大中型潜水泵站供配电系统设计

郭文会

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司 中山市 528403）

潜水泵技术近年来发展较快，特别在低扬程（2 m～4 m）范围内，机组装置效率高，比相同比转速的轴流式水泵高出约2%～5%，特别适用于低扬程的抗旱排灌泵站。 笔者参与设计完成多座大型潜水排灌泵站，积累了一定实践经验，以下是在供配电系统设计中的一些体会和经验，供电气专业人员参考。

1 供电电源

尽管《泵站设计规范》（GB 50265-2010）和《潜水泵站技术规范》（SL 584-2012）没有明确泵站的负荷等级及供电方案，但大中型排灌泵站中断供电将对当地经济造成重大或较大损失，笔者认为依据《供配电系统设计规范》（GB 50052-2009），大中型排灌泵站负荷等级宜不低于二级，应采用双回线路供电，泵站负荷较小时可采用一回6 kV 以上专用的架空线路供电；当采用双回时，应按每一回路承担泵站全部容量设计。

在泵站设计过程中，现阶段可能暂时没有条件取得双回路电源，但亦应按双回路电源进行设计，泵站高压配电房、电气设备选择、自动化控制系统均应按双回路电源供电方案进行设计。 且现在很多工程建设、运行管理是分开的，建设单位获得建设资金相对容易，运行管理单位获得技术改造资金较为困难。双回路电源设计方案尽管部分设备暂时没有运行，但当条件具备后，运行管理单位不需要另外投入资金，或投入少量资金就可立即投入使用，给运行管理单位带来极大方便。

2 主接线

对于电气主接线《泵站设计规范》要求设计根据泵站性质、规模、运行方式、供电接线以及泵站重要性等因素合理确定，并没有具体说明接线具体方式。根据笔者经验规模较大、台数较多的泵站（装机容量5 000 kW、台数5 台及以上）宜采用双回路进线单母线分段接线（图1）；规模较小、台数较少的泵站可采用双回路进线单母线接线（图2），这种接线方式接线简单、清晰，较单母线分段接线减少了进线柜、电压互感器柜、计量柜及母联柜，不仅节省了电气设备投资，而且还减少了高压配电室的土建尺寸，降低了土建造价，从已经投入运行的几座泵站来看，这种接线母线没有发生故障，可靠性较高。另外，这种接线还是已建泵站双电源改造的优选方案，特别是高压配电房尺寸受限条件下。

图1 双回路进线单母线分段接线

图2 双回路进线单母线接线

3 功率因数补偿

大中型潜水泵多采用高压异步电动机，干式潜水电动机功率因数一般为0.65～0.8，湿式潜水电动机功率因数一般为0.8～0.85，根据《供电营业规则》大、中型电力排灌站功率因数为0.85 以上即可，但电力部门往往要求功率因数0.9 以上，因此潜水泵站均需要进行功率因数补偿。功率因数补偿方式有母线集中补偿和单机就地补偿，前者适用于小型低压机组，对于大中型潜水泵站，其特点是机组台数不多、且单机容量较大，宜采用单机就地补偿方式进行补偿。

根据《供配电系统设计规范》6.0.12 条规定：“接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0.9 倍”。 电动机单机就地补偿容量的选择应以补偿回路的电流不大于电动机的励磁电流的0.9 倍为准。 电动机单机补偿容量Qc的计算公式有两种方法：

（1）按电动机的空载电流选择。

式中 Qc——电动机补偿容量（kVar）；

Ue——电动机的额定电压（kV）；

I0——电动机的空载电流（A）。

（2）按电动机补偿前后的功率因数选择。

式中 P1——电动机的输入功率（kW）；

tanφ1——补偿前的功率因数角的正切值；

tanφ2——补偿后的功率因数角的正切值，一般补偿后的功率因数cosφ2取值为0.94～0.96。

两种计算方法计算出的Qc值结果往往不一致，大多数情况第（2）种方法计算值小于第（1）种方法的计算值，这时以第（2）种方法计算结果为准；若果第（2）种方法计算出的值大于第（1）种方法的计算值时，则以第（1）种方法的计算结果为准。

特别注意的是上述方法计算出的是电动机需要补偿的容量，并不是选用补偿装置的标称容量（即补偿电容器的安装容量），补偿装置的标称容量选择要考虑补偿装置串联电抗及电容器电压差异引起容量变化的影响。如某工程6 kV 电动机选用串联电抗器的补偿装置进行单机补偿，补偿装置每相串联安装BFM-6.6/√3-50-1型电容器和CKDG-3/6-6型电抗器，对补偿装置实际补偿容进行核算，其中电抗器容量为3×3=9 kVar，电容器电压差异引起的容量变化3×50×（6/6.6）2=123 kVar，所以补偿装置实际的补偿容量为123-9=114 kVar。

