探析大型水泵测试站的供配电方案

探析大型水泵测试站的供配电方案　华　亮（苏州市建筑设计研究院有限责任公司，江苏省苏州市２１５０２１）　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｐｌａｎ　ｆｏｒ　Ｌａｒｇｅ・ｓｃａｌｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｕｍｐ　Ｔｅｓｔ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｈｕａ　Ｌｉａｎｇ（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５０２１，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｐｕｍｐ　２。１　电源选择　ｗａｔｅｒ　ｔｅｓｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ａ　ｐｒｏｐｅｒ　考虑到经济性及当地电网情况。选择市电接人为　单电源３５　ｋＶ电缆进线．接自２２０／３５　ｋＶ变电站．短　路容量最大为１　３００　ＭＶＡ．最小为７００　ＭＶＡ。　２．２变压器选择　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ，　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐ　ｔｅｓｔ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　为测试最大为１０　ＭＷ的水泵．如果选择单台　１２．５ＭＶＡ的３５／ｌＯｋＶ变压器。则有体积大、不灵活的缺　点．一旦该变压器发生故障，整个测试站将无法工作。　现选择采用两台８　ＭＶＡ的３５／１０　ｋＶ干式变压器　（１—１　ＴＡ、１—２　ＴＡ），当测试１０　ＭＷ的水泵时，采用　变压器并列运行的方式　由于市电接人为单电源．只　要两台变压器参数完全一致．并列运行时就不需要设　Ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｏｆｔ　ｓｔａｒｔｅｒ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　摘要　由于水泵测试的负荷特殊性．本着经济　合理、安全可靠的原则。探讨如何从负荷要求、短路　电流计算、计量、谐波，以及电压降等方面设计合适　的供配电系统．满足其要求　关键词　水泵测试启动器　并列运行　谐波分析　电压降　变频软　专门的设备来控制电压、相位及频率的同步。而且即　使其中一台变压器发生故障．另一台还能测试６ＭＷ　及以下的水泵，提高了供电连续性。再则，由于需　１　负荷分析　某大型水泵制造企业需新建厂房．内设一个大型　要安装变频软启动器．单台大容量的变频软启动器　反而不如两组小容量的变频软启动器经济。另外，　由于所选变频器的输出电压仅为６．６～７．２　ｋＶ．因此　水泵测试站．市电接人电压为３５　ｋＶ。该企业生产大　型高压水泵．采用高压异步电动机．额定电压６．６　ｋＶ　及ｌ０　ｋＶ．额定功率从３　ＭＷ至１０　ＭＷ　水泵测试　次数约每周２次．每次测试时间约４～１２　ｈ。为降低　对电网的冲击．测试时间一般安排在晚间或周末。测　试对供电可靠性无特殊要求．供电系统的突然停电不　会造成设备损坏或人员伤亡事故　水泵测试站的控制　系统和冷却水系统用电．以及厂房本身的生产及办公　用电等日常负荷使用电压为０．４　ｋＶ　需要安装升压变压器（２一ｌ　ＴＡ、２—２　ＴＡ），以使　测试母线电压达到１０　ｋＶ　测试站所用的控制系统和冷却水系统用电采　用一台８００　ｋＶＡ的３５／０．４　ｋＶ直降干式变压器　（１—４ＴＡ）．