山區(qū)長距離供水工程提水泵站高壓直配供電方案設(shè)計

唐克銀，姜澤偉，于文蓬

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013)

王家院水庫向泰城供水工程是跨區(qū)域解決城市、工業(yè)資源型缺水或水質(zhì)型缺水的重要途徑和措施[1]。提水泵站作為工程的核心組成部分，對輸水工程發(fā)揮效能起著決定性作用，其供電電源作為工程建成后發(fā)揮功能的“心臟”，提供泵站運行的動力，對保障各種設(shè)備正常運轉(zhuǎn)、確保工程安全、穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用[2]。通過供配電科學(xué)設(shè)計，能夠有效保障泵站優(yōu)質(zhì)高效運行。因此，應(yīng)加大泵站供配電設(shè)計研究，尋求最優(yōu)方案，增強工程建設(shè)的合理性[3]。

1 工程概況

王家院水庫向泰城供水工程是為沿線城市及工業(yè)、生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)灌溉提供水源保障工程，從大汶口2號壩引水至王家院水庫調(diào)蓄后，通過管道向岱岳區(qū)、高鐵新區(qū)供水，輸水管道總長34.289km，管道流量1.5m3/s，管線沿線布設(shè)2座加壓泵站，分別為王家院水庫提水泵站和大河水庫提水泵站，其中，王家院水庫提水泵站設(shè)計安裝3臺(2用1備)水泵，采用SD500-1015B(985)雙吸離心泵，設(shè)計揚程150m，單機設(shè)計流量0.75m3/s，水泵葉輪直徑985mm，轉(zhuǎn)速985r/min。

2 電動機選擇

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》條文說明第10.4.1條，從無功功率角度，不再強調(diào)630kW及以上電動機要使用同步電動機。而異步電動機，可靠性良好、使用壽命較長、便于操作和維管、價格低廉。因此，考慮泵站建設(shè)實際和電動機的優(yōu)劣，本泵站選擇交流異步電動機。

2.1 額定功率

提水泵站主泵的額定功率選擇，主要依據(jù)為泵站設(shè)計流量和設(shè)計揚程的要求，根據(jù)GB 50265—2010要求，主泵電動機功率計算公式如下：

(1)

式中，K1—功率的儲備系數(shù)，按照水泵運行可能出現(xiàn)的最大軸功率，并留有一定的儲備，本泵站取1.05；K2—水泵工作狀態(tài)下系數(shù)，離心泵取值1.15；H—水泵在最不利條件下的揚程，其中，軸流泵的揚程可以選擇設(shè)計最大揚程,m，離心泵與其相反，為設(shè)計最小揚程,m，取值150m；η傳—水泵處于最不利工作狀態(tài)時的效率，%，取值0.86%；η泵—傳動效率，%，取值1%；Q—水泵處于最不利工作狀態(tài)時的流量，m3/s，取值0.75m3/s。

經(jīng)計算，主泵電動機功率為1549.57kW，故配套電動機額定功率1600kW，總裝機容量4800kW。

2.2 額定電壓

根據(jù)GB/T 3485—1998《評價企業(yè)合理用電技術(shù)導(dǎo)則》第4.1.1條的規(guī)定，功率在200kW及以上時，適宜采用高壓電動機。提水泵站單臺電動機安裝功率1600kW，高于200kW，故采用10kV等級高壓電動機。電動機選擇YXLKS560-6型，額定功率1600kW，額定電壓10kV，額定轉(zhuǎn)速186r/min，功率因素為0.86，定子電流為186A，設(shè)計的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比1.8，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比0.8，堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比5.5。

3 供配電設(shè)計

3.1 供電電源

王家院水庫提水泵站位于泰安市岱岳區(qū)南部，有多路電源可供選擇。參照《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊(第四版)》(以下簡稱《配四》)對用電負(fù)荷分級及供電要求，本泵站允許停電檢修，故用電負(fù)荷等級確定為3級，采用單回路10kV專用架空線路供電，供電電源引自董家莊35kV變電站10kV母線，供電距離為2.5km。