4 机组启动

机组应优先采用全电压直接启动方式，该启动方式优点是接线简单、可靠，启动转矩大，设备及土建投资少；但缺点是启动电流大、在配电母线上引起的电压降大。采用全电压直接启动，应符合母线电压降不宜超过额定电压的15%的要求。 电动机启动时电压降计算可按《工业与民用配电设计手册》 第三版第六章的方法进行计算。

电动机启动计算应按系统最小运行方式和机组最不利的运行组合形式进行，当同一母线上全部连接异步电动机时，应按最后1 台最大电动机进行启动计算；当同一母线上连接有同步电动机和异步电动机时，应按全部异步电动机投入运行，再启动最大一台同步电动机的条件进行启动计算。

电动机启动时，电压降落与系统容量、主变压器容量、机组容量密切相关，系统容量、主变压器越大，机组容量越小，启动时电压降落越小。 经启动计算，若全电压直接启动不能满足要求时，就宜采用采用降压启动方式，虽然《泵站设计规范》第10.5.1 条“当电动机启动引起的电压波动不致破坏其他用电设备正常运行，且启动电磁力矩大于静阻力矩时，电压降可不受15%额定电压的限制”，笔者建议条件许可的情况下最好能够采用降压启动，特别是泵站供电电源引自地区变电站，泵站不安装主变压器的情况。高压异步电动机最常用的降压启动方式是采用高压软启动装置，按应用不同技术可分为液阻型、固态可控硅型和干式可变电抗调压型。

5 过电压保护

对于直接与架空线路连接的电动机（简称直配电机），为了抑制雷电侵入波过电压对电动机绝缘的损害，应对其进行雷电过电压保护，对于容量小于1 500 kW 及以下的直配电机可采用图3 所示的保护接线。 现阶段国内潜水泵厂家生产的水泵机组容量大多小于1 500 kW，对于容量大于1 500 kW 的电动机的过电压保护应《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》和《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中对旋转电机的过电压保护要求进行。

图3 （a）进线段采用FE 的保护接线；（b）进线段采用避雷线的保护接线；（c）进线段采用避雷针的保护接线

避雷器F1、F2 也可以选用金属氧化物型避雷器，装设时应尽量靠近电动机，F2 可安装在潜水泵机组就地接线箱内；装在配电母线上的电容器-避雷器组（F1-C）与电动机之间的电气距离超过50 m时，应在电动机进线端加装一组避雷器。

安装在配电母线上的电容器是为了保护直配电机匝间绝缘和防止感应过电压，其每相容量应为（0.25～0.5）μF，对于中性点不能引出的电动机，其每相容量应为（0.1.5～2.0）μF。 电容器应有短路保护。对于采用图3（b）方式，保护直配电机用的避雷线，对边导线的保护角不应大于30°。

6 机组保护

潜水泵机组应按照《泵站设计规范》和《潜水泵站技术规范》要求装设电动机相间短路保护、低电压保护、过负荷保护、单相接地保护和机组超温保护外，还应监视机组是否漏水、漏电，并对电动机的绝缘电阻值进行监测。

（1）对于电动机相间短路，2000 kW 及以上的电动机应采用纵联差动保护；2 000 kW 以的电动机应两相式电流速断保护，当灵敏度不能满足要求时，应采用纵联差动保护，两种保护均应动作于断开电动机断路器。

（2）电动机低电压保护，低电压整定值应为40%～50%电动机额定电压，时限宜为0.5 s，动作于断开电动机断路器。

（3）单相接地保护，规范条文要求接地电流大于5 A 应装设接地保护。 笔者经验当供电电源采用架空线路时，一般可以装设；但当采用电缆线路时，宜装设。 以10 kV 240 mm2电缆为例，其单相接地电流可达1.6 A/km。单相接地保护5 A 报警，10 A 动作于断开电动机断路器。

（4）过负荷保护，保护整定值一般取1.05 倍电动机-电容器组电流值，整定时间一般可取（10～15）s。

（5）机组超温保护，对于电动机三相绕组、轴承箱温度应进行监测，温度升高进行告警，温度过高动作于断开电动机断路器，整定值按潜水泵厂家要求进行。

（6）潜水泵机组电动机长期浸泡在水中，电动机、电动机接线盒、油室均可能发生进水情况，当机组发生漏水、漏电情况时进行告警或跳闸，应选用潜水泵厂家专用的潜水泵保护装置进行保护。

绝缘监测均宜采用静态或动态方式对电动机绕组的对地绝缘电阻进行自动监测，开机前先开启绝缘监测设备对电动机进行自动检测，当绝缘电阻满足要求时（≥50 MΩ），缘监测设备宜自动退出，达到开机条件，否则应闭锁电动机启动回路，不能开机。绝缘监测设备应选用潜水泵厂家专用设备。

7 结语

做好潜水泵站电气设计还应注意接地、自动控制、设备布置、防火和防潮等方面内容，笔者仅从以上几个方面对潜水泵站电气设计进行阐述，希望对潜水泵站工程的建设提供借鉴和参考。

1 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2005.

2 皮积瑞，解广润.机电排灌设计手册（第二版）[M].北京：水利电力出版社，1992.