关于泵站改造中电气设计的几个关键问题的论述

关于泵站改造中电气设计的几个关键问题的论述

刘　星

（四川省水利水电勘测设计研究院，四川，成都，610072）

当前随着国家扩大内需、拉动投资政策的落实，特别对水利项目中泵站将展开自20世纪70年代末全国大规模修建以来的一次较大的改扩建工作。笔者目前正进行遂宁、隆昌地区近二十个泵站改造的电气设计工作，本文以全省最大提灌站石盘滩泵站改造为例，结合其他泵站普遍存在的问题，谈谈我的观点，供同行参考。

一、需改造泵站的现状

四川省作为一个丘陵地区，泵站位置分散、数量多、结构形式多样，这次被列入改造的站修建时间长的达30多年，短的10多年，容量从几百千瓦到几千千瓦，笔者踏勘过这些泵站后发现，电气设备陈旧，保护方式落后，确需更新改造，并对本次改造的电气设计的特殊之处有三点认识：一是有些泵站如石盘滩站土建部分未列入重建项目，只是进行加固，而改造后的水泵容量加大了，导致电气设备的选型加大。上述因素决定了电气设计既要按现有先进技术考虑，又要适应原有的厂房结构，布置较困难。二是有些站与原来的配套电厂相互纠缠。例如石盘滩泵站属石盘滩电站的配套泵站，本次改造由于属于国家专项资金，肯定不会包括水电厂，但泵站从接线上与电厂紧密相连，改造中彼此牵制。三是泵站线路的产权属泵站所有，未列入前几年的农网改造，但又大多需要改造和新建，业主没有先期委托电力设计单位设计，线路设计滞后会影响泵站的供电接线方案的合理性。

二、石盘滩泵站供电接线的重新设计

石盘滩泵站供电接线的重新设计，如图1所示。

图1　石盘滩泵站供电接线示意图

石盘滩提灌站当初建设的时候就与紧临的石盘滩水电站作为一个工程在设计，属电站的配套泵站。泵站供电是通过水电站主变压器（1MT）从系统降压而来，不抽水时该变压器又作为电站向系统发电的升压变压器运行。本次改造更换该台主变，势必影响电站的发电并涉及电站的内部技改。电站的保护是按照老的继电器原理设计，改造既困难也无必要，局部使用新的计算机控制技术又与老电厂的保护不兼容。按业主对以后泵站的运行意图，重新进行了设计，泵站增加35kV设备，改造水电站的35kV母线以增加一个出线间隔。该方案使泵站与发电站从技术上分割出来，泵站可按当前流行的计算机监控技术进行全新设计，其设备改造也不会影响发电，水电站以后的自动化改造工作也可独立进行。业主将具备建35kV线路直接供电泵站的条件，即可与电站做到产权分离，有利于管理和经济核算。

三、变压器容量的重新选择

四、电动机电压等级的确定

从国外的经验来看，水泵单机容量超过200kW就已采用高压电机；根据国内的经验，本次改造凡单机超过250kW，设计为高压电机。近年来用10kV取代6kV电机是大势所趋，其技术优势明显，经济效益可观。主要表现在以下几个方面：（1）地方电网供电以10kV为主，采用10kV直配电动机可取消10/6.3kV变压器、6kV高压开关柜等设备，接线简单，故障点少，系统运行可靠性高；（2）泵站中水泵容量按最不利取水条件最大取水量配置，以致变压器长期处于低负荷运行状态，形成大马拉小车的局面，采用10kV直配电动机，这些问题就不再存在而且使电网功率因素得以改善；（3）投资少，运行费用低，经济效益可观；（4）有利于继电保护的时差配合，从地区变电站到泵站相对于6kV电机方案可减少一级时差；（5）因土建结构不变，必须压缩布置空间，取消10/6.3kV变压器和6kV高压开关柜等占地大的设备有重大意义，可以布置自动化设备，适应当今自动化控制要求。虽10kV电机有上述优势，但是像石盘滩泵站附近有6kV电压等级的水电厂，有条件作为备用电源，水泵电机仍考虑采用6kV电压等级。采用直配供电还需满足以下的要求：（1）地区变电站容量允许，且供电质量良好（电压偏移在−5％～+8％之内），并征得供电部门的认可后，采用专线供电；（2）由于电动机绝缘水平远远低于变压器，应相应增加防雷及过电压的措施。