3.2 主接線設(shè)計

根據(jù)王家院提水泵站所處區(qū)域的電力配套設(shè)施現(xiàn)狀，高壓側(cè)供電等級確定為10kV。本泵站10kV電壓母線共設(shè)電動機出線回路3個、站用電出線回路1個，設(shè)備出線回路少，接線簡單，且供電負(fù)荷為3級，故電氣主接線采用單母線不分段接線方案。按照《配四》6-20kV配電站主要設(shè)備的配置方案，供電電源采用專用架空線路，電源進(jìn)線采用斷路器方案，如圖1所示。

圖1 10kV供配電主接線設(shè)計圖

3.3 啟動方式選擇

根據(jù)GB 50265—2010第10.5.1條規(guī)定，機組應(yīng)優(yōu)先采用全壓直接啟動方式，并應(yīng)符合母線壓降不宜超過額定電壓的15%的規(guī)定。本泵站在進(jìn)行電動機啟動電壓損失計算時，系統(tǒng)短路容量按董家莊35kV變電站高壓側(cè)斷路器分?jǐn)嚯娏饔嬎惬@得，取值為1557MVA，變壓器額定容量50MVA，電動機的額定啟動容量11.16MVA。根據(jù)已確定的供電方案和設(shè)備配置，按照供電系統(tǒng)最小運行方式和水泵一臺運行另一臺啟動最不利工況計算，采用全壓啟動方式，電動機起動電流倍數(shù)取5.5，計算得出母線壓降相對值為82.38%，小于15%，不滿足電動機啟動規(guī)范要求。因此采用軟啟動或變頻啟動方式，電動機起動電流倍數(shù)取3，計算得出母線壓降相對值相對值為89.55%，大于15%的規(guī)范要求，滿足正常啟動。

軟啟動是通過降低電壓啟動，啟動力矩會受一定影響，有一定沖擊電流。變頻啟動是通過改變電壓和頻率啟動，在不降低轉(zhuǎn)矩的情況下，連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以帶載，不會有沖擊電流。同時，考慮本泵站在遠(yuǎn)距離輸水運行過程中流量及揚程變化較大的特點，且為多級泵站配合，采用變頻調(diào)節(jié)方式即能充分發(fā)揮水泵效率，又可避免水泵突然啟動引起的水錘效應(yīng)，故選擇變頻啟動方式[6-9]。

3.4 短路電流計算

王家院水庫提水泵站采用10kV直配方式，電網(wǎng)系統(tǒng)最大運行方式短路容量通過斷路器額定短路開斷電流計算，最小運行方式短路容量取最大運行方式短路容量的60%進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1，并以此計算成果進(jìn)行高壓設(shè)備動熱穩(wěn)定度校驗和過電壓保護設(shè)備的額定短路分段容量及過電壓保護設(shè)備的選擇。

表1 10kV出線的短路計算成果表

4 主要設(shè)備選擇

4.1 變頻器選擇

泵站高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)選用JD-BP38系列，其以高速DSP為控制核心，采用新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機控制，系統(tǒng)主要由移相變壓器、功率單元和控制器等構(gòu)成，屬高-高電壓源型變頻器，具有高可靠性、易操作、高性能等特點。主要性能參數(shù)：①過載能力：105%連續(xù)，允許1min；150%允許3s，180%立即保護；②電壓允許波動：電壓：-10%～+10%；③頻率：±5%，-10%～-35%降額連續(xù)運行；④精度：模擬設(shè)定：最高頻率設(shè)定值的0.3%(25±10℃)以下，數(shù)字設(shè)定：最高頻率設(shè)定值的0.1%(-10～+50℃)以下；⑤分辨率：模擬設(shè)定：最高頻率設(shè)定值的1/2000，數(shù)字設(shè)定：0.01Hz(99.99Hz 以下)、0.1Hz(100Hz 以上)；⑥效率：>98%，額定輸出時；⑦功率因數(shù)：>0.95；8)加、減速時間：0.1～6000.0s，對加速、減速時間可以單獨設(shè)定。

