探究中小型電排站電氣設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

陳杰

摘要：中小型電排站前期電氣設(shè)計(jì)要充分考慮設(shè)備成本投入 ，文章結(jié)合筆者多年從事電排站電氣設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)，從小型泵站電氣設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā) ，詳細(xì)分析了電排站設(shè)計(jì)中根據(jù)變壓器容量和啟動方式、水泵軸功率關(guān)系的選擇原則，站用電選擇原則，電動機(jī)選擇原則，電動機(jī)啟動方式選擇原則，電動機(jī)啟動器選擇原則以及電容補(bǔ)償原則等，希望對行業(yè)建設(shè)發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。

Abstract： The early stage electrical design of small and medium-sized electric power station should fully consider the equipment cost input. Combined with the author's years of experience in electrical design of electric power station， from the perspective of electrical design and practical application of small pump station， this paper analyzed the selection principle according to ?transformer capacity and starting mode， pump shaft power relationship， station power selection principle， motor selection principle， motor starting mode selection principle， motor starter selection principle and capacitance compensation principle. It is hoped to provide certain reference value for the development of the industry construction.

關(guān)鍵詞：電排站;電氣設(shè)計(jì);設(shè)備選型

Key words： electric row station;electrical design;equipment selection

中圖分類號：TV734 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0153-03

0 ?引言

在現(xiàn)代城市防洪治理規(guī)劃中，電排站建設(shè)占據(jù)著重要的地位。它的主要作用是利用水泵將低洼位置集聚的水流及時(shí)排除，防止發(fā)生洪水或者內(nèi)澇。一般情況下設(shè)計(jì)小型電排站需要大量泵站，這為實(shí)現(xiàn)其排水功能并促進(jìn)工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要的保障。所以在開展電排站設(shè)計(jì)過程中，必須在先進(jìn)科學(xué)性、安全可靠性和成本可控方面做好統(tǒng)一協(xié)調(diào)，為后期穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)。所以，就該項(xiàng)工程而言，電氣設(shè)計(jì)方案綜合優(yōu)越性，變壓器、電動機(jī)等核心電氣設(shè)備選型，對于控制整個(gè)電排站工程的成本預(yù)算來說，非常重要。

1 ?主變壓器設(shè)計(jì)選型

小型排電站的設(shè)計(jì)電壓線路是10kV，配置的電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格是0.38kV，因此設(shè)計(jì)變壓器采用的規(guī)格是10/0.4kV級，變壓器選型要在盡可能低成本前提下，選用技術(shù)性能穩(wěn)定、安全性和穩(wěn)定性持久的產(chǎn)品。同時(shí)還需注意在設(shè)計(jì)上協(xié)調(diào)應(yīng)用邏輯關(guān)系：

1.1 主變壓器容量選擇與電機(jī)啟動方式相關(guān)聯(lián)系

根據(jù)多面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，常規(guī)的布置方案中，當(dāng)回路中最大那臺全壓直接啟動的電動機(jī)容量小于變壓器總?cè)萘?0%的時(shí)候，電動機(jī)瞬時(shí)電流一般是其額定電流平均7倍左右，此時(shí)的電動機(jī)母線電壓降不會超過15%。如果其中最大電動機(jī)容量大于變壓器總?cè)萘?0%的時(shí)候，電動機(jī)母線電壓降變化范圍多數(shù)情況下會超出15%，一般能夠多數(shù)采用的方式有兩種：一種是根據(jù)放大變壓器容量選配來提高電動機(jī)機(jī)端啟動電壓，這就是所謂的全壓直接啟動方法。根據(jù)此設(shè)計(jì)方案對設(shè)計(jì)物量進(jìn)行預(yù)估，在提升電動機(jī)相對機(jī)端電壓1%時(shí)，綜合測算，僅僅改大變壓器容量就要額外增加好幾千的采購成本預(yù)算，更關(guān)鍵電力增容貼費(fèi)也許補(bǔ)充一筆費(fèi)用（其單價(jià)為450元/kVA），一旦進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，前面增加的變壓器容量是多余浪費(fèi)的。從創(chuàng)造價(jià)值和利用率方面來說，這種啟動方式投入產(chǎn)出比嚴(yán)重不協(xié)調(diào)，在設(shè)計(jì)方案選擇與優(yōu)化方面難度非常大，設(shè)計(jì)上多數(shù)是不會推薦的;二是降壓啟動方式。這種設(shè)計(jì)方式的核心點(diǎn)在于設(shè)計(jì)增加一臺匹配的降壓啟動裝置，按照市場調(diào)研情況看，降壓啟動裝置成本投入相對來說就小很多了，還且還有利于縮小啟動電動機(jī)沖擊影響整個(gè)電路，在安全、可靠性大為改善，此設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)應(yīng)用上有較好效果的。