厂房生产及办公用电采用一台１　２５０　ｋＶＡ　的３５／０．４　ｋＶ直降干式变压器（１—３　ＴＡ）。　２．３　电能计量’　考虑到测试站的负荷特点．大容量负荷不是经常　使用．日常使用负荷约为１　２００　ｋＶＡ．因此采取３５　ｋＶ　２供配电系统分析及特点　水泵测试站供配电系统简图见图１　单母线分段计量方式　两台８　ＭＶＡ干式变压器设置　一套计量装置．８００　ｋＶＡ和１　２５０　ｋＶＡ干式变压器另　作者信息　华　亮，男，苏州市建筑设计研究院有限责任公司，高级工程师，电气专业主任工程师。　探析大型水泵测试站的供配电方案（华亮）　建虢电乞。　＿————・・・＿＿＿—＿＿＿■ＢＵＩＬＤＩＮＧ　２口１　１年第７期Ｉ　ＥＬＥＣＴＲｌＣｌ　ｙ　无功补偿容量计算．按照最大功率　为１０ＭＷ计算．电机功率因数补偿前按　ＣＯＳ　０ｌ＝０．８６，补偿后按ＣＯＳ　０。＝０．９６计　算，根据公式：　Ｑｃ＝Ｐ（ｔａｎ０１一ｔａｎ０２）　＝１００００［ｔａｎ（ａｒｃｏｓ　１）一　ｔａｎ（ａｒｃｏｓ０２）］　３　０００　ｋｖａｒ　无功补偿总装机容量为３　０００　ｋｖａｒ　采用电容器与电抗器串联构成无功　补偿回路．单组或多组投切。且分组　容量不等（分为４组，分别为２００　ｋｖａｒ、　４００　ｋｖａｒ、８００　ｋｖａｒ及１　６００　ｋｖａｒ），可以　用较少的分组数达到多级的分步补偿。　２．５变频软启动　由于水泵电动机容量较大．经校验　（见第４章“电压降校验”），电动机全　压启动引起的３５　ｋＶ母线电压降达到　２９．６％．超过限值．因此需设置降压启　动　由于水泵类负荷对初始启动转矩要　求不高。故选择变频器作软启动。　单元串联多电平ＰＷＭ电压型变频　器．采用若干个低压ＰＷＭ变频单元串　联，实现直接高压输出　。该变频器用作　软启动装置．启动电流和启动时间可按　工况随机调整．可连续启动．启动后变　频器自动短接（ＱＡ—Ｄ０１、ＱＡ—Ｅ０１断　路器分闸，ＱＡ—Ｅ０３断路器合闸）。该装　置使用维护方便、自动化程度高、运行　可靠、尤其适用于高电压大功率电动机　的启动　本工程最终选择的两组变频器　的技术参数为：输入电压１０ｋＶ，输出电压　图１　水泵测试站供配电系统简图　Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐ　ｔｅｓｔ　ｓｔａｔｉｏｎ　６．６～７．２　ｋＶ，容量为６　０００　ｋＶＡ／台。　２．１６并列运行　为测试１０　ＭＷ的水泵．采用两套变压器和变频　设一套计量装置，可提高计量精度。　２．４无功补偿　软启动器并列运行的方式。在变频软启动器投入运行　时。两组变频软启动器之间需安装一套同步控制器．　保证在并列运行时，两组变频软启动器输出的电压、　相位和频率同步　．　为改善大容量水泵电机测试时的电能质量．且考　虑所测试电机的多样性．在１０　ｋＶ母线段设置自动　投切的电容器作无功补偿。　并列软启动并运行的操作过程如下：　软启动前。ＱＡ—Ａ０７、ＱＡ—Ａ０８、ＱＡ—Ｃ０１、ＱＡ　—系统　上级变电站　３５　ｋＶ母线　本变电站　３５　ｋＶ母线　本变电站　１０　ｋＶ母线　Ｃ０２、０Ａ—Ｃ０６（ＱＡ—Ｃ０６为母联开关，在并列运行　状态下需要合闸）、ＱＡ—Ｃ０７、ＱＡ—Ｃ０８断路器合闸：　变频软启动器启动且同步控制器工作后，ＱＡ—Ｄ０１、　ＱＡ—Ｄ０３、ＱＡ—Ｅ０１、ＱＡ—Ｅ０４、ＱＡ—Ｅ０６断路器合　闸，然后ＱＡ—Ｅ０２合闸。同步控制器控制两组变　频器按设定的初始输出电压、相位和频率开始同步输　出启动水泵。软启动完成后，ＱＡ—Ｃ０３和ＱＡ—Ｅ０３　图２高压水泵主回路短路阻抗的等值电路　Ｆｉｇ．２　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｌｏｏｐ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｕｍｐ　系统　上级变电站　３５　ｋＶ母线　本变电站　３５　ｋＶ母线本变电站　０．