耤河生态治理工程泵站电气设备的优化选型及主接线设计

栗祯泽（陕西省水利电力勘测设计研究院　陕西　西安　710002）

耤河生态治理工程泵站电气设备的优化选型及主接线设计

栗祯泽
（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710002）

本文论述了耤河生态综合治理一期续建工程中的1#泵站的电气系统的设计，其中包括负荷等级确定、供电方式的选择、主接线的设计、主要电气设备选择及布置。

泵站电气系统；设备选型；电气主接线

1　工程概况

藉河生态综合治理一期续建工程位于甘肃省天水市，是市委、市政府今年确定的重大建设项目，该工程集防洪、蓄水及景观美化于一体，在对藉河两岸堤防进行达标治理的基础上，对治理河段进行蓄水景观建设。该工程治理范围西起已建成的藉河工程末端6#橡胶坝，东至水家沟入汇处，治理长度约4km，绿化总面积11.56万m2，概算总投资4.37亿元，其中水利工程部分概算投资2.61亿元，景观工程部分概算投资1.76亿元。本工程由2座泵站、3处橡胶坝和一座钢坝闸组成。1#泵站的主要作用为给1#橡胶坝充、排水以进行立坝或塌坝；2#泵站的主要作用为给2#、3#橡胶坝充、排水以进行立坝或塌坝；本文以1#泵站为例，详细分析了泵站电气系统在设计时的设备选型及布置问题。

2　泵站供电方式

2.1负荷等级确定

电力负荷根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度分为三级［1］，本工程由于涉及河道防洪要求，运行期间若突然中断供电，停止供排水，可能会导致下游沿岸人员的人身伤亡和财产损失，所以用电负荷为一类负荷。

2.2泵站的负荷及供电方式

据统计，本泵站的最大机装负荷为230.96kW，最大运行负荷为188.04kW。供电电源的选择应该综合本工程的用电负荷、地理位置和地方电网的分布情况等因素考虑，在保证供电质量和可靠性的同时，尽量满足供电的经济性和管理方便，并结合城市电网的现状和发展进行规划设计［2］。经调查本工程附近有10kV城市公网为泵站供电。初步确定本工程拟采用就近10kV城网供电。

为了提高泵站供电的可靠性，泵站采用双电源供电，一路从就近10kV城网“T”接引入作为主供电源，另外再设一台0.4kV的柴油发电机组，作为备用电源，以保证河道在泄洪塌坝时泵站能安全可靠运行。

图1　不分段的单母线接线示意图

图2　分段式单母线接线示意图

3　主接线设计

泵站的电气主接线是连接泵站和变电所（电气系统）用以输送和分配电能的电路主接线图，是泵站电气运行人员进行各种操作和事故处理的主要依据之一，主接线形式一旦确定下来，有关的其他工作就要据此确定，主接线形式的选择直接影响泵站建成后的用电是否可靠、机组运行方式是否灵活、操作是否方便和安全等。主接线的设计一般要满足运行可靠、检修灵活、接线简单清晰和运行经济的要求。

对容量较大的泵站，考虑到电网的联络和备用变电容量，一般考虑桥形接线或者单母线接线。由于桥形接线在检修调试、运行中有局限性，母线在实际运行中出故障的几率较大，所以在经济条件允许的情况下，应优先考虑单母线接线［3］。单母线接线方式在计量点设置、保护设置和整定等方面也具有很明显的优势。因此，泵站电气主接线设计中首选单母线接线。单母线接线法又分为分段式和不分段式。不分段式的单母线接线示意图如图1，分段式的单母线接线示意图如图2。

由图1可以看出，电源回路（发电机或变压器出线）和线路出线WL回路都经过断路器QF和隔离开关QS共同接到同一组母线WB上。在断路器侧安装隔离开关QS1和QS2是为了保证检修人员的安全，QS1为母线隔离开关，QS2为线路隔离开关。为了能在接通和断开电源，并在故障情况下能自动断电，每一个电源回路和出线回路中都装有断路器QF。当出线回路的另一端无电源时，线路侧的隔离开关可以省掉。其中的QE为接地刀闸，可以在检测时替代临时接地线。

单母线分段如图2所示。用分段断路器QF将母线分为两段（I段和II段）。分段断路器QF在正常工作时可以投入使用，也可以断开。正常运行时，QF接通，任一端母线故障时，连在母线上的断路器QS1和分段断路器QF会断开，另一端母线仍旧工作。

分段单母线接线的接线形式简单，易于操作，可靠性强，且调度方便，扩建规划也较容易，此外出线回路较多，能多分担母线的电流，相关的投资增加不高该接线除具有单母线接线的诸多优点外，增加了供电的可靠性和灵活性。当母线或母线上隔离开关故障或检修时，仅该段母线停电，缩小了停电范围，分段越多，停电范围就越小。

根据对比结果以及按本工程的运行要求分析，决定高压采用10kV供电系统，低压侧按单母线分段方案设计。由于本工程的用电负荷为一类负荷，不允许停止供电，所以为了保证泵站的安全可靠运行，低压进线屏设双投开关。双投刀闸一端接主变低压侧，另一端接备用柴油发电机。