4.2 高壓設(shè)備選擇

本泵站10kV高壓開關(guān)柜采用接線方式靈活、操作維護簡單、安全可靠的KYN28C-12型移開式金屬封閉開關(guān)柜設(shè)備，其進(jìn)線、饋線、母聯(lián)、計量、電壓測量及站用電等方案廣泛應(yīng)用在水利工程供配電系統(tǒng)。高壓配電室設(shè)置進(jìn)線柜、過電壓擬制柜、過電壓保護柜、出線柜共計9臺，采用KYN28C-12型高壓控制柜，高壓變頻室設(shè)置3臺變頻控制柜，采用JD-BP38-1600F。

4.3 站用變壓器選擇

根據(jù)泵站站用電負(fù)荷統(tǒng)計，所有用電負(fù)荷最大用電量約132.6kVA。根據(jù)GB50265—2010第10.6.1條的規(guī)定，站用電變壓器容量應(yīng)滿足可能出現(xiàn)的最大站用電負(fù)荷，且額定容量宜為預(yù)留20%～30%余量。因此，站內(nèi)用電設(shè)1臺容量160kVA變壓器，選用SCB11-160/10，變比為10/0.4kV，接在10kV母線上。所有斷路器采用真空式DVB2PLUS-12/T630-31.5型。變壓器低壓側(cè)經(jīng)自動空氣開關(guān)接至380/220V低壓母線，該母線為單母線不分段，充水泵、排水泵、潛污泵、各電動蝶閥及照明用電等均從母線引接。

5 過電壓保護及防雷接地設(shè)計

根據(jù)GB 50265—2010第10.9.1條的規(guī)定，室外配電裝置、架空進(jìn)線、母線橋等重要設(shè)施均應(yīng)裝設(shè)防直擊雷保護裝置，本泵站電源引自董家莊35kV變電站10kV母線，架空供電線路長2.5km，故在10kV架空線路終端桿前至少150m范圍內(nèi)設(shè)避雷線，終端桿以下進(jìn)線電纜段直埋在土壤中，埋地深度1m，進(jìn)線終端桿及前150m處電桿電纜頭處各裝設(shè)金屬氧化鋅避雷器1組，避雷器接地端與電纜金屬外皮和地線可靠連在一起接地，接地電阻不應(yīng)大于3Ω。為防止操作過電壓危及設(shè)備安全，在10kV母線上裝設(shè)1組氧化鋅避雷器。為保護直配電動機匝間絕緣和防止感應(yīng)過電壓，在10kV每相母線上裝設(shè)電容器。泵站電動機采用中性點引出線接地，故在中性點裝設(shè)1組避雷器，避雷器選用保護旋轉(zhuǎn)電動機的專用避雷器，專用避雷器由電動機廠家配套及安裝[10]。

泵站主副廠房及底板采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，故不設(shè)專用的防直擊雷接地裝置，泵房所有鋼筋焊接成網(wǎng)與接地網(wǎng)連接，作為自然接地體。所有金屬構(gòu)件、金屬保護網(wǎng)、設(shè)備金屬外殼及金屬外皮均做到可靠接地，與泵站主副廠房總接地體相連接。泵站總接地網(wǎng)的接地電阻值不大于1Ω，若不滿足要求，需另加人工接地體，直至滿足要求。

6 結(jié)語

本文通過王家院水庫向泰城供水工程對提水泵站高壓直配供電方案進(jìn)行了設(shè)計研究，對泵站電動機的選擇及啟動、主接線、高壓變頻器、高壓開關(guān)柜及過電壓保護等重點內(nèi)容進(jìn)行了逐項分析，從安全、經(jīng)濟、節(jié)能等角度完成了設(shè)備選擇，優(yōu)化了供配電方案，供同行參考，希望共同做好長距離供水泵站的設(shè)計工作。