鄧德滿

（漢壽縣水利局 常德市 415900）

1 工程概況

蔣家嘴泵站位于漢壽縣蔣家嘴鎮(zhèn)，南湖撇洪河末端，距漢壽縣城約25 km，始建于1991年10月，裝機容量2×1 250 kW，單機設(shè)計排水流量36 m3/s，設(shè)計揚程2.5 m，配置120 ZWB-3型臥式軸流泵經(jīng)齒輪減速箱與T 1250-8/1180型高壓同步電動機連接，年單機最大運行時間1 650 h。泵站東側(cè)緊鄰蔣家嘴排水閘，設(shè)計排水流量1 665 m3/s，與泵站聯(lián)合運用，共同擔(dān)負(fù)南湖撇洪河968 km2流域面積集水的撇、排、削峰任務(wù)，并兼顧沿河兩岸的灌溉、航運等功能。

近15年來，沅水流域水情發(fā)生了急劇變化——蔣家嘴閘外汛期水位抬高，排水閘自排功能弱化、擠撇機會減少、時間縮短；南湖撇洪河兩岸抗洪形勢日益嚴(yán)峻、災(zāi)情加大。因此，對蔣家嘴泵站進行擴建勢在必行，迫在眉睫。2008年10月，蔣家嘴泵站擴建建工程土建正式動工，工程選址在機組檢修間西側(cè)，與已建主廠房同寬，以便共用20/5 t雙梁橋式起重機和機組檢修間。泵站新增裝機3×1 250 kW，單機設(shè)計排水流量36 m3/s，設(shè)計揚程3.0 m，安裝3000ZXB33-2.8型斜150軸流泵，經(jīng)齒輪減速箱與電動機相連，設(shè)計排水流量180 m3/s。該擴建工程的建成投產(chǎn)將為打造漢壽和諧水利、生態(tài)水利，建立滿足良性循環(huán)和可持續(xù)利用的水利體系發(fā)揮重要作用。

2 電源接入方式

泵站35 kV專用輸電線路引自110 kV蔣家嘴變電站，導(dǎo)線為LGJ-70型，全長2.8 km。在擴建施工期間，110 kV蔣家嘴變電站將搬遷新址，泵站“受電點”變更、輸電線路延長。通過與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T密切合作、共同協(xié)商，延長的35 kV輸電線路將與110 kV“蔣巖”聯(lián)絡(luò)線共用雙回路鐵塔，線路全長達(dá)3.8 km。泵站運行期間線路持續(xù)有功功率為6 589 kW，泵站年最大負(fù)荷利用小時數(shù)1 650 h，供電可靠性一般。

對此，35 kV專用輸電線路將涉及擴建負(fù)荷增加和輸電距離延長，需對現(xiàn)有LGJ-70型導(dǎo)線截面面積、允許電壓損失等進行復(fù)核計算。

（1）按經(jīng)濟電流密度選擇蔣泵35 kV專用輸電線路導(dǎo)線截面S：

選用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線截面為LGJ-70型鋼芯鋁絞線。

（2）按允許電壓損失10%校驗導(dǎo)線截面，其電壓損失負(fù)荷矩為162 MW/km，大于實際負(fù)荷矩6.25×3.8=23.75 MW/km，其實際電壓損失為 0.062 5×6.25×3.8=1.48%〈10%。

（3）35 kV專用輸電線路跨越蔣家嘴鎮(zhèn)居民區(qū)和工業(yè)區(qū)，但所選線徑大于最小允許截面35 mm2，故現(xiàn)有輸電線路滿足機械強度要求。

（4）LGJ-70型鋼芯鋁絞線在基準(zhǔn)環(huán)境溫度為+25℃時長期允許截流量為265 A，在基準(zhǔn)環(huán)境溫度為+35℃時經(jīng)溫度修正為265×0.88=233.2 A，而實際通過電流為123.2 A〈233.2 A。

通過復(fù)核計算，3.8 km LGJ-70型輸電線路能夠滿足泵站擴建工程需求。經(jīng)多次協(xié)商同意，線路延長段施工由電力部門負(fù)責(zé)，2.8 km線路因部分疲勞振動、大風(fēng)、雷擊已多處斷股；導(dǎo)地線接續(xù)金具過熱、損壞而有時引發(fā)接地故障；絕緣子串或金具部分損壞，絕緣子串閃絡(luò)或?qū)Ь€相間、導(dǎo)線對地閃絡(luò)幾度造成跳閘或停電，需要對鋼芯鋁絞線、導(dǎo)地線、絕緣子及金具等進行更換。

