南滨排涝泵站电气设计要点.pdf

Serial No.93（总第9 3 期）XianRail TransitVocationalEducationResearchNo.4,20232023年第4期育研究职业教西安轨道交通南滨排涝泵站电气设计要点吴桂良，滕峰，罗刚，张凯超，林锦伟（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉43 0 0 14）摘要：大中型排涝泵站是城市基础设施的重要组成部分，是保障城市安全、防止城市洪涝灾害的重要设施。合理得进行电气设计是保证排涝泵站正常运行的一个重要环节。文章以南滨泵站为例，针对城市大型排涝泵站的特点，介绍了该工程电气设计的相关要点。该泵站在设计过程中，通过相关技术和经济比选，确定主接线方案采用单母线分段、启动方式采用中压干式调压软启动器。针对泵功率、高效低速立式排涝泵的驱动需求，采用标准低极数（4P/6 P）立式异步电机加行星齿轮减速箱方案。关键词：排涝泵站；电气主接线；电机启动；立式齿轮箱中图分类号：TV675文献标识码：B文章编号：SY010-（2 0 2 3)0 4-0 0 6 0-0 5Key Points of Electrical Design for Nanbin Drainage Pump StationWu Guiliang,Teng Feng,Luo Gang,Zhang Kaichao,Lin Jinwei(Central&Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co,Ltd,Wuhan,Hubei 430014,China)Abstract:Large and medium-sized drainage pumping stations are an important component of urban infrastructure,and are important facilities for ensuring urban safety and preventing urban flood disasters.Reasonable electrical de-sign is an important link to ensure the normal operation of drainage pumping stations.Taking the Nanbin pumpingstation as an example,this article introduces the relevant electrical design points of the large urban drainage pum-ping station based on its characteristics.During the design process of the pumping station,through relevant techni-cal and economic comparison,it was determined that the main wiring scheme should adopt single busbar segmenta-tion and the starting method should adopt medium-pressure regulating soft start device.To meet the driving re-quirements of high-power,high-efficiency,and low-speed vertical pumps for drainage pumps,a standard low polenumber(4P/6P)vertical asynchronous motor and planetary gear reducer scheme is adopted.Key words:Drainage Pump Station;Main Electrical Connection;Motor Startup;Vertical Gearmotor随着我国经济发展、城市规模的扩大，城市防洪排涝已成为制约城市健康发展的重要因素。近年来，因排涝设施建设滞后或不合理而导致的城市内涝灾害时有发生，已对居民的生产生活造成了不良影响。南滨泵站是汕头南滨片区重要的防洪排涝措施，泵站的建成将有力提升片区排涝能力，保障片区防洪安全。排涝泵站电气设计是保障排涝泵站正常运行收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 9作者简介：吴桂良（19 8 8-），男，福建宁德人，中国市政工程中南设计研究总院有限公司工程师61吴桂良，等南滨排涝泵站电气设计要点的一个重要环节。可靠的电气系统可以保证排涝泵站在各种运行模式下都能正常工作，从而避免由于电气设备问题带来的排涝泵站运行故障，进而造成城市内涝、洪水灾害等严重后果。1工程概况南滨泵站位于汕头市濠江南滨片区规划主排渠出口，为堤身式泵站，泵站设计流量为10 0 m3/s，水泵总装机容量7 5 0 0 kW，自排水闸设计流量为247m3/s,并考虑渔船通航需求。主要构（建）筑物含泵房、自排水闸、粗格栅、配电间等。