探究中小型电排站电气设计及设备选型

陈杰

摘要：中小型电排站前期电气设计要充分考虑设备成本投入 ，文章结合笔者多年从事电排站电气设计的工作经验，从小型泵站电气设计和实际应用角度出发 ，详细分析了电排站设计中根据变压器容量和启动方式、水泵轴功率关系的选择原则，站用电选择原则，电动机选择原则，电动机启动方式选择原则，电动机启动器选择原则以及电容补偿原则等，希望对行业建设发展提供一定的参考价值。

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.

關键词：电排站;电气设计;设备选型

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

中图分类号：TV734                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）23-0153-03

0  引言

在现代城市防洪治理规划中，电排站建设占据着重要的地位。它的主要作用是利用水泵将低洼位置集聚的水流及时排除，防止发生洪水或者内涝。一般情况下设计小型电排站需要大量泵站，这为实现其排水功能并促进工农业经济发展提供重要的保障。所以在开展电排站设计过程中，必须在先进科学性、安全可靠性和成本可控方面做好统一协调，为后期稳定运行打下基础。所以，就该项工程而言，电气设计方案综合优越性，变压器、电动机等核心电气设备选型，对于控制整个电排站工程的成本预算来说，非常重要。

1  主变压器设计选型

小型排电站的设计电压线路是10kV，配置的电动机标准规格是0.38kV，因此设计变压器采用的规格是10/0.4kV级，变压器选型要在尽可能低成本前提下，选用技术性能稳定、安全性和稳定性持久的产品。同时还需注意在设计上协调应用逻辑关系：

1.1 主变压器容量选择与电机启动方式相关联系

根据多面的设计经验积累，常规的布置方案中，当回路中最大那台全压直接启动的电动机容量小于变压器总容量30%的时候，电动机瞬时电流一般是其额定电流平均7倍左右，此时的电动机母线电压降不会超过15%。如果其中最大电动机容量大于变压器总容量30%的时候，电动机母线电压降变化范围多数情况下会超出15%，一般能够多数采用的方式有两种：一种是根据放大变压器容量选配来提高电动机机端启动电压，这就是所谓的全压直接启动方法。根据此设计方案对设计物量进行预估，在提升电动机相对机端电压1%时，综合测算，仅仅改大变压器容量就要额外增加好几千的采购成本预算，更关键电力增容贴费也许补充一笔费用（其单价为450元/kVA），一旦进入额定转速运行时，前面增加的变压器容量是多余浪费的。从创造价值和利用率方面来说，这种启动方式投入产出比严重不协调，在设计方案选择与优化方面难度非常大，设计上多数是不会推荐的;二是降压启动方式。这种设计方式的核心点在于设计增加一台匹配的降压启动装置，按照市场调研情况看，降压启动装置成本投入相对来说就小很多了，还且还有利于缩小启动电动机冲击影响整个电路，在安全、可靠性大为改善，此设计方案在设计应用上有较好效果的。

1.2 主变压器容量与水泵轴功率的关系

我们推进设计时，进行备选的水泵轴功率与电动机功率对比过程会发现，两者数据相差较远。通常电排站装机功率是2×200kW，相应配置的水泵轴功率峰值是单机180.3kW，电动机转换效率最大为93%，额定电压380V，功率因数是0.82，根据需要设置专用电压变压器。根据电动机功率配置变压器：经计算得到容量结果524.5kVA，则实际变压器总容量是630kVA;如果按水泵轴功率配置，则得到的变压器计算容量结果是473kVA，那么变压器选择的型号总容量就是500kVA。对比之下就会发现，依据电动机功率进行变压器设计选型，容量高出20%以上，与整个电路配套的开关总闸、继电器等，还有电缆规格要求等都要相应提升等级，成本投入大大提高。所以，按照依据水泵轴功率来完成变压器容量设计选型对成本控制来说非常重要。

1.3 变压器型号选择

随着环保要求的提升，现阶段提倡设计阶段多考虑节能变压器。实际应用当中，油浸式电力变压器按照其型号区分一般为S7、S8、S9三种规格。相比之下，容量一样大的变压器S9与S7系列相比，无论是在空载时的运行效率损耗，还是在负载时运行效率损耗都有明显的优势。而且根据国家相关管理规章制度要求，S7型变压器已经被要求禁止使用，因此在电排站设计选用变压器尽量采用S9型。

2  站用电选择

在进行站用电选择阶段，要充分掌握泵站装机容量（小型泵站多数为2*200kW）、电网输送电情况，一般有以下3种方式：第一，利用电排站周围电网电源为电排站休整期供电，不必加装专设站用变压器。选择站用電的设计思路，考虑的是电动机电压母线连接，把附近电网电源作为整个站用电的备用，还能够为整个电排站停工检修以及维护保养阶段输送用电;第二，设计方案上考虑加装专项站用变压器，该变压器高压侧要连接到自主变压器高压端，站用电则选取自专用变压器0.4kV低压侧;第三，直接从电动机电压母线上取得站用电。从技术设计角度分析，以上3种站用电选择方案都能有效实现。最经济且可靠的是第一种方案，但是周围必须有相应的电网提供。其余第二、第三方案也要做好综合经济效益的比较来选取，还要综合考虑主变压器与电动机容量完成匹配时的剩余容量大小，通常情况下，设计成本宽裕建议选取专用站变的方式，成本虽然略高，但可靠性和稳定性明显提升。