3 電氣主接線

電氣主接線是根據(jù)泵站接入電力系統(tǒng)方式、泵站裝機規(guī)模，以及運行重要性等因素綜合考慮確定。按照接線簡單、供電可靠、操作檢修方便及節(jié)約投資的原則進行。擴建工程前后供電將統(tǒng)籌兼顧，采用“站變合一”的供電方式。

根據(jù)現(xiàn)有泵站接入系統(tǒng)方式，確定蔣家嘴泵站擴建時仍以一回35 kV專用線路接入電力系統(tǒng)，并選擇新增3臺機組所配主電機電壓等級與現(xiàn)有2臺主電機相同，則主變壓器負(fù)荷側(cè)電壓等級應(yīng)定為6.3 kV。

蔣家嘴泵站現(xiàn)有電氣主接線為擴大單元接線方式，一回35 kV電源進線經(jīng)高壓隔離開關(guān)、高壓計量裝置與S7-100/35型1號站用變壓器、閥型避雷器等共用母線連接，再經(jīng)高壓隔離開關(guān)利用硬母線直連S7-3150/35型主變壓器和電壓互感器。主變壓器6 kV負(fù)荷側(cè)經(jīng)硬母線連接2臺1 250 kW同步電動機組、PT高壓開關(guān)柜及S7-160/6型2號站用變壓器。

2008年11月，泵站擴建工程初步設(shè)計擬定電氣主接線為聯(lián)合擴大單元接線方式，即在維持現(xiàn)有設(shè)備布置方式和位置不變、2003年重建設(shè)備構(gòu)架保留的基礎(chǔ)上，順進線方向增加1組設(shè)備間隔，新增S11-5000/35型主變壓器（接線組別Y，dn11）經(jīng)高壓隔離開關(guān)與現(xiàn)有S7-3150/35型主變壓器35 kV電源側(cè)單母線連接，2臺主變并列布置，并在新增3臺電動機電源側(cè)母線上接有SC11-400/6型干式強迫風(fēng)冷站用變壓器（接線組別D,yn11），以替換現(xiàn)有2號站用變壓器。

2009年6月，初步設(shè)計方案泵站擴建工程建設(shè)管理處在對現(xiàn)有35 kV降壓站新增1組設(shè)備間隔進行測量時，發(fā)現(xiàn)其位置尺寸不能滿足高壓設(shè)備布置和電氣安全距離，需拆除緊鄰的某單位宿舍樓和廁所各1棟，涉及征地和拆遷費用過高。應(yīng)泵站工程建設(shè)管理處要求，在降壓站現(xiàn)有條件下設(shè)計單位需對初步設(shè)計方案進行進一步優(yōu)化、調(diào)整。下面就優(yōu)化、調(diào)整后的擴大單元接線方案與初設(shè)聯(lián)合擴大單元接線方案進行分析比較，以便選擇適合本工程實際需要的電氣主接線方案。

第一種方案是因先后順序建設(shè)而形成的聯(lián)合擴大單元接線方式，即初步設(shè)計方案。實施這一方案需征用某單位用地200 m2，拆除其宿舍樓1棟、廁所等建筑面積490 m2；原35 kV降壓站設(shè)備構(gòu)架不拆除；順進線方向增加1組設(shè)備間隔；擴建高壓配電室50 m2。

第二種方案是擴大單元接線方式，即現(xiàn)有電氣主接線方案，維持原35 kV降壓站設(shè)備布置方式和位置不變，將現(xiàn)有S7-3150/35型主變壓器更換成S11—8000/35型新型節(jié)能變壓器，對其它設(shè)備進行更新，5臺電動機經(jīng)硬母線與主變壓器6 kV側(cè)連接；將1號站用變更換為S11—400/35型新型節(jié)能變壓器（接線組別D，yn11），2號變更換為S11—400/10型新型節(jié)能變壓器 （接線組別D,yn11），10 kV電源自城區(qū)電纜引入。

由上述所知，第一種方案的優(yōu)點是每段母線所接機組臺數(shù)少，供電可靠性較高、運行方式靈活，短路電流小、易于設(shè)備成套，且S7-3150/35型主變壓器得以保留。缺點是征地拆遷費用過高；擴建現(xiàn)有高壓配電室，增加1組設(shè)備間隔；增加1臺隔離開關(guān)、六氟化硫開關(guān)、6 kV進線中置高壓開關(guān)柜、母線PT柜、勵磁變柜；2臺主變壓器6 kV側(cè)需電纜出線，施工工期延長；電氣設(shè)備布置，微機保護、控制及測量配置過于復(fù)雜，故障機率大，運行、維護費用高，工作量增大。對此需增加拆遷品補、土建配套及電氣設(shè)備投資近100萬元。

