严欣婷，廖 容，李兼伐，贺玮彤
（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）
广西是中国最大的食糖生产地区，年产糖量占全国总产量60%以上。为保证食糖战略物资的可靠供应，2014 年起，广西在政策导向和资金支持等多个方面给予食糖产业大力支持，在全区持续推进经营规模化、水利现代化、种植良种化及生产机械化的优质高产高糖糖料蔗基地（简称“双高”基地）建设[1]，而泵站作为“双高”基地建设的重要内容之一，采用电网供电时，其供电电源方案设计和设备选型的合理性将直接影响到基地水利化工程项目的建设投资及日后的运行维护费用。
在“双高”基地建设水利化项目实施过程中，除小部分甘蔗种植灌溉面积较大的片区，其泵站总装机容量达到500～2000 kW，属于中型泵站之外，大部分片区受甘蔗种植土地特点及土地流转等因素影响，灌溉面积小于2000 亩，泵站总装机容量在500 kW以下，属于小型泵站。
泵站最主要的负荷是取水泵和加压泵的电动机，同时还包括施肥、加药、抽真空、照明、通风、检修及生活电器等一些附属小容量负荷。为满足泵站设备用电要求，一般采用柴油发电机供电和电网供电两种供电电源方案。由于柴油发电机供电方案运行成本高，甘蔗种植户难以承受，除非种植片区远离供电线路，采用电网供电建设成本过高，否则应优先选择电网供电的方案。
在多年的“双高”基地建设过程中，不少项目由于项目小，项目电气设计人员不足，在泵站电网供电电源方案设计中常存在电源接入方式不科学，变压器选型不合理，高压侧开关选用不恰当等问题，应引起相关项目建设单位和设计单位重视。
对于小型泵站，如果泵站附近已建有满足泵站建设新增容量的公用变压器，可采用自公用变压器获取泵站电源的方式，但要详细核算公用变压器至泵站的线路压降能否满足泵站电动机起动及附属电气设备正常工作电压的要求。实际上，小型泵站多采用农村供电电网10 kV 公用架空配电线路“T”型接电的方式接入电源，具体接入点应事先向当地供电部门申请，由供电部门核算该配电线路是否能满足新增泵站容量要求并对泵站接入点及接电方案进行审批。
对于装机容量较大或离电网10 kV变电站较近的泵站，可采用客户专用架空线路（或电缆）的方式，直接从变电站10 kV 母线经线路断路器获取电源，并建设泵站变电站或配电站来满足泵站用电要求（见图1）。这种接入方式主要应用于大中型泵站，在“双高”基地建设时较少采用。
图1 10 kV专用线路接入方式
对于装机容量较小、离10 kV电源变电站较远、村庄公用变压器容量无法满足泵站装机容量要求的小型泵站，一般自10 kV公用架空线路通过“T”型接线方式获取电源，具体见图2，“T”型接线处称为“接入点”，也是泵站与供电部门的责任分界点，分界点后属于泵站建设及运行维护范围，这种接入方式在“双高”基地小型泵站建设时广泛采用。
图2 10 kV线路“T”型接入方式
小型泵站主要负荷为水泵配套的三相交流异步电动机，因此泵站变压器应选用三相配电用电力变压器。不同型式的变压器，各有优缺点，甚至对泵站建设投资及运行维护工作及费用影响较大，在泵站设计选型时应慎重选择。此外，变压器容量选择与泵站的负荷类型、功率大小以及水泵机组起动和运行方式均有关系，应科学、合理选择。
3.1 变压器类型选择
电力变压器按冷却介质不同，分为油浸式变压器和干式变压器。对于泵站常用的小容量10 kV电力变压器，油浸式变压器采用绝缘油作为冷却介质，通过内部油循环将变压器工作产生的热量带到变压器的散热器（片）上进行散热，存在漏油污染、可燃、易爆、维护相对复杂等缺点，而干式变压器用树脂绝缘，自然风冷时可在额定容量下长期连续运行，采用强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%，同时结构简单，无油，抗短路能力强，运行维护工作量小，但制造工艺相对复杂，成本较高，表1 为S13系列两种容量变压器市场价格对比表。
表1 油浸式与干式变压器价格对比表
从表1 可见，干式变压器价格明显高于油浸式变压器。当泵站采用干式变压器时，考虑变压器的防水、防潮和安全要求，一般采用户外箱变或室内安装的方式，高压部分需要引接高压电力电缆，同时需要占用安装用土地面积。
