淺談中小型泵站電氣設(shè)計(jì)的環(huán)保節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性

陳志剛

（岳陽市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院岳陽市414000）

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越依靠水利設(shè)施的運(yùn)用，對(duì)于洞庭湖區(qū)來說，電力排灌泵站的作用尤其重要。

中小型泵站有以下特點(diǎn)：靠近排灌區(qū)，排灌靈活；工程簡(jiǎn)易，投資省、見效快；以低壓機(jī)組為主，單機(jī)容量不大；裝機(jī)臺(tái)數(shù)不一，少到1臺(tái)，多到十幾臺(tái)；建設(shè)資金主要以國(guó)投為主，地方自籌為輔。

由于地方自籌資金到位的程度無法保證，中小型泵站的建設(shè)資金往往捉襟見肘，同時(shí)，為提高泵站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效率，在泵站建設(shè)中必須考慮環(huán)保節(jié)能，而這往往與經(jīng)濟(jì)性相矛盾。因此，在設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真考慮平衡環(huán)保節(jié)能和經(jīng)濟(jì)適用，使設(shè)計(jì)在滿足經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)盡量采用環(huán)保節(jié)能設(shè)備及措施。以下根據(jù)自己多年泵站設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勗陔姎庠O(shè)計(jì)中的幾個(gè)方面平衡環(huán)保節(jié)能及降低成本所要考慮的因素。

1 電壓等級(jí)的確定

隨著農(nóng)網(wǎng)改造的完成，現(xiàn)在農(nóng)用電供電半徑一般都不大，供電電壓等級(jí)主要有有35 kV、10 kV及0.4 kV。其中0.4 kV供電因電流大，線路損耗和用銅量顯著增大，而10 kV電壓供電能顯著降低損耗，又較35 kV供電經(jīng)濟(jì)，宜優(yōu)先選用。一般來說，為節(jié)約投資，當(dāng)泵站附近有10 kV或35 kV線路經(jīng)過時(shí)，宜通過T接的方式由系統(tǒng)取得電源，當(dāng)附近沒有線路或無法滿足要求確需架設(shè)專線時(shí)，才考慮從附近變電站架設(shè)10 kV專用線路。

2 主接線的確定

中小型泵站主接線主要根據(jù)泵站的負(fù)荷性質(zhì)及運(yùn)行特點(diǎn)決定。因中小型泵站負(fù)荷性質(zhì)均為三級(jí)負(fù)荷且容量較小，高壓電源側(cè)一般采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的線路——變壓器組接線；當(dāng)采用兩臺(tái)以上變壓器運(yùn)行時(shí)，也可采用單母線結(jié)線，選用的變壓器的變比、阻抗電壓和接線組別應(yīng)相同并且容量相同或相近（其容量比不應(yīng)超過3∶1），同時(shí)，為避免變壓器間因環(huán)流帶來的損耗和負(fù)荷分配的不平衡對(duì)變壓器造成的影響，盡量不要將多臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)電壓側(cè)可采用單母線或單母線分段形式。當(dāng)裝機(jī)臺(tái)數(shù)較多，考慮到運(yùn)行的靈活性，電動(dòng)機(jī)電壓母線可采用單母線分段接線分別接多臺(tái)電動(dòng)機(jī)和其它受電設(shè)備。

3 主要設(shè)備的選擇

（1）配電變壓器的選擇。

在設(shè)計(jì)中選擇配電變壓器時(shí)，除要充分考慮其性能參數(shù)外，應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷，合理選擇變壓器的容量，使變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，不僅能節(jié)電，同時(shí)也能提高功率因數(shù)。理論上當(dāng)變壓器在運(yùn)行中的空載損耗等于負(fù)載損耗時(shí)，效率最高，這在實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難做到，實(shí)踐中可主要考慮使變壓器運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線或最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線中，而這與變壓器的臺(tái)數(shù)、容量和性能參數(shù)密切相關(guān)。

國(guó)家已明文規(guī)定淘汰高能耗變壓器，推廣S9系列、S10、S11系列節(jié)能變壓器。S10、S11系列變壓器與S9系列相比較：損耗更低（尤其空載損耗）、噪聲更低；價(jià)格與S9系列相差不大；購置S10、S11系列變壓器一般只需運(yùn)行2～5年，就能通過節(jié)能回報(bào)補(bǔ)償價(jià)差。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用S10系列或S11系列配電變壓器。