第二種方案的優(yōu)點是接線簡單清晰、故障率小、運行可靠、適應(yīng)性強；可直接利用現(xiàn)有35 kV降壓站構(gòu)架和高壓配電室；與第一方案相比，減少1臺隔離開關(guān)、六氟化硫開關(guān)、6 kV進線中置高壓開關(guān)柜、母線PT柜、勵磁變柜；主變壓器6 kV側(cè)直接硬母線出線，微機保護和控制配置簡單。缺點是進線或母線發(fā)生故障時全站不能運行；6 kV單母線上所接機組臺數(shù)多、容量大，考慮發(fā)生短路事故時電動機的反饋電流會影響開關(guān)設(shè)備選擇。

通過技術(shù)經(jīng)濟比較，第一種方案供電可靠、方式靈活，但經(jīng)濟性太差，施工工期延長，且擴建高壓配電室位置受限，屋面防水難度較大。第二種方案接線簡單清晰、設(shè)備故障率低，經(jīng)濟性好，施工工期短，但供電可靠性較差，方式不靈活，對于年運行時間不長，國家設(shè)備整體制造水平、運行可靠性大大提升的今天，強化機電設(shè)備維護及保養(yǎng)，將會提高泵站供電可靠性，保障主機組適時、安全和可靠運行。江蘇江都三站10臺、湖南坡頭2臺、湖北排湖9臺等大型泵站均采用此接線方式且已運行多年。故推薦使用第二種方案較為符合工程實際。

4 主要電氣設(shè)備選擇

4.1 主電動機的選擇

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》GB/T 50265-97，主電動機容量應(yīng)按水泵運行可能出現(xiàn)的最大軸功率選配，并留有一定儲備，儲備系數(shù)為1.05～1.10。3000ZXB33-2.8型水泵在各種工況下可能出現(xiàn)的最大軸功率為1 105 kW，HGⅡ630-6.3型齒輪減速箱傳動效率為97%，則電動機配套功率為Pe=N軸×1.10/η齒=1 105×1.10/97%=1 253 kW， 故選擇電動機額定容量為1 250 kW。

我國大型泵站配置同步電動機和異步電動機的泵站為數(shù)不少，早期建設(shè)和低轉(zhuǎn)速泵站使用同步電動機居多。結(jié)合本泵站的實際情況，現(xiàn)對這兩種類型電動機的特點進行分析：

（1）結(jié)構(gòu)及其配置。同步電動機定子繞組與異步電動機無異，但轉(zhuǎn)子差別很大。大型水泵用同步電動機轉(zhuǎn)子多為凸極式，由轉(zhuǎn)子磁極、磁軛、勵磁線圈、滑環(huán)和風(fēng)扇組成；而同容量和電壓等級的Y、YKS、YKK系列異步電動機轉(zhuǎn)子則設(shè)計成鑄鋁和銅條鼠籠式兩種結(jié)構(gòu)，沒有磁極，結(jié)構(gòu)十分簡單。此外，前者需要配置技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的勵磁裝置，后者只需配置結(jié)構(gòu)和技術(shù)相對簡單的無功集中補償和現(xiàn)地補償裝置。就其綜合制造成本及維護成本而言，異步電動機無疑要優(yōu)于同步電動機，但若需增設(shè)高壓軟起動裝置800 kW以上的異步電動機，則其綜合制造成本和維護成本，不如同步電動機。

（2）功率因數(shù)特性。調(diào)節(jié)勵磁不僅可以調(diào)節(jié)同步電動機本身的功率因數(shù)，過勵時還可改善電網(wǎng)功率因數(shù)，提高設(shè)備運行質(zhì)量。而異步電動機功率因數(shù)則總是滯后，若采用與現(xiàn)有T1250-8/1180型同步電動機轉(zhuǎn)速相近，額定轉(zhuǎn)速為744 r/min的YKK系列高壓異步電動機時，其功率因數(shù)將達(dá)到0.84以上，通過電容補償后供電母線端功率因數(shù)將完全可以達(dá)到0.90以上，以滿足供電部門的規(guī)定要求。

