山区长距离供水工程提水泵站高压直配供电方案设计

唐克银，姜泽伟，于文蓬

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

王家院水库向泰城供水工程是跨区域解决城市、工业资源型缺水或水质型缺水的重要途径和措施[1]。提水泵站作为工程的核心组成部分，对输水工程发挥效能起着决定性作用，其供电电源作为工程建成后发挥功能的“心脏”，提供泵站运行的动力，对保障各种设备正常运转、确保工程安全、稳定运行起着至关重要的作用[2]。通过供配电科学设计，能够有效保障泵站优质高效运行。因此，应加大泵站供配电设计研究，寻求最优方案，增强工程建设的合理性[3]。

1 工程概况

王家院水库向泰城供水工程是为沿线城市及工业、生态用水、农业灌溉提供水源保障工程，从大汶口2号坝引水至王家院水库调蓄后，通过管道向岱岳区、高铁新区供水，输水管道总长34.289km，管道流量1.5m3/s，管线沿线布设2座加压泵站，分别为王家院水库提水泵站和大河水库提水泵站，其中，王家院水库提水泵站设计安装3台(2用1备)水泵，采用SD500-1015B(985)双吸离心泵，设计扬程150m，单机设计流量0.75m3/s，水泵叶轮直径985mm，转速985r/min。

2 电动机选择

国家标准GB 50265—2010《泵站设计规范》条文说明第10.4.1条，从无功功率角度，不再强调630kW及以上电动机要使用同步电动机。而异步电动机，可靠性良好、使用寿命较长、便于操作和维管、价格低廉。因此，考虑泵站建设实际和电动机的优劣，本泵站选择交流异步电动机。

2.1 额定功率

提水泵站主泵的额定功率选择，主要依据为泵站设计流量和设计扬程的要求，根据GB 50265—2010要求，主泵电动机功率计算公式如下：

(1)

式中，K1—功率的储备系数，按照水泵运行可能出现的最大轴功率，并留有一定的储备，本泵站取1.05；K2—水泵工作状态下系数，离心泵取值1.15；H—水泵在最不利条件下的扬程，其中，轴流泵的扬程可以选择设计最大扬程,m，离心泵与其相反，为设计最小扬程,m，取值150m；η传—水泵处于最不利工作状态时的效率，%，取值0.86%；η泵—传动效率，%，取值1%；Q—水泵处于最不利工作状态时的流量，m3/s，取值0.75m3/s。

经计算，主泵电动机功率为1549.57kW，故配套电动机额定功率1600kW，总装机容量4800kW。

2.2 额定电压

根据GB/T 3485—1998《评价企业合理用电技术导则》第4.1.1条的规定，功率在200kW及以上时，适宜采用高压电动机。提水泵站单台电动机安装功率1600kW，高于200kW，故采用10kV等级高压电动机。电动机选择YXLKS560-6型，额定功率1600kW，额定电压10kV，额定转速186r/min，功率因素为0.86，定子电流为186A，设计的最大转矩与额定转矩之比1.8，堵转转矩与额定转矩之比0.8，堵转电流与额定电流之比5.5。

3 供配电设计

3.1 供电电源

王家院水库提水泵站位于泰安市岱岳区南部，有多路电源可供选择。参照《工业与民用供配电设计手册(第四版)》(以下简称《配四》)对用电负荷分级及供电要求，本泵站允许停电检修，故用电负荷等级确定为3级，采用单回路10kV专用架空线路供电，供电电源引自董家庄35kV变电站10kV母线，供电距离为2.5km。

3.2 主接线设计

根据王家院提水泵站所处区域的电力配套设施现状，高压侧供电等级确定为10kV。本泵站10kV电压母线共设电动机出线回路3个、站用电出线回路1个，设备出线回路少，接线简单，且供电负荷为3级，故电气主接线采用单母线不分段接线方案。按照《配四》6-20kV配电站主要设备的配置方案，供电电源采用专用架空线路，电源进线采用断路器方案，如图1所示。

图1 10kV供配电主接线设计图

3.3 启动方式选择

根据GB 50265—2010第10.5.1条规定，机组应优先采用全压直接启动方式，并应符合母线压降不宜超过额定电压的15%的规定。本泵站在进行电动机启动电压损失计算时，系统短路容量按董家庄35kV变电站高压侧断路器分断电流计算获得，取值为1557MVA，变压器额定容量50MVA，电动机的额定启动容量11.16MVA。根据已确定的供电方案和设备配置，按照供电系统最小运行方式和水泵一台运行另一台启动最不利工况计算，采用全压启动方式，电动机起动电流倍数取5.5，计算得出母线压降相对值为82.38%，小于15%，不满足电动机启动规范要求。因此采用软启动或变频启动方式，电动机起动电流倍数取3，计算得出母线压降相对值相对值为89.55%，大于15%的规范要求，满足正常启动。

