǎng)的正常運行。

4.2 經(jīng)濟性

合理選擇變壓器容量對降低能耗至關(guān)重要。為了確保變壓器經(jīng)濟節(jié)能運行，負載率宜保持在0.75～0.85。選擇與電力負荷相適應(yīng)的變壓器容量，可以使變壓器在高效低耗的區(qū)域內(nèi)工作。

合理選擇供電電壓對降低能耗和提高經(jīng)濟效益有著顯著的價值。該工程選擇10 kV的供電電壓不僅能直接配給10 kV高壓電動機，還能減少主變壓器的損耗，省去35 kV配電設(shè)備，并利用10 kV線路資源豐富的優(yōu)勢，使得整個供電方案更加經(jīng)濟高效。通過合理選擇供電電壓，不僅能降低成本，還能提高系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

無功補償裝置能減少電網(wǎng)無功損耗，提高電網(wǎng)整體效率。該工程電機為10 kV高壓設(shè)備，且每臺負荷較大，采用就地補償方式，實現(xiàn)裝置與電動機的同時投入與停用，補償覆蓋范圍最大，起到的補償效果也最好，并能優(yōu)化配電線路截面，減少線路投資。

4.3 靈活性

電氣主接線設(shè)計靈活，便于未來擴容或改造。采用雙回路分段母線，通過設(shè)置分段開關(guān)，可以在部分故障或維護時隔離故障區(qū)，保證其余正常部分的運行。雙回路電源能實現(xiàn)多電源接入的可能性，提高系統(tǒng)的靈活性。

4.4 可維護性

設(shè)備選型考慮維護方便性，該工程無功補償裝置采用單機就地補償方式，大大提高了維護的方便性。采用微機保護能提高故障定位和修復(fù)的效率。設(shè)備房間集中設(shè)置，確保所有電氣設(shè)備都易于接近，方便進行檢查和維修工作。

4.5 優(yōu)化建議

通過引入智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對泵站的實時監(jiān)控、遠程控制、數(shù)據(jù)記錄與分析、故障報警、趨勢預(yù)測、能耗管理、遠程維護等功能，將大大提高泵站的運行效率，減少人力成本，增強安全性，并確保泵站的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和故障預(yù)警。

增強設(shè)備維護的精細化管理，定期對設(shè)備進行檢查和維護，建立一套完整的電氣設(shè)備管理體系，能有效加強維護人員的精細化管理，確保電氣設(shè)備的安全運行，提高泵站工程的整體運行效率，確保系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

本研究通過對濰坊某大型排澇泵站供配電系統(tǒng)進行分析與優(yōu)化，提出確保泵站安全可靠運行的設(shè)計方案。通過應(yīng)用雙回路電源、需要系數(shù)法負荷計算、無功補償及諧波抑制等措施，提高系統(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟性。同時，合理的設(shè)備選型和電氣主接線設(shè)計為系統(tǒng)的未來擴容和改造提供了便利條件。未來，可引入智能化技術(shù)，提高系統(tǒng)的自動化水平和可維護性。

參考文獻：

［1］施海鷗.城市道路小型排澇泵站電氣系統(tǒng)設(shè)計要點分析［J］.廣東土木與建筑，2021，28（12）：15-17，58.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)標準：CJJ/T 120—2018［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

［3］李明霞.淺析用需要系數(shù)法確定計算負荷［J］.中國設(shè)備工程，2020（24）：242-243.

［4］劉滿元.污水處理站電氣規(guī)劃與設(shè)計［J］.產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，2020（9）：69-71

［5］朱春艷.排水泵站的電氣設(shè)計案例分析［J］.電子技術(shù)，2021，50（7）：140-141.

［6］張麗娟，謝現(xiàn)舉，李鑫，等.計及負荷功率因數(shù)提高的輸變電工程無功平衡實用計算［J］.電氣技術(shù)與經(jīng)濟，2023（8）：262-264，273.

［7］國家能源局.電力系統(tǒng)無功補償及調(diào)壓設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則：DL/T 5554—2019［S］.北京：中國計劃出版社，2019.

［8］甘衛(wèi)國.排灌泵站供配電系統(tǒng)建設(shè)中無功補償方式的探討［J］.治淮，2021（8）：58-59.

［9］李海.高壓并聯(lián)電容器組熔斷器熔斷原因分析及改進措施［J］.電工技術(shù)，2022（4）：140-141.