1.2 主變壓器容量與水泵軸功率的關(guān)系

我們推進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行備選的水泵軸功率與電動機(jī)功率對比過程會發(fā)現(xiàn)，兩者數(shù)據(jù)相差較遠(yuǎn)。通常電排站裝機(jī)功率是2×200kW，相應(yīng)配置的水泵軸功率峰值是單機(jī)180.3kW，電動機(jī)轉(zhuǎn)換效率最大為93%，額定電壓380V，功率因數(shù)是0.82，根據(jù)需要設(shè)置專用電壓變壓器。根據(jù)電動機(jī)功率配置變壓器：經(jīng)計(jì)算得到容量結(jié)果524.5kVA，則實(shí)際變壓器總?cè)萘渴?30kVA;如果按水泵軸功率配置，則得到的變壓器計(jì)算容量結(jié)果是473kVA，那么變壓器選擇的型號總?cè)萘烤褪?00kVA。對比之下就會發(fā)現(xiàn)，依據(jù)電動機(jī)功率進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)選型，容量高出20%以上，與整個(gè)電路配套的開關(guān)總閘、繼電器等，還有電纜規(guī)格要求等都要相應(yīng)提升等級，成本投入大大提高。所以，按照依據(jù)水泵軸功率來完成變壓器容量設(shè)計(jì)選型對成本控制來說非常重要。

1.3 變壓器型號選擇

隨著環(huán)保要求的提升，現(xiàn)階段提倡設(shè)計(jì)階段多考慮節(jié)能變壓器。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，油浸式電力變壓器按照其型號區(qū)分一般為S7、S8、S9三種規(guī)格。相比之下，容量一樣大的變壓器S9與S7系列相比，無論是在空載時(shí)的運(yùn)行效率損耗，還是在負(fù)載時(shí)運(yùn)行效率損耗都有明顯的優(yōu)勢。而且根據(jù)國家相關(guān)管理規(guī)章制度要求，S7型變壓器已經(jīng)被要求禁止使用，因此在電排站設(shè)計(jì)選用變壓器盡量采用S9型。

2 ?站用電選擇

在進(jìn)行站用電選擇階段，要充分掌握泵站裝機(jī)容量（小型泵站多數(shù)為2*200kW）、電網(wǎng)輸送電情況，一般有以下3種方式：第一，利用電排站周圍電網(wǎng)電源為電排站休整期供電，不必加裝專設(shè)站用變壓器。選擇站用電的設(shè)計(jì)思路，考慮的是電動機(jī)電壓母線連接，把附近電網(wǎng)電源作為整個(gè)站用電的備用，還能夠?yàn)檎麄€(gè)電排站停工檢修以及維護(hù)保養(yǎng)階段輸送用電;第二，設(shè)計(jì)方案上考慮加裝專項(xiàng)站用變壓器，該變壓器高壓側(cè)要連接到自主變壓器高壓端，站用電則選取自專用變壓器0.4kV低壓側(cè);第三，直接從電動機(jī)電壓母線上取得站用電。從技術(shù)設(shè)計(jì)角度分析，以上3種站用電選擇方案都能有效實(shí)現(xiàn)。最經(jīng)濟(jì)且可靠的是第一種方案，但是周圍必須有相應(yīng)的電網(wǎng)提供。其余第二、第三方案也要做好綜合經(jīng)濟(jì)效益的比較來選取，還要綜合考慮主變壓器與電動機(jī)容量完成匹配時(shí)的剩余容量大小，通常情況下，設(shè)計(jì)成本寬裕建議選取專用站變的方式，成本雖然略高，但可靠性和穩(wěn)定性明顯提升。