變壓器的容量選擇要恰當(dāng)，既不能過大（增加一次性投資，加大損耗），也不能過?。o法滿足用電要求，損耗也往往偏高）。一般來說，適當(dāng)選擇變壓器的容量，使變壓器的負(fù)荷率β＝0.5～0.6左右時(shí)，有功功率損失最?。划?dāng)變壓器的負(fù)荷率β＝0.75～0.8左右時(shí)，功率因數(shù)最大；當(dāng)變壓器的負(fù)載率β＝0.45～0.75時(shí)效率較高，各個(gè)方面比較經(jīng)濟(jì)；因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使變壓器的負(fù)荷率β＝0.45～0.8左右。

合理的確定變壓器的臺(tái)數(shù)，可以兼顧靈活性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。當(dāng)泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)較多（一般多于5臺(tái)），負(fù)荷波動(dòng)大且間隔的時(shí)間長(zhǎng)，或低壓為0.4 kV的主變壓器容量大于1 250 kVA時(shí)（GB 50053—94規(guī)定，主變壓器單臺(tái)容量一般不宜大于1 250 kVA），可考慮選擇多臺(tái)變壓器，以提高運(yùn)行的靈活性，減少低壓配電線路的電能損耗、電壓損耗和有色金屬消耗量；在泵站單機(jī)容量較大、負(fù)荷集中且運(yùn)行合理時(shí)，亦可選用較大容量的單臺(tái)變壓器；在泵站裝機(jī)容量小，負(fù)荷波動(dòng)大的情況還可以通過選用調(diào)容變壓器來減少電能損耗。

如果資金有限，只能選擇1臺(tái)變壓器時(shí)，宜根據(jù)不同負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的不同，按最大負(fù)荷并考慮在最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間下的負(fù)荷使變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)的原則選擇變壓器的容量，在增加的成本較高時(shí)，則只按最大負(fù)荷來確定變壓器的容量，通過在運(yùn)行中合理的調(diào)度來實(shí)現(xiàn)變壓器最大化的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

實(shí)踐中常選擇兩臺(tái)變壓器，兩套設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，這時(shí)每臺(tái)變壓器容量宜按計(jì)算負(fù)荷的60%～70%來選擇，兩臺(tái)變壓器互為暗備用。假定泵站為8臺(tái)同型號(hào)機(jī)組，4～8臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，變壓器在正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率β分別如下：

β=（40/70）%～（40/60）%≈57.1%～66.7%

β=（100/140）%～（100/120）%≈71.4%～83.3%

基本上滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，一次增加的投資也不大，而且，在一臺(tái)變壓器故障的情況下，在不考慮變壓器的過負(fù)荷能力的情況下就能擔(dān)負(fù)起對(duì)大部分負(fù)荷供電的任務(wù)。

（2）電機(jī)的選擇。

減少電機(jī)的電能損耗的主要途徑是提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)。因此，設(shè)計(jì)中首先應(yīng)選用Y系列高效率電動(dòng)機(jī)；其次，電機(jī)電壓等級(jí)一般根據(jù)單機(jī)容量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，當(dāng)單機(jī)容量低于200 kW時(shí)選擇低壓電機(jī)，高于300 kW時(shí)選擇高壓電機(jī)，單機(jī)容量（200～300）kW時(shí)選擇低壓還是高壓電機(jī)則經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定；最后，合理選擇電動(dòng)機(jī)的容量，使其負(fù)荷接近額定負(fù)荷并留有適當(dāng)裕量，這時(shí)電機(jī)接近最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率因數(shù)最高。

選擇何種結(jié)構(gòu)的電機(jī)也是設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)比較的：鼠籠式電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、可靠、易維護(hù)、價(jià)格低，而繞線式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)較麻煩、價(jià)格高，但繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組可通過接價(jià)格平實(shí)、易維護(hù)的頻敏變阻器改善起動(dòng)性能，使電機(jī)平滑起動(dòng)，起動(dòng)力矩也較大，因此，許多中小型泵站都采用繞線式電機(jī)來提高起動(dòng)性能。但繞線式電機(jī)價(jià)格較鼠籠式電機(jī)價(jià)格貴不少，而且采用頻敏變阻器起動(dòng)時(shí)功率因數(shù)低。隨著軟啟動(dòng)技術(shù)的成熟，價(jià)格下降，泵站如果采用鼠籠式電機(jī)結(jié)合軟起動(dòng)的方式，反而可能降低造價(jià)，提高起動(dòng)性能，并可節(jié)約能耗。因此，在設(shè)計(jì)選用中低壓異步電機(jī)時(shí)宜優(yōu)先采用鼠籠式電機(jī)（直接或軟起動(dòng)）；對(duì)于大容量的高壓電機(jī)，在水泵轉(zhuǎn)速低時(shí)宜優(yōu)先選用同步電機(jī)，以提高功率因數(shù)。