当泵站采用油浸式变压器时，可采用柱上安装或建设户外变压器安装支墩的方式进行安装。对于泵站变压器在315 kVA 及以下容量时，可采用柱上安装方式，在泵房附近双电杆的槽钢横担上安装泵站变压器，从而节省泵站建设用地和泵站电气部分建设成本，是最经济的一种方式。对于泵站变压器容量在315 kVA 以上时，考虑到变压器本身重量及安全要求，通常将变压器固定安装于变压器支墩上并配建围墙的方式，如因征地困难等原因需采用柱上安装时，须经过严格的方案论证。
3.2 变压器绕组接线组别选择
按配电变压器绕组接线组别不同，分为Yyn0和Dyn11两种[2]。为获取照明、风扇等单相负载所需的电源，泵站变压器低压侧都选用带N（中性线）的接线方式。
与同容量的Dyn11 接线组别变压器相比较，Yyn0 接线组别的空载损耗与负载损耗略小于Dyn11 接线组别，因此在过去相当长一段时间内，1000 kVA及以下容量的10/0.4-0.23 kV泵站电力变压器，几乎都采用Yyn0 的接线组别，但随着电网中电力电子元件应用越来越广泛，这些元件对电源而言是典型的非线性负载，在使用过程中会产生谐波注入电网，从而影响电网的供电质量并产生附加的谐波损耗。Dyn11 接线组别变压器原边接成D 形（三角形），泵站变频器、软起动器等设备工作时产生的三次及以上高次谐波激励电流在变压器原边形成环流，相比Y 形（星形）接法，可有效抑制高次谐波电流注入电网；
此外，Dyn11接线组别变压器的零序阻抗也明显小于Yyn0接线组别，更有利于单相接地短路故障的切除。
根据相关规范要求，Yyn0 接线组别电力变压器，在接用单相不平衡负荷时，要求中性线电流不超过低压绕组额定电流的25%，严重限制了三相不平衡时单相负荷的容量，影响了变压器设备能力的充分利用，而Dyn11接线组别电力变压器，中性线电流允许达到低压绕组额定电流的75%以上。综上所述，泵站10 kV 电力变压器推荐采用Dyn11 接线组别配电变压器，如图1、图2所示。
3.3 泵站变压器容量选择
泵站变压器容量选择是否合理，直接影响到泵站能否正常工作。变压器容量选得过大，投资成本高，运行损耗大；
变压器容量选得小，可能无法满足水泵起动和正常工作需要。因此，泵站变压器的容量应根据泵站的总计算负荷以及水泵机组起动和运行方式综合考虑进行选择。
泵站变压器容量按下式进行计算[3]：
式中：S—变压器容量，kVA；
P1—电动机额定功率，kW；
P2—照明、生活等用电总负荷，kW；
η—电动机效率；
cosφ—电动机功率因数；
K2—照明同时系数；
K1—电动机负荷系数。
式（1）是考虑水泵机组采用软起动或变频起动工作方式时计算泵站所需变压器容量的计算公式，如果水泵机组采用直接起动方式，式（1）计算变压器容量可能难以满足要求，随着软起动器和变频器价格的不断下降，为减小泵站变压器容量，降低变压器空载损耗，避免水泵起动瞬间对供水管路的冲击，建议水泵电动机额定功率在7.5 kW 及以上时，应采用软起动或变频起动方式。
如果泵站设计时，明确设计有备用机组且泵站正常工作时不会起动，用式（1）计算变压器容量时可不计入该备用机组的容量；
当泵站需要起动多台水泵工作时，应通过控制回路设计，避免同一泵房同一时间内两台或多台水泵同时起动。
3.4 10 kV高压侧开关选择
作为10 kV架空线路的一个“T”型接入点，为满足泵站电气检修需求及泵站出现电气故障时能迅速并有效地切断与10 kV 架空线路的连接，应在接入点处设置分界开关。小型泵站常用真空断路器和跌落式熔断器作为分界开关。
如果分界开关在泵站内部发生故障时，不能迅速且可靠动作断开与10 kV 架空线路的连接，或其保护动作时限与电源变电站该线路出口开关保护配合不当，均会造成变电站线路出口开关跳闸，从而造成该架空线路停电，影响到本线路上其他用户的正常用电，应设法避免。