3 ?電動機(jī)選擇

通常電排站與水泵負(fù)載相連的電機(jī)，全年的工作情況來看，只有在排澇時(shí)段是持續(xù)作業(yè)的，無需進(jìn)行頻繁啟動，因此泵的設(shè)計(jì)選型保證額定功率比水泵負(fù)載功率略大一些就能實(shí)現(xiàn)正常工作。根據(jù)實(shí)際情況，常用小型電排站多數(shù)會結(jié)合成本投入和后期維護(hù)等角度考慮，選擇交流鼠籠型異步電動機(jī)與水泵相配套。

還有一種繞線型電動機(jī)，轉(zhuǎn)矩更大，但同等功率下，其價(jià)格比鼠籠型高很多。多數(shù)情況下水泵負(fù)載選取低壓鼠籠型電動機(jī)即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。不過啟動彎矩過大無法滿足時(shí)，就要選擇繞線式電動機(jī)來替代。

4 ?電動機(jī)啟動方式設(shè)計(jì)選擇

通常情況下，設(shè)計(jì)異步電動機(jī)設(shè)計(jì)直接啟動時(shí)要考慮：首先電動機(jī)啟動瞬間的電流峰值超過是額定電流好多，電網(wǎng)在承受沖擊電流上難以應(yīng)付;二是電動機(jī)啟動時(shí)能夠提供的轉(zhuǎn)矩不足，水泵應(yīng)達(dá)到轉(zhuǎn)矩最低限值才能驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)下去。因此必須切實(shí)在啟動方式設(shè)計(jì)前掌握實(shí)際要求。通常鼠籠型異步電動機(jī)的啟動方式分兩種，全壓直接啟動和降壓啟動。

首先就是當(dāng)“小容量”電動機(jī)載荷理論電壓降控制在額定電壓的15%以內(nèi)全壓直接啟動。這里提的“小容量”往往其電網(wǎng)容量比較小。

第二，中大容量電動機(jī)輕載降壓啟動。按前面所述，如果電動機(jī)啟動對干路電壓沖擊幅度超過15%，就不可以使用直接啟動的設(shè)計(jì)方式。因?yàn)殡娫措娋W(wǎng)可以抵抗的沖擊是有限度的，超過這個(gè)范圍，就必須采用降壓啟動來彌補(bǔ)缺陷。電動機(jī)啟動過程中，電壓降和系統(tǒng)容量、主變壓器容量、工作機(jī)組數(shù)量等之間都是有著相關(guān)的內(nèi)在聯(lián)系的，相比之下的系統(tǒng)容量和變壓器容量呈正比關(guān)系。在主變和系統(tǒng)容量保持確定前提下，如果多于3臺以上相同容量機(jī)組，就可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)母線電壓降不超過15%的范圍。

第三，繞線式電動機(jī)的啟動要求，通常都是中大容量電機(jī)且?guī)в兄匦洼d荷啟動作業(yè)，之前所述的問題都發(fā)生了相互交叉，在處理難度上比較麻煩。通常采取的解決措施是利用電動機(jī)串接電阻來減少啟動電流峰值，這樣還同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩有效增大。當(dāng)遇到了電動機(jī)需要通過頻繁啟動來完成作業(yè)，雖然電機(jī)容量較小，不過在短期內(nèi)反復(fù)作業(yè)啟動過程中持續(xù)有較大電流通過，而且持續(xù)較長的周期，就會產(chǎn)生大量的熱量，存在嚴(yán)重安全隱患。通常的解決措施是外接電阻控制電機(jī)啟動，這樣做的目的是避免電機(jī)反復(fù)啟動過程發(fā)熱出現(xiàn)安全隱患，把熱量轉(zhuǎn)嫁到外接電阻上。

