望天狮排涝站电气一次系统更新设计及实施研究

宋易珑 清远市水利水电勘测设计院有限公司

1.工程概况

望天狮电排站扩容改造工程位于清远市清新区范围，望天狮排涝区排涝标准为10年一遇24h暴雨1天排干，其属于治涝工程，治涝面积为6.9km，本工程等别为V等，工程规模为小（2）型。本次望天狮电排站扩容改造工程地处清远市清城区小市新城乡村振兴样板区，望天狮排涝坑已进行拓宽改造达到10年一遇的城排标准，望天狮排涝站承担着清新主城区集雨面积5.215km的排涝任务，但现状电排站排涝标准仍为10年一遇24小时暴雨所产生的径流量3d排干的农排标准，排涝能力较为有限，与上游排涝坑标准不相符且不能满足示范区建成后的排涝要求。可见，望天狮现状的排涝能力，难以满足示范区及相关规划的排涝需求，将严重影响围内生产生活的安全，为保障该示范区顺利建成以及围内居民生产生活的安全，迫切需要建设本工程。

2.电气一次设计

2.1 接入电力系统

现有的望天狮排涝站（以下称旧排涝站）的供电线路为110kV回澜站10 kV 回太联络干线电排支线4#杆引入现有户外10kV 降压站，排涝站至变电站线路长度约4.5 km。旧排涝站现有装机容量3×110KW+1×155kW=485kW，电动机额定电压0.38kV，3台轴流泵和1台潜水泵（潜水泵布置在前池的厂房外）。现有户外10kV降压站有2台柱上变压器（630kVA和250kVA变压器各1台），630kVA变压器由110kV回澜站10kV回太联络干线电排支线4#杆引入控制旧排涝站泵房内3台水泵；250kVA变压器由110kV回澜站10kV回太联络干线电排支线3#杆引入，控制前池侧1台潜水泵。

表1 新排涝站负荷计算表

根据本工程排涝规划，在旧排涝站10 kV进线侧新建1 座排涝站（以下称新排涝站），装机容量2×450kW+2×330kW=1560kW，电动机采用10kV高压电动机。由于新排涝站经过旧排涝站的架空供电线路，故在新排涝站动工前对现有电排进线进行改造，避开新排涝站施工场地，并在新排涝站开工前投入使用（此为10kV线路一期工程）；新排涝站仍由110kV回澜站10kV回太联络干线电排支线供电，经10kV高压电缆引入新排涝站开关柜室内（此为10kV线路二期工程）。

2.2 电气主接线方案

2.2.1 主接线方案

望天狮排涝站新站装机容量2×450kW+2×330kW，供电电压等级10kV，电动机电压等级也为10kV，采用10kV输电线路直接供电，根据《泵站设计规范》（GB/T 50265-2010）的有关条款，10kV电动机电压母线采用单母线接线。

2.2.2 站用电

新排涝站站用电设备安装功率为266kW，计算负荷为174.85kW，选用1台200kVA 的干式变压器作为站用电源。变压器负荷率约为87%。站用电母线电压采用400/230V三相五线制供电系统。排涝站设1台40kW的柴油发电机组作为应急电源。

2.3 电气一次设备选择

2.3.1 计算短路电流

短路电流计算采用《水电站机电设计手册》的计算方法，分别对各电排站10kV母线三相短路及0.4kV母线三相短路两种情况进行计算，计算采用等值阻抗法。

取基准值：Sj=100MVA，Uj=Up；当Uj=10.5kV时，Ij=5.5（kA）；Uj=0.4kV时，Ij=144.34（kA）。图中M为本电站3台450kw的水轮发电机。通过等值阻抗法和相关电气资料对主接线方案进行短路电流计算，系统电路电流及等值电抗图见图1，短路电流计算成果见表2。

表2 新电排站短路电流计算成果表

图1 电路电流（左）及等值电抗（右）图

2.3.2 电机启动方式及无功功率补偿

新站由110kV峡山站10kV农场甲线小楠支线#47塔供电，水泵异步电动机型号YL630-16，额定电压10kV，根据附近其他电排站相类似的高压电机设备启动方式，高压电机采用直接启动并在每台水泵高压启动柜后均配置一台10kV高压电容补偿柜。新站选用1台10kV/0.4kV干式变压器，即一台100kVA的干式变压器作为站用电源。

新站高压异步电动机，单机额定功率为450kW，额定功率因数取0.72，补偿后功率因数提高到0.92，所需补偿容量为242kVar，每台高压电容补偿柜补偿容量250kVar，水泵机组高压电容补偿柜补偿容量暂定250kVar，待机组供货厂家确定后，按厂家资料复核后确定补偿容量；新站站用电设备安装功率为136.3kW，计算负荷为70.95kW，额定功率因数取0.8，补偿后功率因数提高到0.92，所需补偿容量为23kVar，单个电容补偿容量20kVa r，共2 组，总容量40kVar，可满足高压电机和站用电无功功率补偿要求。

2.3.3 新站电气设备改造内容

电气系统更新主要电气设备选择应该要符合性能好、可靠性高且具有较长的使用寿命；近年来，设备的轻型化，占地少，维护简单也成为设备优选的主要考虑因素之一。此外，导体和电气的选择应该具有标准性，即选型应该符合国家相关规定，不能盲目追求成本及经济适用性。