根据泵站设计规范（GB50265-2022）和水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2017）规定，南滨泵站等别为等工程，规模为大（2)型，泵站主要建筑物为2 级，次要建筑物为3 级，临时性建筑物级别为4级。2电气设计2.1供电电源南滨泵站安装有6 台雨水泵，配套电动机采用10kV供电，单机容量12 5 0 kW。泵站内另有部分低压辅助设备负荷，根据负荷计算结果，设置2 台160kVA站用变压器，一用一备。工程总装机容量7 8 2 0 kW。排涝泵站作为重要的民生设施，若供电中断，会导致所负责的排涝区雨水无法正常排出，造成城市内涝，严重影响经济发展，甚至导致人员伤亡，对人民生活、社会发展造成较大影响。因此，需要可靠的供电电源以保证当发生电力线路常见故障时，不致中断供电或者中断后能迅速恢复。根据供配电系统设计规范，本工程确定为二级负荷。由于本工程水泵电机单机容量较大，电压等级较高，若采用柴油发电机作为备用电源，占地面积大，设备造价昂贵，噪音污染严重，实现可能性不大。故要求由市政电网接引两回路10 kV电源供电，一用一备，每回线路均能承担泵站10 0%用电负荷。2.2电气主接线对于双电源的6 10 kV中压配电系统，较常用的主结线形式主要为单母线接线、隔离开关受电和分段的单母线结线、断路器受电和分段的单母线结线三种方式。主接线方式的选择应依据规模大小、电机电压等级、运行时间以及占地面积等要求，选择原则如下：1)规模较大、电机采用中压电机的泵站，中压系统优先选用断路器受电和分段的单母线结线；2)规模较小、电机采用低压电机的泵站，或者规模较小、电机采用中压电机的小型泵站，中压系统宜选用单母线接线，低压系统采用单母线分段接线或单母线接线方式。本工程主要用电设备为中压电机，低压负荷主要为小功率工艺设备、永久建筑设施和工程管理设施的照明用电等，负荷较小。考虑到中压需设置八回馈线回路，且要求工程供电可靠性较高，在母线故障或检修时仅允许缩小停电范围，不得全厂断电，故中压主接线采用断路器受电和分段的单母线结线。主接线图如下所示：香用电源益线十1L体化氧激动相一体化软光动趣一体化教持动性10/0.4V18=9.24k图1电气主接线图62西安轨道交通职业教育研究2.3电机选型本工程雨水泵的设计转速仅为2 14r/min，转速较低，且选用立式水泵。与之配套的驱动装置考虑以下三种方案供述选，如下表：表1水泵驱动方案比选方案28级同步电机28级异步电机4P/6P异步电机+VGM（立式齿轮减速箱）驱动形式立式多级同步电机直驱立式多级感应异步电机直驱4P/6P异步电机+VGM励磁装置需要额外励磁系统无无励磁变压器需要励磁变压器无无功率补偿装置无需要，且较大需要，较小效率较高较低高功率因数高低较高体积大较大小重量重较重轻噪声大大低安装、维护安装、维护保养复杂，后期维护成本高维护较复杂，后期维护成本低于同步电机异步电机维护简单，齿轮箱维护低，整体维护成本低对基础及泵房建设要求要求更大的起吊设备，基础投资大，基建投资大要求更大的起吊设备，基础投资大，基建投资大相比前者重量大大降低，起吊和基础投资大大降低当电机级数超过2 0 级时，可以考虑采用同步机，但同步电机维护工作量大，启动时需要单独的励磁装置，体积重量均较大，且本工程为排涝泵站，启动频率低，后期维护工作量大。虽然国内电机厂可以生产3 2 级及以下异步电动机，但电机体积、重量大，运输、安装很不方便，电机功率因数很低，国内很少使用。减速齿轮箱方案造价较2 8 级同步、异步电机略高，但电机体积、重量小，运输、安装方便，可以节省土建造价，并且功率因数较高，维护方便。综上所述，故本次推荐采用4P/6P异步电机+减速齿轮箱方案。该方案整体体积小，运输、安装方便，降低了对电机运输车辆及进厂道路拐弯半径的要求，节约泵房起吊设备、基础的投资，方便施工，大大节约土建造价；减速箱承受轴向推力，无需电机承受；4级电机维护简单，减速箱一体化设计免维护，整体维护成本低；与同步电机相比不需要额外的励磁装置，节约配电间面积；与大级数异步电机相比，无功补偿容量少，电机整体效率高。4级电机+减速箱方案与传统2 8 级异步电动机、同步电动机相比，更适用于本工程，并且也是国内为数不多的应用于排涝泵站立式轴流泵工程的案例。2.4电机启动压降及启动方式选择对于排涝泵站机组起动方式的选择，可以从以下三个方面进行考虑：1)当采用全压起动时，母线及电机端子压降是否满足现行规范要求；2）当地供电部门的相关规定、要求；3)对于低压电动机，当回路的开关电流达到一定值时，电动机回路直接起动电流较大，容易烧毁断路器或接触器触头，采用软启动器降压起动比较合适。本工程主电机均为中压电机，且电机容量较大，起动过程中会引起不可忽视的电压损失。因此，设计中应先计算电动机起动时的电压水平，以便正确选择起动方式，并根据起动电流校验供配电和起动设备的过负荷能力。本工程电源取自10 kV公共线路，进线采用YJV22-8.7/15kV3x150mm电缆，电缆长度约3.0km，线路阻抗X,=0.1592（泵站到电机3.1m，阻抗0.093Q/km）。电动机额定容量：Srm=P/0.85=1470kVA=1.47MVA，额定电流起动倍数k=6;功率因数为0.8 5。变电站供电变压器的额定容量：Sr=40MVA；母线短路容量：Skm=200MVA；预接负荷的无功功率:Qm=0.6x(S,r-0.75S.m)=23.2Mvaro63吴桂良，等南滨排涝泵站电气设计要点电动机起动时，起动回路的额定输人容量：1Ss=8.68MVA(1)t1A,SstMm电动机起动时，母线电压降相对值：Skm+QmUSm+Qm+S.