软启动是通过降低电压启动，启动力矩会受一定影响，有一定冲击电流。变频启动是通过改变电压和频率启动，在不降低转矩的情况下，连续调节转速，可以带载，不会有冲击电流。同时，考虑本泵站在远距离输水运行过程中流量及扬程变化较大的特点，且为多级泵站配合，采用变频调节方式即能充分发挥水泵效率，又可避免水泵突然启动引起的水锤效应，故选择变频启动方式[6-9]。

3.4 短路电流计算

王家院水库提水泵站采用10kV直配方式，电网系统最大运行方式短路容量通过断路器额定短路开断电流计算，最小运行方式短路容量取最大运行方式短路容量的60%进行计算，计算结果见表1，并以此计算成果进行高压设备动热稳定度校验和过电压保护设备的额定短路分段容量及过电压保护设备的选择。

表1 10kV出线的短路计算成果表

4 主要设备选择

4.1 变频器选择

泵站高压变频调速系统选用JD-BP38系列，其以高速DSP为控制核心，采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制，系统主要由移相变压器、功率单元和控制器等构成，属高-高电压源型变频器，具有高可靠性、易操作、高性能等特点。主要性能参数：①过载能力：105%连续，允许1min；150%允许3s，180%立即保护；②电压允许波动：电压：-10%～+10%；③频率：±5%，-10%～-35%降额连续运行；④精度：模拟设定：最高频率设定值的0.3%(25±10℃)以下，数字设定：最高频率设定值的0.1%(-10～+50℃)以下；⑤分辨率：模拟设定：最高频率设定值的1/2000，数字设定：0.01Hz(99.99Hz 以下)、0.1Hz(100Hz 以上)；⑥效率：>98%，额定输出时；⑦功率因数：>0.95；8)加、减速时间：0.1～6000.0s，对加速、减速时间可以单独设定。

4.2 高压设备选择

本泵站10kV高压开关柜采用接线方式灵活、操作维护简单、安全可靠的KYN28C-12型移开式金属封闭开关柜设备，其进线、馈线、母联、计量、电压测量及站用电等方案广泛应用在水利工程供配电系统。高压配电室设置进线柜、过电压拟制柜、过电压保护柜、出线柜共计9台，采用KYN28C-12型高压控制柜，高压变频室设置3台变频控制柜，采用JD-BP38-1600F。

4.3 站用变压器选择

根据泵站站用电负荷统计，所有用电负荷最大用电量约132.6kVA。根据GB50265—2010第10.6.1条的规定，站用电变压器容量应满足可能出现的最大站用电负荷，且额定容量宜为预留20%～30%余量。因此，站内用电设1台容量160kVA变压器，选用SCB11-160/10，变比为10/0.4kV，接在10kV母线上。所有断路器采用真空式DVB2PLUS-12/T630-31.5型。变压器低压侧经自动空气开关接至380/220V低压母线，该母线为单母线不分段，充水泵、排水泵、潜污泵、各电动蝶阀及照明用电等均从母线引接。

5 过电压保护及防雷接地设计

根据GB 50265—2010第10.9.1条的规定，室外配电装置、架空进线、母线桥等重要设施均应装设防直击雷保护装置，本泵站电源引自董家庄35kV变电站10kV母线，架空供电线路长2.5km，故在10kV架空线路终端杆前至少150m范围内设避雷线，终端杆以下进线电缆段直埋在土壤中，埋地深度1m，进线终端杆及前150m处电杆电缆头处各装设金属氧化锌避雷器1组，避雷器接地端与电缆金属外皮和地线可靠连在一起接地，接地电阻不应大于3Ω。为防止操作过电压危及设备安全，在10kV母线上装设1组氧化锌避雷器。为保护直配电动机匝间绝缘和防止感应过电压，在10kV每相母线上装设电容器。泵站电动机采用中性点引出线接地，故在中性点装设1组避雷器，避雷器选用保护旋转电动机的专用避雷器，专用避雷器由电动机厂家配套及安装[10]。

泵站主副厂房及底板采用钢筋混凝土框架结构，故不设专用的防直击雷接地装置，泵房所有钢筋焊接成网与接地网连接，作为自然接地体。所有金属构件、金属保护网、设备金属外壳及金属外皮均做到可靠接地，与泵站主副厂房总接地体相连接。泵站总接地网的接地电阻值不大于1Ω，若不满足要求，需另加人工接地体，直至满足要求。

6 结语

本文通过王家院水库向泰城供水工程对提水泵站高压直配供电方案进行了设计研究，对泵站电动机的选择及启动、主接线、高压变频器、高压开关柜及过电压保护等重点内容进行了逐项分析，从安全、经济、节能等角度完成了设备选择，优化了供配电方案，供同行参考，希望共同做好长距离供水泵站的设计工作。