1）主电动机。主电动机承担整个装置的运行工作，自建站以来，望天狮排涝站已经运行有三十多年，电机内部转子及定子已经达到设计使用年限，出现绝缘老化现象严重。此次将更换型号为YL630-16的立式三相异步电动机，更换后主电动机功率由原来的400KW增加到450KW，发电机机端部电压增至10KV。

2）站用高压柜。该站高压柜涉及10KV高压启动柜、开关柜和高压电容补偿柜。排涝站当前安置的开关柜子是固定式开关柜（GG-1A），这种固定式开关柜内部虽然已经实现了传统少油开关到真空开关的转换，但此类开关柜常有因元件布置不合理导致的金属线路外露，对值守人员造成了极大的安全隐患。现状排涝站已实现计算机监控代替人员值班，因此本次设计改造后对高压开关柜的使用具有更严格的要求。为了确保排涝站高压开关柜使用的安全性、可靠性和简便性，本排涝站采用KYN28A-12系列箱型固定金属封闭式开关柜，柜内部采用抽屉式断路器。高压启动柜同样使用KYN28A-12系列，控制电动机功率450kW。高压电容补偿柜采用GWBK10系列开关柜，待机组供货厂家确定后，按厂家资料复核后确定补偿容量。

3）站用变压器。望天狮排涝站现有三台主变压器，多年以来，主变压器维修次数较多，损耗极大。其中两台型号为SF15000/110,15000kV A,121±2×2.5%/6.3kV的变压器维修次数已超过10次大修，另外一台SF16000型的变压器也接近设计使用年限。目前我国市场通常以S9和S11两个系列的变压器为主导，S11相对S9系列具有更优的节能效果，据测算，空载损耗比两者相差接近30%；此外S11创新性采用节电模式，总体空载电流相比S9要低一倍，电流噪音也更低。本次设计电排站主变压器更换为S11系列节能型变压器，型号为SCB11-100，额定容量100kVA，额定电压10±2×2.5%/0.4kV。

4）电线设施。排涝站现状厂房电线电缆布置杂乱，各种电缆的堆放缺乏安全性，高压电缆与信息电缆、低压电线缠绕，绝大多数电缆出线了绝缘层脱落、保护层鼓包等现象，部分高压电缆属于超期产品，按照规范应该予以淘汰。基于此，现对所有超期损坏电缆进行全线更换，更换的电缆型号为YJV22和VV22。新更换电缆为耐火型电缆，高温防绝缘层开裂。

2.3.4 继电保护方案

1）电排站直流系统采用成套免维护铅酸蓄电池直流屏，直流电压选用220V，蓄电池容量选用100Ah，直流电源主要供高压设备的操作、保护、信号及自动装置用电。

2）全站电量测量二次额定电压采用100V，额定电流采用5A，在高低压进线柜均装设多功能数显表,其它回路和动力配电箱装设数显表，22kW以上电动机及重要电动机回路装设电流表，动力配电箱箱面均装设电压表。电能计量用互感器精确度等级配用0.2级，选用的仪表不低于0.5级，其它互感器精确度等级配用0.5级，选用的仪表不低于1.0级。

3）为保证电气设备安全运行、提高电排站自动化水平，10kV进线、PT、电动机出线、站用变出线均配置微机综合保护测控装置，测控装置安装在对应设备的高压开关柜继电器室内。

10kV进线、水泵电动机、站用变压器分别设置电流速断保护、高温保护等措施，其中水泵电动机、站用变压器还应该制定对应的机组轴承温度升高和定子温度升高保护及过电流保护。

3.机电设备布置

新站装机容量3×450kW，水泵为1400ZLB-85型立式轴流泵，水泵干式安装，厂房分为主厂房、安装间和副厂房，安装间位于主厂房右侧，与主厂房同宽；副厂房位于主厂房下游侧。

3.1 主厂房设备布置

根据机组布置需要，主厂房分为水泵层和电机层。水泵层布置主水泵，主水泵为干式安装，水泵层出水侧布置技术供水池、检修排水阀、检修排水泵、技术供水泵。适当位置布置备用柴油发电机组。

3.2 副厂房设备布置

副厂房布置在主厂房下游侧，副厂房共三层，设1个楼梯：其中副厂房一层布置高压室和中控室；副厂房二层布置办公室和会议室；副厂房三层布置休息室、资料室和茶水间。

副厂房一层：高压室内布置10面高压开关柜和1台站用变压器（即1面10kV进线柜、1面10kV计量柜、1面10kV母线PT柜、1面变压器出线柜、3面机组启动柜、3面高压电容器柜和1台SCB11-100kVA站用变压器）；中控室内布置8面配电柜（即1面低压进线柜、1面电容补偿柜、1面配电柜、1面直流屏、1面电池屏、1面公用LCU屏、1面机组LCU屏和1面视频柜，一字布置），中控室控制台布置计算机监控系统。

4.结语

文章结合望天狮排涝站扩容改造工程对电气一次系统做了较为细致的分析研究，基于排涝站现状设施设备使用情况、站内地形状况选取了电气设施的布置方案，主要内容涉及主厂房和副厂房设备的布置、接入电力系统、主要接线方案、站内高压柜、电机启动方式及无功率补偿、继电保护等方面。通过研究上述问题，有助于提升排涝站扩容后整体的运行成效、确保范围内排涝任务高效实施。本文所述电气更新设计及实施方案可作为小（2）型排涝站的典型案例，能够为其他相似工程提供设计参考。