中小供水泵站工程电气设计概要分析

李伟

陕西旅游集团建设有限公司，中国·陕西 西安 710068

马家沟泵站；电气设计；设备选择；建管模式

1 概述

马家沟泵站是贵州省仁怀市中枢城区南部供水工程多个水源之一，设计装机2 台，单机容量为90kW，型号是Y280M-2，额定电压为0.38kV，采用一用一备的运行方式，把水从马家沟提至渠道，经渠道自流至后村水库，进而由水库向水厂供水。

由于水库库容相对泵站规模较大，则水厂用水负荷的变化对泵站运行影响不显著，泵站短暂停运也不致严重影响水厂供水。本初步设计阶段以可靠、实用、方便、经济的原则进行电气设计。

2 泵站基本参数

表1 泵站基本参数

3 供电电源

根据工程实际情况，并结合业主意见，初步设计阶段现拟定泵站就近从10kV 农网电源引接。本泵站主要供居民生活用水，兼供周边工业，就负荷性质而言是十分重要的，故泵站水泵采用一用一备的方案。且本泵站在水源大小上，与有多处水源的供水水库相比，所占比例很小，即使短暂停运也不会给水库供水造成多大影响。根据本泵站在供水过程中的实际作用，决定本泵站采用单电源供电，其启动方式采用自耦降压的启动方式。

4 电气主接线

由于泵站为生活供水工程，结合泵站的特点及装机规模，泵站主接线拟定为：10kV 电源进线一回，采用变压器-线路组接线。其中主要设备为：10kV 选用户外跌落熔断器，变压器选用新型的S9 系列，变压器10kV 侧装避雷器，0.4kV 系统侧采用单母线接线，选用主变进线柜、电动机启动控制柜、站用电配电箱。配电箱考虑检修用电及备用。

5 主变压器的选择

5.1 选择依据

根据《泵站设计规范》[1]中《附录D》中提供的主变压器容量计算与校验公式，确定变压器容量，具体如下：

主变压器容量计算式：

式中，S-主变压器容量（kVA）。

P1-电动机额定功率（kW）。

P2-照明等用电总负荷（kW）。

H-电动机效率。

cosφ-电动机功率因数。

K1-电动机负荷系数。按（2）式确定：

式中，K2——照明同时系数。

P3——水泵轴功率。

K3——修正系数，按表2确定：

表2 修正系数

5.2 变压器的确定

考虑泵站的负荷性质，变配电设备应选择满足要求的节能损耗小的新型设备，如主变选择S9 系列，且适当考虑检修用电和生活用电。经计算，变压器容量及参数见表3。

表3 变压器参数

6 电力电缆的选择

6.1 短路电流计算

假设电源进线电压为10kV 恒定，变压器在额定工况下运行和主变低压侧三相短路时，泵站主变低压侧三相短路电流按以下公式计算：

6.2 电缆选择

6.2.1 电缆型号选择

本工程电缆敷设在户内和户外的空气中，周围无其他有害介质，依据规范，35kV 及以下电力电缆应采用铜材；保护线和中性线各自独立的三相四线制系统宜采用五芯电缆，单相回路宜采用三芯电缆；电压1kV 及以下回路宜选用交联聚乙烯绝缘电缆。其中，本泵站统一选用YJV22型电缆。