3  电动机选择

通常电排站与水泵负载相连的电机，全年的工作情况来看，只有在排涝时段是持续作业的，无需进行频繁启动，因此泵的设计选型保证额定功率比水泵负载功率略大一些就能实现正常工作。根据实际情况，常用小型电排站多数会结合成本投入和后期维护等角度考虑，选择交流鼠笼型异步电动机与水泵相配套。

还有一种绕线型电动机，转矩更大，但同等功率下，其价格比鼠笼型高很多。多数情况下水泵负载选取低压鼠笼型电动机即可实现目标。不过启动弯矩过大无法满足时，就要选择绕线式电动机来替代。

4  电动机启动方式设计选择

通常情况下，设计异步电动机设计直接启动时要考虑：首先电动机启动瞬间的电流峰值超过是额定电流好多，电网在承受冲击电流上难以应付;二是电动机启动时能够提供的转矩不足，水泵应达到转矩最低限值才能驱动运转持续下去。因此必须切实在启动方式设计前掌握实际要求。通常鼠笼型异步电动机的启动方式分两种，全压直接启动和降压启动。

首先就是当“小容量”电动机载荷理论电压降控制在额定电压的15%以内全压直接启动。这里提的“小容量”往往其电网容量比较小。

第二，中大容量电动机轻载降压启动。按前面所述，如果电动机启动对干路电压冲击幅度超过15%，就不可以使用直接启动的设计方式。因为电源电网可以抵抗的冲击是有限度的，超过这个范围，就必须采用降压启动来弥补缺陷。电动机启动过程中，电压降和系统容量、主变压器容量、工作机组数量等之间都是有着相关的内在联系的，相比之下的系统容量和变压器容量呈正比关系。在主变和系统容量保持确定前提下，如果多于3台以上相同容量机组，就可以实现单机母线电压降不超过15%的范围。

第三，绕线式电动机的启动要求，通常都是中大容量电机且带有重型载荷启动作业，之前所述的问题都发生了相互交叉，在处理难度上比较麻烦。通常采取的解决措施是利用电动机串接电阻来减少启动电流峰值，这样还同时可以实现转矩有效增大。当遇到了电动机需要通过频繁启动来完成作业，虽然电机容量较小，不过在短期内反复作业启动过程中持续有较大电流通过，而且持续较长的周期，就会产生大量的热量，存在严重安全隐患。通常的解决措施是外接电阻控制电机启动，这样做的目的是避免电机反复启动过程发热出现安全隐患，把热量转嫁到外接电阻上。

5  鼠笼型电动机启动器设计选型

该系列多数采取软启动器或自耦降压启动器的设计方案，二者具体分析对比看，优缺点比较明显。

5.1 软启动器

根据启动过程数据，我们对采用软启动器的电机特性曲线进行了记录并绘制成图，结果表明性能曲线相当平顺，就其启动电流来看可调性很强，稳定运行时间短。而且1台软启动器可以同时启动多台电机，成本低，经济性好。

5.2 自耦减压启动器

利用该启动器，会导致启动电流大，对设备造成机械冲击，称为这种恒压启动呈现一段一段的梯队形式，而且设备笨重，使用寿命要优于软启动器。自耦减压启动器工作时发热量大，不适宜短时间重复启动，所以自耦减压启动器不建议控制多台电机启动。

6  电容补偿设计方式

泵站无功补偿通常有两种方式可选：一种叫做集中补偿，主要就是在电动机电压母线集中完成;另一种叫做就地补偿，即在电动机旁完成。集中补偿的话就要求在设计电动机接线方式时，电压母线上布置一套电容器柜，柜里有自动切换装置组合。但是补偿容量不大，设计集中补偿柜设计势必造成巨大浪费，所以就需要采用个别补偿策略。对电动机实施个别补偿策略，就要把电机零负载功率因数增加到1，需要指出的是空载时无功负载最轻。假如电机负载时采取补偿策略，导致电动机轻载过补偿，电源切断后，惯性作用下的电动机持续运转，会对整个回路造成严重影响。主要把对电容回路存在电流输送到电动机，从而形成了励磁电流，原本的电动机就转换为感应发电机，然后再将输出的电流对电容器充电，再反复循环下去，这就是所谓的“自励”。自力作用将导致过电压现象，长时间作用下，将会破坏电机和电容器的绝缘。另外电动机仍在转动时重新合闸会出现相当大的冲击电流，期间将会输出较大的瞬时转矩，长时间作用下，也会对电机轴造成极大的磨损，所以设计方案推进过程中的个别补偿策略，多数都是根据电机的空载工况来设计的。

7  结束语

综上所述，中小型电排站是重要的防洪治理基础建筑设施，要从设计和实际应用角度充分考虑，对于变压器设计选型，站用电选取，电动机设计选型，电动机启动方式选取，电动机启动器设计选型以及电容补偿等各个方面做好设计梳理工作，避免电排站日后投入使用后出现各类问题。中小型电排站电气设计及设备选型，要坚持优中取优，只有先进的设计方案，才能为我国电排站建设提供有利的保障。

参考文献：

[1]欧建波.华容县石山矶电排站电气设计[J].湖南水利水电，2018，06：44-45.

[2]唐淑玲.建设中水利电排站的规划与管理[J].环渤海经济瞭望，2017，08：71-72.

[3]李锋光.浅谈新塘电排站电气主接线的选择及其运行[J].科技创新导报，2014，21：39.