五、高压电机启动方式的确定

功率较大的低压电动机因启动电流大，使用降压启动或软启动是合理的。对于高压电动机，因启动电流较小，工业与民用配电设计手册规定，只要在配电母线上引起的压降满足要求，机械设备能承受全压启动时冲击转矩并对电动机的启动方式无特殊要求，允许采用直接启动。但像石盘滩电站存在通过发电机电压母线直接供电给泵站的情况（作为备用电源），直接启动高压电机会使电站内的继电保护动作，有些选择直配电机方案的泵站需要考虑启动引起线路的电压波动等问题，需要供电部门同意，给设计和今后运行带来麻烦，而采用高压软启动则不会存在上述问题，还大大增加了泵站设备的使用寿命。笔者通过经济和技术比较，推荐使用一拖多的高压固态软启动器，该高压软启动器是用多只可控硅串并联而成。在电机启动过程中，可平滑加速，减少了电机启动时对电网、电机本身和相连设备的电气及机械冲击。其软停功能可以解决突然停机引起的水泵水锤现象及机械冲击等。当可控硅启动器出现故障后，可以通过旁路接触器直接启动，因此一拖多相对一拖一基本不会降低可靠性且价格大幅度降低，比一拖一减少了柜子数量，有利于在狭窄空间的布置；相对于变频启动价格不到其三分之一，且变频启动对于一年仅灌溉期间用电的泵站来说节能优势并不明显；相对于传统的电抗器、自耦变及液体电阻启动装置，虽价格贵，但启动、制动功能优越，启动完毕后，其软启动器继续监控电机并提供各种故障保护。因为它属智能设备，有通讯接口可以直接连接到上位机实现远方控制，这是传统启动不具备的，特别对下段将要提到的自动化改造有重要价值。

六、自动化改造思路

大多数泵站修建年代久远，保护基本失效，较近的也是十多年前的，所用的是传统的继电器方式，与现有的保护方式很难兼容，必须重新设计。本次改造拟对石盘滩等一些大型泵站全采用计算机监控，以PLC、现场总线、监控软件等实现对电气设备的自动控制，以后可设置监控中心，对各泵站采集数据和监视运行，真正做到无人值班，少人值守。控制系统可考虑采用图2的分层分散式结构，与变电站和发电厂常用的分层分布式不同，间隔层中各数据采集、监控单元和保护单元做在一起，设计在同一机箱中，并将这种机箱就地分散安装在开关柜上。这样各间隔单元的设备相互独立，仅通过网络由站控机对它们进行管理和交换信息，在间隔层内完成的功能不依赖通信网络。鉴于过去设计的泵站大多数没有中控室，将二次设备压缩进开关柜便能适应狭窄的布置空间。这时各个开关柜已经成为智能型开关柜，通过一根计算机电缆连接至后台监控主机实现通讯，最大限度地减少了复杂的二次电缆，使设计、安装及运行维护工作量减到最小。因为PLC安装在开关柜内，需要做到防强磁干扰，满足温度、湿度、通风及防振动等要求。由于各泵站分散、数量多及位置偏僻，以目前的投资力度和国情，小泵站不会搞计算机监控，目前更不会实现对所有分散的小泵站的统一监控，如以后还要进行通讯改造，可在小泵站设计带通讯接口的智能型开关或软启动装置，为实现监控中心对所有泵站的统一监控创造条件。

七、小结

笔者在设计泵站改造时，主要参考《工业与民用配电设计手册》第三版、《泵站设计规范》GB/T50265-97、感到要么针对性不强要么太笼统，目前没有发现内容较为详细的关于泵站改造方面的手册，20世纪70年代设计的一些泵站结构差异不小，要规范改造有一定难度，但终归要走向标准化设计的道路，以后新建就相对容易了。目前要达到设计深度，需要参阅各类资料，不断自我完善，费时费力，本文是笔者作实际工作的一些思考，肯定有不妥之处，敬请原谅。

图2　泵站综合自动分层分散式系统结构框图