（3）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。蔣家嘴泵站內(nèi)河設(shè)計起排水位34.00 m，最高運行水位36.00 m，外河設(shè)計水位36.00 m，最高運行水位36.50 m，泵站凈揚程變化范圍（0.00～2.50）m，電動機負(fù)載隨水位變化幅度較小；110 kV蔣家嘴新建變電站距離泵站僅3.80 km，電源電壓相對穩(wěn)定，這兩方面說明同步電動機和異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性受自身負(fù)載和電網(wǎng)電壓變化影響較小，該泵站對電動機轉(zhuǎn)矩特性要求不是很高。

同步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，恒定不變，而與之對應(yīng)的YKK系列異步電動機在額定負(fù)載時的最低轉(zhuǎn)速最低為744 r/min，轉(zhuǎn)差率為S=0.80%，根據(jù)水泵比例律Q2/Q1=N2/N1，則（Q2-Q1）/Q1=（N2-N1）/N1=S，即對應(yīng)流量變化率等于轉(zhuǎn)差率——對水泵流量影響極小。因此，同步轉(zhuǎn)速和容量相同的兩種類型電動機的轉(zhuǎn)速特性均滿足3000ZXB33-2.8型水泵的配套要求。

（4）電機效率特性。蔣家嘴泵站原2臺T1250-8/1180型同步電動機，額定效率為95.5%，通過配備有功功率為40 kW的可控硅勵磁裝置后其裝置綜合效率為92.3%。相應(yīng)異步電動機額定效率為95.8%，雖然配備集中補償電容器，但基本上只消耗無功功率。因此就整個裝置來講，同步電動機效率要低于異步電動機。

根據(jù)實際情況和綜合分析，通過齒輪減速箱連接，并與斜式軸流泵配套的3臺6 kV主電動機在機組轉(zhuǎn)速和啟動轉(zhuǎn)矩方面并無特殊要求，選擇相應(yīng)同步電動機和異步電動機均能適應(yīng)泵站運行工況要求，因而對電動機類型的選擇可以有三種方案：

第一種方案是選擇3臺異步電動機，并與現(xiàn)有2臺同步電動機并列運行，利用同步電動機的過補償能力對其進行無功補償，以提高功率因數(shù)。但這會使電氣設(shè)計復(fù)雜化、運管難度增加、維修保養(yǎng)不便。

第二種方案是在第一種方案的基礎(chǔ)上將現(xiàn)有2臺同步電動機改造成異步電動機，將有利于統(tǒng)一設(shè)計、運行管理及維修保養(yǎng)。但加重了投資建設(shè)成本。

第三種方案是選擇3臺與現(xiàn)有2臺類型和特性相同的同步電動機，投資成本最低，有利于統(tǒng)一設(shè)計，且管理單位具備該類型設(shè)備多年運行管理及維修保養(yǎng)經(jīng)驗，此為最佳推薦方案，即選擇T1250-8/1180型同步電動機。

4.2 主變壓器的選擇

根據(jù) 《泵站設(shè)計規(guī)范》GB/T 50265-97，1號站用變壓器電源接入泵站主變壓器35 kV側(cè)，2號站用變壓器電源外引入城區(qū)10 kV，故計算主變壓器容量時不計入站用電負(fù)荷。通過計算泵站主變壓器最大負(fù)荷容量為7 272 kVA，故其額定容量選擇為8 000 kVA，且該容量同時滿足泵站同步電動機全壓啟動要求。

由于泵站5臺機組均配置6 kV同步電動機，過補償能力較強，選擇無載調(diào)壓油浸自冷新型節(jié)能變壓器能夠滿足泵站供電要求，主變壓器型號為S11-8000/35，接線組別為Y,d11。

5 站用電接線

站用電接線設(shè)計應(yīng)能滿足泵站運行和檢修的要求，其變壓器容量按可能出現(xiàn)的最大站用負(fù)荷進行選擇。根據(jù)《廠用電設(shè)計規(guī)范》計算廠用電負(fù)荷容量為416 kVA。選擇2臺400 kVA油浸自冷變壓器互為熱備用。

蔣家嘴泵站年運行時間不長，且日常機電檢修和正常照明負(fù)荷小，在35 kV母線上接入400 kVA 1號站用變作為主電源，有利于減少主機組停運期間的主變電能損耗。為保證站用供電可靠性，另自城區(qū)引入一路10 kV電源接入400 kVA2號站用變作為備用電源。2臺站用變0.40 kV側(cè)分別經(jīng)空氣斷路器接入單母線接線，互為熱備用，根據(jù)不同用電情況設(shè)有相互閉鎖和備用電源自動投入裝置。