(2)stmst电动机起动时，端子电压相对值：SWstMu0.95(3)stmSstM电动机起动电流：S.Is,=ustm(4)3Umst由以上计算结果可知，电动机全压起动时的母线压降及电动机端子电压水平均满足规范要求，可考虑采用全压起动。经与当地电力部门沟通，由于本泵站单机容量较大，如采用全压起动势必将对同一线路上的其它供电用户的电能质量产生一定的影响。同时，由于在雨季时排涝泵站需要频繁起动，采用降压起动方式可以有效减少对机电设备的冲击，有利于延长设备寿命。而且，目前该地区已建成的排涝泵站亦多采用降压起动方式。基于此，本工程考虑采用软启动器降压起动。几种较为常见的软启动器方式对比如下表所示：表2 车软启动器对比软启动器原理优点缺点开关柜、运行柜和启动柜三合一的一体化设计，节约用地；保持了工干式调压软启动柜单个软启动柜造价较高频电网的正弦波，谐波较少；适用于沿海气候环境；免维护设计液阻软起动器阻值可以无级控制和热容量大，造价低体积较大，维护工作量较大固态软起动器体积小、结构紧凑，几乎免维护造价较高磁控软启动器体积较小、维护量较小、重复启动型好高次谐波严重变频器启动平稳，限流同时保持较高启动转矩，维护量小价格昂贵、结构复杂，体积巨大通过比选，本工程10 kV软启动采用中压干式调压软启动柜。该启动柜采用一体化设计，体积小，安装维护容易简便，受使用环境和温度影响较小，更适用于沿海城市恶劣环境。2.5无功补偿目前，常见的无功补偿方式包括静态补偿和动态补偿，一般可以从电压稳定性、功率因数调节、负荷均衡和谐波滤除等方面综合考虑、选取。本工程主要负荷为10 kV中压电机，且单机容量较大、补偿需求稳定，因此考虑采用电容器就地补偿。该补偿方式相对来说成本更低，不需要配套其他设备，依托于负载，减低了设备和线路的使用成本。工程中其它辅助设备均为低压负荷，容量较小且分散分布，由16 0 kVA变压器供电。考虑在变压器低压侧设置集中补偿电容，该补偿方式能够同时补偿多个电缆线路和负载，没有就地补偿中的控制繁琐和管理复杂。补偿后低压侧功率因素达到0.9 5 以上，10 kV进线侧的功率因数达0.9 以上，满足供电部门的要求。2.6短路电流计算因本工程为受电端，暂无法得到准确的短路数据，经咨询当地电力部门后，按系统容量无穷大、供电变电站出口短路容量2 0 0 MVA为计算条件，进线电缆为两回3 x150mm2铜芯交联聚乙烯电缆，供电距离3 km。计算得泵站电源进线端的短路电流为18.3kA，变压器低压侧短路电流为5.8 kA。依据以上计算条件，校核断路器开断电流、电流互感器、电缆的热稳定电流。中压配电设备的额定短路开断电流可取为25kA，低压主配电系统的额定短路开断电流可取为5 0 kA。3总结城市的防洪排涝问题已成为城市建设中越来（责任编辑：王风）上接第5 9 页）（责任编辑：任建国）64西安轨道交通职业教育研究越严峻的问题，为保证排涝泵站运行的安全性、可靠性，对于泵站的电气系统设计应提高要求。在实际设计过程中，应紧密结合工程特点，经过计算确定合适的设计参数，合理进行电气主接线选择及机电设备选型。参考文献1中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册【M.4版.北京：中国电力出版社,2 0 18.（3）电缆及电缆头试验合格。并定期进行预防性试验。（4）运行中对电缆的周期性巡检要求：眼看（分为正常巡检眼看，熄灯巡检眼看，测试眼看等方法。正常巡检眼看主要内容：绝缘距离满足要求，电缆支持架电缆头安装牢靠，弯曲强度、热胀冷缩位移合理，电缆头无外力作用和绝缘颜色正常，连接螺丝无松动、变形等。测温片颜色正常。熄灯巡检眼看主要内容：主要观察发红、放电现象。测试眼看主要内容：利用测温仪等仪器测量电缆及电缆头的温度等），耳听（无放电等异音），鼻闻（无电气绝缘焦糊等异味）。（5）检修：有切合实际的电缆检修作业指导书,并按周期进行检修，确保检修质量标准。（6）建立一支懂电缆运行维护的职工专业维护、试验队伍，按照电力设备试验规程，及时对电缆及电缆头进行试验，确保电缆正常运行。5结束语通过现场实际具体设备的隐蔽问题处理，使我2中华人民共和国住房和城乡建设部泵站设计规范：GB50265-2022S北京：中国计划出版社，2 0 2 2.3中华人民共和国住房和城乡建设部供配电系统设计规范：GB50052-2009S .北京：中国计划出版社,2 0 10.4中华人民共和国住房和城乡建设部.城镇排水系统电气与自动化工程技术标准：CJ/T120-2018S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 18.更加认识到，电缆运行隐蔽问题的危害性。要确保电缆的稳定运行，不但要有合格的电缆，还要在线检测、结合预防性试验作保障，预防电缆隐蔽故障，防止电缆发生短路。需要在今后的工作中，进一步学习、探索、研究，不断总结新的测试方法，采取更先进的技术，使电缆更加稳定可靠安全运行。参考文献1俞曙江.SF6开关柜及连接电缆头放电现象初探 J.浙江电力,2 0 0 8,(0 1).2负福胜.电缆头电晕放电现象危害及处理研究 J.中国科技期刊数据库工业C,2015，（0 7）.3唐兴炸.高电压技术M.重庆：重庆大学出版社，19 9 1.4邱毓昌，施围，张文远.高电压工程 M.西安：西安交通大学出版社，19 9 5.