（3）導(dǎo)體和電纜的選擇。

導(dǎo)體和電纜截面的大小，直接影響投資及電能損耗的大?。航孛孢x得小一些，可節(jié)約有色金屬和減少投資，但電能損耗增大；反之，電能損耗雖能減少，但有色金屬耗用量和投資都隨之增大。因此導(dǎo)體、電纜的截面除了滿足規(guī)范要求外，應(yīng)在投資、有色金屬消耗與電能損耗之間達(dá)到一個(gè)最優(yōu)選擇。

導(dǎo)體材料一般按負(fù)荷性質(zhì)、環(huán)境條件并綜合考慮損耗及經(jīng)濟(jì)型等因素選擇銅或鋁；在絕緣材料的選擇上，對(duì)于低壓電纜，由于相同截面的YJV系列電纜一般較VV系列電纜載流量大一個(gè)以上等級(jí)，在電流較大時(shí)選用YJV系列電纜可能比選用VV系列電纜更為經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也更為環(huán)保。

（4）開關(guān)設(shè)備的選擇。

開關(guān)設(shè)備的節(jié)能潛力相對(duì)不大，因此泵站在設(shè)計(jì)選擇開關(guān)設(shè)備時(shí)主要從經(jīng)濟(jì)可靠及環(huán)保角度上考慮。

高壓開關(guān)設(shè)備可采用跌落式熔斷器、斷路器或組合電器。一般來說，按以下原則選擇經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)：對(duì)于容量在400 kVA以內(nèi)的變壓器，設(shè)計(jì)中選用跌落式熔斷器，容量在（400～800）kVA以內(nèi)的變壓器，選用一般型負(fù)荷開關(guān)——熔斷器組合電器，容量在（800～1 250）kVA以內(nèi)的變壓器，選用真空斷路器或頻繁型負(fù)荷開關(guān)——熔斷器組合電器，容量大于1 250 kVA的變壓器則選用真空斷路器。

當(dāng)戶外變壓器容量在800 kVA及以上須設(shè)置重瓦斯跳閘保護(hù)或泵站有遠(yuǎn)方操作控制要求，設(shè)計(jì)采用組合電器時(shí)應(yīng)配置分勵(lì)脫扣器以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開關(guān)的自動(dòng)快速分閘，同時(shí)可供過載等保護(hù)跳閘用，這樣重瓦斯及過載時(shí)將通過繼電保護(hù)的方式使負(fù)荷開關(guān)跳閘而無須燒毀熔斷器，具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

泵站低壓斷路器宜按經(jīng)濟(jì)可靠原則根據(jù)保護(hù)對(duì)象的不同來選擇：對(duì)于電動(dòng)機(jī)宜選擇經(jīng)濟(jì)可靠的DWl5系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)型萬能式斷路器；對(duì)于變壓器低壓配電干線的主保護(hù)，宜選擇分段能力高的配電保護(hù)型萬能式斷路器，如ME、AE等；對(duì)于小容量的電動(dòng)機(jī)以及其他小負(fù)荷則可選用塑殼斷路器。由于泵站為一級(jí)配電，一般選擇更為經(jīng)濟(jì)的熱磁式就能滿足正常的運(yùn)行要求，因此不建議選擇電子式。萬能式斷路器安裝方式可選擇固定式或抽屜式，選用抽屜式因可以取消刀開關(guān)，所以經(jīng)濟(jì)性并不差。

4 配電形式的確定

高壓配電設(shè)備可選用戶外或戶內(nèi)設(shè)備，在實(shí)踐中，主要根據(jù)變電站用地范圍及主、副廠房空間的限制，考慮經(jīng)濟(jì)性來確定。無論采用何種形式，都必須考慮使配電設(shè)備盡量接近負(fù)荷中心，以縮短配電線路，降低線路的電能損耗、電壓損耗和有色金屬的消耗量。

由于箱變具有成套性強(qiáng)、體積小、占地少、能深入負(fù)荷中心、提高供電質(zhì)量、減少線路損耗、縮短送電周期、選址靈活、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便、運(yùn)行安全可靠及投資少、見效快等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后中小型泵站高壓配電設(shè)備可以考慮采用成套戶外箱式變電站。