引入10 kV電源的供電方式避免了主機組停機，主變壓器及6 kV側(cè)站用變退出運行時，35 kV側(cè)站用變壓器只有排水泵組、正常照明及空氣調(diào)節(jié)器等少量負(fù)荷用電，工作電流小，高壓計量裝置靈敏度低，電能計量偏小，電氣主接線之計量方式在電業(yè)部門審查難以通過的問題，切實保證了站用電的可靠性和靈活性。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB 50052-95的規(guī)定，宜選擇接線組別為D,yn11低壓配電變壓器。其主要優(yōu)點是：

（1）一次“D”接線繞組中激磁電流的三次諧波分量可以閉合流通，于是主磁通呈現(xiàn)正弦波形，一、二次繞組相電勢E也保持正弦波形，且抑制直流配電裝置和電子整流器式燈具所產(chǎn)生三次諧波分量的效果好，在繞組外部線路上不會產(chǎn)生三次諧波電壓及零序電壓；

（2）承載單相負(fù)荷運行的能力強，二次繞組線圈電壓的中心點偏移現(xiàn)象并不嚴(yán)重；

（3）D,yn11配電變壓器零序阻抗小，產(chǎn)生線（相）電壓偏差小，利于設(shè)備使用和人身安全，此外單相短路故障電流大，提高了保護裝置動作的靈敏度。

上述這些正是Y,yn12配電變壓器所不具備的。但Y,yn12配電變壓器空載和負(fù)載損耗小、節(jié)能性能佳；正常運行情況下每相對地電壓只有線電壓的，使得制造工藝簡單、消耗材料少、制造成本低。因此，蔣家嘴泵站2臺站用變應(yīng)推薦采用D,yn11接線組別，型號分別為S11－400/35型和S11－400/10型。

在單母線接線上配置低壓電容器組進行集中無功補償，無功功率補償容量按照現(xiàn)行的《全國供用電規(guī)則》及《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》的要求進行設(shè)計，補償后的功率因數(shù)應(yīng)在0.90以上。

6 過電壓保護及接地裝置

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057-94，泵站應(yīng)按第二類防雷建筑物設(shè)計。為防止直擊雷過電壓，在35 kV降壓站采用高30 m的避雷針進行保護，原主、副廠房和新建主廠房屋頂女兒墻上敷設(shè)熱鍍鋅圓鋼或扁鐵聯(lián)接成環(huán)，沿墻引下并與主接地網(wǎng)相連。為防止侵入雷電波過電壓損壞電氣設(shè)備，在主變壓器35 kV母線側(cè)和6 kV側(cè)母線PT柜內(nèi)各裝設(shè)一組氧化鋅避雷器。

此外，在每個真空斷路器負(fù)荷側(cè)裝設(shè)操作過電壓保護裝置，以防止其因故障和和正常操作時所產(chǎn)生的操作過電壓擊穿電氣設(shè)備和高壓同步電動機絕緣。

為保證人身和設(shè)備安全，室內(nèi)交流電氣設(shè)備應(yīng)盡量充分利用泵站樞紐建筑物鋼筋網(wǎng)和金屬結(jié)構(gòu)埋件構(gòu)成的自然接地體接地，并校驗其熱穩(wěn)定性。在35 kV降壓站增設(shè)人工接地體（管子、角鋼、扁鐵）和均壓帶，回填降阻劑，以使接地電阻滿足規(guī)范要求，并應(yīng)盡可能使電氣設(shè)備所在地點附近對地電壓分布均勻，并與自然接地相聯(lián)而構(gòu)成統(tǒng)一的接地系統(tǒng)。與此同時，在變壓器中性點及避雷器接地處附近設(shè)置垂直接地極。

7 結(jié)語

蔣家嘴泵站是目前湖南省設(shè)計排水流量最大的泵站，按照《泵站設(shè)計規(guī)范》GB/T 50265-97分等指標(biāo)，泵站規(guī)模為大（Ⅱ）型，上述只是針對該泵站電氣設(shè)計進行粗淺探討而已，是否可行尚待進一步設(shè)計優(yōu)化和運行驗證，并希望各位同行批評指正。

1皮積瑞，解廣潤.機電排灌設(shè)計手冊[M].北京：水利電力出版社，1992.

2 GB/T 50265-97.泵站設(shè)計規(guī)范[S].