5 ?鼠籠型電動機(jī)啟動器設(shè)計(jì)選型

該系列多數(shù)采取軟啟動器或自耦降壓啟動器的設(shè)計(jì)方案，二者具體分析對比看，優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯。

5.1 軟啟動器

根據(jù)啟動過程數(shù)據(jù)，我們對采用軟啟動器的電機(jī)特性曲線進(jìn)行了記錄并繪制成圖，結(jié)果表明性能曲線相當(dāng)平順，就其啟動電流來看可調(diào)性很強(qiáng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間短。而且1臺軟啟動器可以同時(shí)啟動多臺電機(jī)，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。

5.2 自耦減壓啟動器

利用該啟動器，會導(dǎo)致啟動電流大，對設(shè)備造成機(jī)械沖擊，稱為這種恒壓啟動呈現(xiàn)一段一段的梯隊(duì)形式，而且設(shè)備笨重，使用壽命要優(yōu)于軟啟動器。自耦減壓啟動器工作時(shí)發(fā)熱量大，不適宜短時(shí)間重復(fù)啟動，所以自耦減壓啟動器不建議控制多臺電機(jī)啟動。

6 ?電容補(bǔ)償設(shè)計(jì)方式

泵站無功補(bǔ)償通常有兩種方式可選：一種叫做集中補(bǔ)償，主要就是在電動機(jī)電壓母線集中完成;另一種叫做就地補(bǔ)償，即在電動機(jī)旁完成。集中補(bǔ)償?shù)脑捑鸵笤谠O(shè)計(jì)電動機(jī)接線方式時(shí)，電壓母線上布置一套電容器柜，柜里有自動切換裝置組合。但是補(bǔ)償容量不大，設(shè)計(jì)集中補(bǔ)償柜設(shè)計(jì)勢必造成巨大浪費(fèi)，所以就需要采用個(gè)別補(bǔ)償策略。對電動機(jī)實(shí)施個(gè)別補(bǔ)償策略，就要把電機(jī)零負(fù)載功率因數(shù)增加到1，需要指出的是空載時(shí)無功負(fù)載最輕。假如電機(jī)負(fù)載時(shí)采取補(bǔ)償策略，導(dǎo)致電動機(jī)輕載過補(bǔ)償，電源切斷后，慣性作用下的電動機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，會對整個(gè)回路造成嚴(yán)重影響。主要把對電容回路存在電流輸送到電動機(jī)，從而形成了勵(lì)磁電流，原本的電動機(jī)就轉(zhuǎn)換為感應(yīng)發(fā)電機(jī)，然后再將輸出的電流對電容器充電，再反復(fù)循環(huán)下去，這就是所謂的“自勵(lì)”。自力作用將導(dǎo)致過電壓現(xiàn)象，長時(shí)間作用下，將會破壞電機(jī)和電容器的絕緣。另外電動機(jī)仍在轉(zhuǎn)動時(shí)重新合閘會出現(xiàn)相當(dāng)大的沖擊電流，期間將會輸出較大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，長時(shí)間作用下，也會對電機(jī)軸造成極大的磨損，所以設(shè)計(jì)方案推進(jìn)過程中的個(gè)別補(bǔ)償策略，多數(shù)都是根據(jù)電機(jī)的空載工況來設(shè)計(jì)的。

7 ?結(jié)束語

綜上所述，中小型電排站是重要的防洪治理基礎(chǔ)建筑設(shè)施，要從設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用角度充分考慮，對于變壓器設(shè)計(jì)選型，站用電選取，電動機(jī)設(shè)計(jì)選型，電動機(jī)啟動方式選取，電動機(jī)啟動器設(shè)計(jì)選型以及電容補(bǔ)償?shù)雀鱾€(gè)方面做好設(shè)計(jì)梳理工作，避免電排站日后投入使用后出現(xiàn)各類問題。中小型電排站電氣設(shè)計(jì)及設(shè)備選型，要堅(jiān)持優(yōu)中取優(yōu)，只有先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，才能為我國電排站建設(shè)提供有利的保障。

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