低壓配電設(shè)備一般采用戶內(nèi)低壓開關(guān)柜的形式。由于GGD系列低壓開關(guān)柜具有柜體標(biāo)準(zhǔn)化；價(jià)格低廉；運(yùn)行安全、可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)于中、小泵站，一般設(shè)計(jì)中可選用經(jīng)濟(jì)可靠的GGD系列作為低壓開關(guān)柜。

5 起動(dòng)方式的確定

直接起動(dòng)起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快，但是危害很大：造成對(duì)電網(wǎng)沖擊，給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來威脅，縮短其使用壽命；同時(shí)過大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命，并造成巨大的起動(dòng)能量損耗，尤其當(dāng)頻繁起停時(shí)更是如此。

相對(duì)于傳統(tǒng)減壓起動(dòng)方式，軟起動(dòng)器以體積小，轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)、起動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小并具有軟停機(jī)功能等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用。由于無沖擊電流，可自由地?zé)o級(jí)調(diào)整至最佳的起動(dòng)電流，因此非常適用各種泵類負(fù)載。

三相晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)器是新型電子軟起動(dòng)器，相對(duì)于磁控式和自動(dòng)液體電阻式軟起動(dòng)器有較優(yōu)越的性能，相對(duì)于變頻器有較低的價(jià)格，具有起動(dòng)電流?。ㄇ铱筛鶕?jù)需要設(shè)定起動(dòng)電流倍數(shù)），電壓可連續(xù)平滑調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)采用軟起動(dòng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選擇功能簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、操作方便、有多種運(yùn)行狀態(tài)的晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器采用斜坡電壓起動(dòng)，除能實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)外，在泵站變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行時(shí)，還具有輕載節(jié)能的效果（不帶旁路接觸器），在接觸器旁路工作模式還可用一臺(tái)軟起動(dòng)器去起動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，從而大大減少一次性投入。

同時(shí)，三相晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器還具有許多保護(hù)功能：過載保護(hù)功能，缺相保護(hù)功能，過熱保護(hù)功能及其它功能，可以省去熱繼電器等設(shè)備；可讀取電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從而可減少傳感器及儀表，這也在很大程度上降低了成本。

綜上所述，對(duì)于鼠籠式異步電機(jī)，當(dāng)機(jī)組容量較低，滿足直接起動(dòng)要求時(shí)，可采用全電壓直接起動(dòng)，當(dāng)不滿足直接起動(dòng)要求時(shí)，優(yōu)先采用三相晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器軟起動(dòng)；對(duì)于繞線式異步電機(jī)優(yōu)先選用轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器方式啟動(dòng)；對(duì)于同步電機(jī)則一般采用直接起動(dòng)。

6 無功補(bǔ)償及其它

提高功率因素對(duì)降低電能損耗、提高供電質(zhì)量具有重要意義。一般情況下應(yīng)通過合理選擇設(shè)備，提高自然功率因素來實(shí)現(xiàn)，在不能滿足要求時(shí)或者代價(jià)太高時(shí)，必須通過進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少設(shè)備容量和功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。

另外，由于轉(zhuǎn)速與流量成正比，功率與流量的三次方成正比，當(dāng)水泵流量減少時(shí)，功率按流量的三次方大幅下降，采用電機(jī)的軟起動(dòng)方式與調(diào)速方式相結(jié)合可以進(jìn)一步降低能耗；在泵站照明方式及設(shè)備選擇上，采用一般照明與加強(qiáng)照明相結(jié)合的方式，選用成熟平價(jià)的高光效、長(zhǎng)壽命、顯色性好的光源、燈具和鎮(zhèn)流器（采用緊湊型熒光燈或T5、T8熒光燈，寬大場(chǎng)所使用金屬鹵化物燈和高壓鈉燈），也可以在節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性上達(dá)到平衡。

同時(shí)，合理選擇控制保護(hù)及其他設(shè)備，采用交流操作電源（帶UPS），在滿足泵站性能要求的同時(shí)，可以節(jié)約成本，使得在選用環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品上有更大的余地。

1 皮積瑞，解廣潤(rùn).機(jī)電排灌設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1992.

2 天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

3 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

4 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣一次部分）上、下冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1989.

5 鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下冊(cè)）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

6 電氣工程師手冊(cè)第二版編委會(huì).電氣工程師手冊(cè)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

7 北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì).照明設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.