6.2.2 电缆截面的选择

（1）按回路额定电压选择，且满足有关规定要求。

（2）按经济电流密度选。

已知本泵站为供水用，最大负荷利用小时数大于6500小时。电价暂按0.383 元/kW.h 计，查经济电流密度表Ij≈1.1A/mm2。

（3）按持续允许工作电流选择截面

式中，Igmax-最大工作电流；Igmax=1.05Ie=1.05Ig；K-考虑周围环境温度及敷设等因素后的修正系数。

对YJV22型电缆，查的电缆允许工作温度为90℃。

由上式的电流I 选截面S 为最小截面，按标准截面选择，但不得小于S。

6.3 电缆校验

6.3.1 按电压热稳定校验

电缆在短路电流作用下，应能保持使用特性不变。对非熔断器保护的回路，计算允许的最小导体截面：

式中，S-导体截面（mm2）；I-短路允许电流（即短路电流有效值A）；T-短路时间（本工程取2s）；C-热稳定系数，铜芯交联聚氯乙烯绝缘电缆取143。

6.3.2 按电压损失校验

根据泵站设计规范进行启动时电压损失校验，变压器和其低压侧导线的电压损失不宜超过额定电压的15%。

6.4 电缆的确定

通过以上的选择和校验，结合工程实际，最终选择电缆等相关参数如下表4。

表4 电缆及相关参数

7 主要电气设备

表5 主要电气设备

8 电动机的起动方式

按照规范要求，应根据电网参数、主变容量、泵站装机容量台数等计算起动时泵站的母线电压降，一般当电压降大于15%时，采用降压起动。如上所述，本项目缺乏电网资料，不便计算起动时母线电压降；同时供电线路不是专用线路，而是就近农网的公用线路，线路上的负荷是变化的，采用什么样的负荷参数进行电压降计算，也有一定的困难。因此，本站机组采用自耦降压启动方式，增加投资不大，却大大改善了启动条件，减少了对系统电压影响[2]。

虽采用降压起动，如收集到电网资料后，也应补算起动时母线电压降。现阶段假定电动机启动时主变高压侧电压为10kV 不变，泵站的直接启动电流均为额定电流的7 倍，且泵站两台泵为一用一备的运行方式，当采用自耦降压启动方式时，置于65%的抽头，计算主变及其低压侧电缆电压损失为14.36%，小于15%，满足要求。

9 无功补偿

本泵站电费计量点在主变压器的0.4kV 侧。泵站配套的泵用电动机额定功率因数为0.89，大于0.85，且本泵站是小型提水站，属农业用电范围，同时，不清楚供电线路及始端变电站无功补偿的情况，故现阶段暂不考虑装设无功补偿装置，下一步应根据业主和供电部门协商要求确定。若供电部门要求装设无功补偿，可采用在变压器低压侧装静电电容器进行无功补偿。

10 过电压保护及接地

为保证人身和设备安全，电气设备应该进行防雷和接地。泵站主变压器的高压侧采用避雷器进行防雷保护，对雷电波入侵可能造成的泵房里的设备过电压按照《电力设备接地设计技术规程》的要求，在变压器低压侧装避雷器。

泵房为防止直击雷过电压，在泵房屋顶装设避雷带，避雷带引下线与接地装置相接。泵房采用TN系统的低压电网（三相五线线制），此供电系统中电源有一点接地，即主变中性点和PE 线均与接地装置实现一点接地，负荷侧电气装置的外露可导电部分则通过PE 保护线与该点连接。

在主变安装处就近敷设接地网，其接地电阻应满足R≤4欧。如不满足，则应采取换土、加盐等措施改善接地电阻。

11 电工二次

11.1 自动控制

其控制方式皆为：根据实际需要，本泵站电动机采用自耦降压启动方式，采用手动启动，采用手自动切换控制，水池最低水位停泵，两台泵一工作一备用的控制方式。本工程泵站设有水位信号器，实现水位低和过低报警及跳闸停泵。正常情况下，手动启泵；事故时，水位低报警，水位过低停机。

11.2 继电保护

根据《泵站设计规范》及DL400-91《继电保护和安全自动装置技术规程》等规程规范的有关规定，配置继电保护系统。

泵站为低压供电系统，选用带瞬时脱扣和过流脱扣的空气开关作为保护元件。交流接触器配热继电器，作为电动机的故障保护。主变10kV 侧装为高压跌落负荷熔断器，作为变压器及低压侧引出线的短路和过载保护[3]。

12 电气设备布置

电气设备布置，要考虑运行、检修、巡视、搬运、安装方便，在满足要求的前提下，整体规划、紧凑布置，尽量节省投资。

10kV 高压设备和变压器布置在户外，紧靠泵房。室内布置主变低压进线柜、电动机控制柜和一块泵站用电低配电箱。

电力电缆敷设走尽可能短的路径，尽可能避免可能受到各种损坏，便于维修。电缆引入沟道等建筑物时，要将电缆穿入管中，并在管口处加以封堵处理，防止水分渗入和小动物爬入。

13 总结分析

13.1 尽可能采用先进技术及设备

随着脱贫攻坚饮水工程一票制深入落实和乡村产业振兴的发展需要，村镇供水工程尤为重要，且数量越来越多，在经费宽裕的情况下，可选用先进设备，如S11 系列变压器、GCS 成套设备和变频器及消防系统，泵站控制宜增加就地和集中中央控制、监控系统相结合的方式，且考虑人民健康需要应增加净水系统设计。

13.2 优化监管模式

同时，考虑泵站的特殊应用情景，检验成果的是最终的运营效果，建议政府部门应可持续发展思维，考虑“设计-建造-运营”的一体化实施方案。