图2 是采用断路器作为泵站分界开关的接入方式。对于10 kV的断路器，多为真空断路器结构，断路器内部无油，结构简单，性能可靠，可以手动操作、电动操作或遥控器操作实现断路器分合闸控制。断路器由本体、操作机构、控制器三大部分组成，可与FDR型故障检测器或RTU遥控终端等设备结合，将泵站供电融入供电部门配电自动化系统，实现架空线路故障自动定位和故障自动隔离。如采用ZW32-12 型带控制器的真空断路器作为泵站分界开关，配上FDR 型故障检测器，当泵站支线发生单相接地或相间短路故障时，分界开关及时、自动分闸切除故障，变电站及配电线路其他分支用户供电不会出现中断；
当泵站支线发生相间短路故障且分界开关保护动作时限与变电站配电线路出口开关保护动作时限配合不当，变电站配电线路出口开关先于泵站分界开关跳闸时，分界开关会在变电站配电线路保护动作跳闸后立即分闸，之后，变电站配电线路保护重合闸动作，自动合上配电线路出口开关，恢复配电线路的正常供电（相当于一次瞬时性故障），大大提高线路供电的可靠性。此外，配上RTU 遥控终端，分界开关可检测支线的电压、电流及功率等数据并传送至供电部门的电力管理中心，实现对支线负荷的实时监控，在支线故障造成分界开关动作后，可主动上报故障信息，使供电部门能迅速定位故障位置并及时处理，提升故障排查及处理效率。
图3 是采用跌落式熔断器作为泵站分界开关的接入方式。跌落式熔断器是10 kV配电线路分支线常用的一种短路保护开关，同时具备隔离开关功能，也是中小型泵站与10 kV 线路连接的常用电气设备，当泵站支线出现短路故障时，短路相的熔断器熔丝熔断，熔丝管的上下动触头失去熔丝的系紧力，在熔丝管的自身重力和上、下静触头弹簧片的作用下，熔丝管迅速跌落，使泵站故障相电路与供电线路相应相断开，实现短路故障的及时切除。相比断路器型式的分界开关，跌落式熔断器价格低廉，安装简单，但是，受熔断器工作原理、选型及质量等因素影响，自泵站支线短路故障发生至熔断器熔丝熔断，其切除故障时间难以准确确定，也难以与变电站配电线路出口开关保护动作时限配合，容易出现泵站支线故障引起变电站配电线路出口开关保护动作跳闸造成配电线路停电的大事故；
当泵站出现短路故障时，非故障相熔断器不会熔断，泵站内部线路会出现部分带电状态，也容易引起安全事故。此外，跌落式熔断器有严格的安全操作规范要求，包括不允许带负荷操作；
操作时必须配戴经试验合格的绝缘手套，穿绝缘靴并戴护目眼镜，使用电压等级相匹配的合格绝缘棒进行操作；
拉闸时，先拉断中间相，再拉背风的边相，最后拉断迎风的边相；
合闸时，先合迎风边相，再合背风边相，最后合中间相；
在雷电交加或者大雨的气候下禁止操作。这一系列的操作规范及设备安全要求，对于未配备专业电气作业人员的小型泵站而言，难以做到。
图3 采用跌落式熔断器的接入方式
因此，在设计小型泵站10 kV高压侧时，为合理确定接入电力系统的方式，应进行经济技术方案比较，在经济条件允许下，应优先选择配套智能控制器的10 kV 高压真空断路器作为泵站与10 kV 架空线路的分界开关，特别是泵站变压器容量在315 kVA 及以上时，变压器充电时励磁涌流比较大，不宜采用分相手动合闸的跌落式熔断器作为泵站与10 kV架空线路的分界开关。
为便于泵站电气检修时形成明显可靠的断开点，在安装位置允许的情况下，建议在泵站接入点处安装刀闸开关作为隔离开关（如图2、图3所示），当泵站电气设备（包括分界开关）需要检修时，可在泵站分界开关处于分位情况下，操作分开接入点的隔离开关，此时10 kV线路无需停电，即可开展泵站电气设备的检修。如未选装隔离开关，则应安装带电接线环，以便在线路不停电的情况下对泵站分界开关进行带电检修。
小型泵站的设计和建设是“双高”基地建设的重要内容，应科学选择泵站供电电源10 kV 高压侧接入方式，合理选择高压开关和电力变压器。本文结合小型泵站10 kV 供电电源常见方案，分析了10 kV专用供电线路与10 kV架空线路“T”接的电源接入方式选用条件，介绍了油浸式变压器和干式变压器及Yyn0和Dyn11两种变压器绕组接线组别特点，比较了真空断路器和跌落式熔断器作为泵站分界开关的优缺点，提出了变压器类型选择要点和优先选用Dyn11 接线组别的建议，倡议在接入点处安装隔离开关或带电接线环来解决泵站支线检修问题，可供泵站设计单位及建设单位参考。
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