4　主要电气设备选择及布置

4.1主要电气设备选择

（1）电动机选择

电动机的选择应该在节约能效的基础上满足功率要求，因此考虑选用性能参数先进，工作特性优良，运行可靠，安装维修方便的YE2系列高效率电动机。

电动机的容量的选择就是对功率的选择。泵的功率通常指的是输入功率，也就是从电动机传到泵轴上的功率，也称为轴功率，用Pb表示。

在确定所需电动机的功率时，电动机功率须留有一定的安全裕量，电动机的功率以计算功率Pj来确定。Pj=KPb

K为安全系数，见表1。

表1　　轴功率与安全系数的关系

根据所需计算功率Pj，按照Pj功率向上靠选用标准功率的电动机。

经过计算，选择功率为75kW的电动机2台，电压等级选择为0.38kV。

（2）箱式户外变电站

按泵站设计结合后期景观的要求，本工程设计户外箱式变电站一座。箱式变电站包括变压器一台、高压环网柜三台、低压配电屏5面、无功补偿屏一面。具体优化选型如下：

①变压器

油浸式变压器虽然有噪音大、体积大等缺点，但是新型的全密封结构保证变压器油与空气完全隔离，延长变压器油的使用寿命，减少变压器的维护工作量，在一定程度上减少了油浸式变压器对泵站的潜在危险［4］。出于经济方面的考虑，本工程选用全封闭式油浸式变压器。

目前，国家已明文规定淘汰高能耗变压器，推广S9系列、S10系列、S11系列节能变压器。与S9系列变压器相比，S10和S11系列变压器损耗更低、噪声更低，并且价格相差不大，所以本工程选择最先进的S11系列变压器。

除了冷却方式，变压器的容量选择也很重要。容量过大不但增加一次性投资也会加大损耗；容量过小就无法满足用电要求，而损耗也往往偏高。一般来说，使变压器的负荷率在0.5～0.6时，有功功率损失最小；当变压器的负荷率在0.75～0.8左右时，功率因数最大。因此，一般设计时应尽量使变压器的负荷率在0.6～0.75左右。根据本泵站的负荷统计可知，泵站的最大工作负荷为188.04kW，经计算，本泵站变压器需要的容量为250kVA。

由于泵站装机台数较少（少于5台），负荷波动不大且间隔的时间不长，所以一台变压器就可以满足性能需求。

综上所述，本工程选用S11-250/10kV，10/0.4kV系列油浸式全封闭节能变压器一台。

②高压环网柜

高压环网柜是为提高供电可靠性，使用户可以从两个方向获得电源，通常将供电网连接成环形。在选择高压环网柜时须选用“五防型”，即防误合、分断路器；防带负荷的分、合隔离开关；防带电挂地线和带地线合闸；防误入带电间隔。五防型高压开关柜从电气和机械联锁方面采取具体措施，实现了系统的高压安全操作程序化，提高了可靠、安全性能。

综合性能和经济两方面因素考虑，本工程选用国内比较主流的使用SF6型断路器的XGN型柜。

③低压配电屏选择

低压配电屏是将低压电路所需要的开关设备，测量仪表和辅助设备，按一定的接线方案安装在金属柜内构成的一种组合式电气设备，用来进行控制、保护、分配和监视等，起到低压配电的作用。

本泵站选用价格低廉、运行安全可靠并且标准化程度高的GGD1型交流低压配电屏。

④无功补偿

无功补偿起降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境的作用。泵站功率因数根据《全国供用电规划》及《功率因数调整电费办法》的要求，无功功率采取就地平衡的原则进行补偿，补偿容量为45kVAR，补偿后的功率因数按主变高压侧0.95计算。

本泵站采用电容器就地集中补偿方式，集中补偿电容器安装在低压柜内。

4.2电气设备布置

泵站的电气设备布置一般应遵守以下两个原则［5］：

（1）必须结合泵站枢纽总体规划，交通道路、地形、地质条件，自然环境和水工建筑物等特点进行布置，应减少占地面积和土建工程量，降低工程造价。

（2）布置应紧凑，并有利于主要电气设备之间的电气连接和安全运行，且检修维护方便。降压变电站应尽量靠近主泵房、辅机房。

结合本工程的实际情况，泵站房按二层设计，±0.000地面以下部分为泵房，±0.000地上部分为辅助用房部分。地面下泵房内布置有水泵电动机组、充排水电动蝶阀、检修动力箱、蝶阀动力箱、排水泵控制箱等设备。辅助用房分为控制室及柴油发电机室，控制内布置机组PLC屏、软启动柜、工业电视柜、照明配电箱、风机配电箱设备；柴油发电机室布置柴油发电机设备。泵站室外布置成套箱式变电站一座，包含主变设备、高压设备及低压屏等设备。

5　结论

本文从电气系统设计选型实际出发，结合国家政策、设计经验和现场实际工况进行综合设计选型，对设施负荷等级的确定、供电方式的选择、主接线的设计、主要电气设备选择及布置进行了详细的论述。通过对已有泵站的主接线图的研究后，分析发现景观泵站的电气设备选型应以节能型产品为主，电力变压器等设备应优先选择户外一体化箱变，既可以节约土建费用，又可以与景观相结合增加美化度。

［1］牛双国，刘金平.水利工程施工场地用电负荷分析与措施 ［J］.中国农村水利水电，2008（2）:105-106.

［2］金珍宏.绩溪抽水蓄能电站施工供电设计［J］.水利规划与设计，2015（10）:91-94.

［3］黄京俊，孟晔，刘志伟.国外油田项目低压变电所主接线设计要点 ［J］.电气应用，2013（23）.

［4］宋宛净，姚建刚，汪觉恒，等.全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用 ［J］.电

力系统及其自动化学报，2013，24（6）: 111-116.

［5］闫明.泵站电气设备安全运行管理［J］.城市建设理论研究：电子版，2013.

（责任编辑：唐红云）

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