４　ｋＶ母线　先后合闸．然后ＱＡ—ＥＯ１、ＱＡ—Ｅ０６分闸，接着ＱＡ　—Ｅ０４分闸（按测试需求），水泵进入稳定运行状态　图３　直降变压器主回路短路阻抗的等值电路　Ｆｉｇ．３　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｌｏｏｐ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｄｒｏｐ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　３短路电流计算　３．１　计算条件　变电站短路电流按上级２２０／３５　ｋＶ变电站最大短　路容量１　３００ＭＶＡ来计算，计算条件如下：　ａ．上级变电站至本变电站的线路为ＹＪＶ笠一２６　／３５　ｋＶ一３×４００　ｍｍ２电缆．长度２．５　ｋｍ。　流：Ｉ　ｓｌ＝５．２８　ｋＡ，加电动机反馈电流Ｉ”　＝２　ｋＡ，　总短路电流，　ｌ＝７．２８　ｋＡ。　ｂ．　当测试１０　ＭＷ水泵时．１０　ｋＶ并列运行．　３５　ｋＶ母线短路电流：Ｉ　ｓ　２＝１７．５　ｋＡ；１—１　ＴＡ及　１—２ＴＡ并列运行．变压器电抗Ｘ　＝５．１０ｋＶ母线短　路电流：，”ｓ：＝９．７　ｋＡ，加电动机反馈电流，　：　＝４ｋＡ．总短路电流，　，＝１３．７　ｋＡ。　ｂ．主变压器容量为２×８　０００　ｋＶＡ．主变短路阻　抗按ｕｋ＝８％计算：配电变压器容量为８００　ｋＶＡ及　１　２５０ｋＶＡ，短路阻抗按　＝６％计算。　ｅ．基准容量Ｓｉ＝１　０００　ＭＶＡ，基准电压　取　３７　ｋＶ、１０．５　ｋＶ和０．４　ｋＶ。　ｃ．１　２５０ｋＶＡ直降变压器电抗值Ｘ１＝４８．０．４ｋＶ　母线短路电流：，”　２９．５　ｋＡ。　根据上述短路电流计算结果．３５　ｋＶ选择额定开　断电流２５　ｋＡ的真空断路器．可以满足要求：１０　ｋＶ　选择额定开断电流２５　ｋＡ的真空断路器．可以满足要　求：０．４　ｋＶ选择额定开断电流５０ｋＡ的断路器．可以　ｄ．从测试控制站至水泵的线路为２（ＹＪＶ一１０ｋＶ　一３×３００ｍｍ２）电缆．长度０．２ｋｍ　ｅ．１０ｋＶ母线需考虑电动机反馈电流．５ＭＷ电　动机：额定容量Ｓｒ　＝５　８１４　ｋＶＡ，功率因数ＣＯＳ　０　＝０．８６，额定启动电流倍数　３３６　Ａ，超瞬态电抗相对值　＝６，额定电流　＝０．１６７，电动机　２　ｋＡ；　满足要求　＝４电能质量分析　４．１　电压降校验　电抗标么值　＝２８．８，其反馈电流为，　１０　ＭＷ电动机：额定容量Ｓｒ盯２＝１１　６２８　ｋＶＡ，功　假设水泵电机在１０　ｋＶ母线上直接全压启动．按　率因数ＣＯＳ０２＝０．８６，额定启动电流倍数　＝６，　最不利条件，以１０ＭＷ电动机启动、１０ｋｖ主变两台　并列运行的状况校验母线电压降　４．１．１计算条件　额定电流，ｒ　：＝６７１　Ａ，超瞬态电抗相对值　＝０．１６７，电动机电抗标么值ＸＭ：＝１４．４，其反馈电　４　ｋＡ。　流为，　ｔＭ　系统最小短路容量Ｓｋ＝７００　ＭＶＡ：主变压器容量　高压水泵主回路短路阻抗的等值电路见图２：　直降变压器主回路短路阻抗的等值电路见图３　３．２计算结果　ａ．　Ｓ，　＝１６ＭＶＡ，主变短路阻抗按ｕｋ＝８％计算，电动　机参数：额定容量Ｓｒ　＝１１．６３ＭＶＡ，功率因数ｃｏｓ０２　＝当测试５　ＭＷ及以下水泵时．１０　ｋＶ分列运　０．８６，额定启动电流倍数　：＝６，额定电流，，　：　＝０．１６７，电　行，３５　ｋＶ母线短路电流：，ｔｔＳ１＝１７．５　ｋＡ；１一ｌ　ＴＡ　（１—２　ＴＡ）变压器电抗Ｘ　＝１０，１０　ｋＶ母线短路电　＝６７１　Ａ，电动机超瞬态电抗相对值　动机电抗标么值　：１４．４。　探析大型水泵测试站的供配电方案（华亮）　建虢电乞。　ｌ●●＿＿＿＿＿＿Ｉ＿＿　Ｉ８ＵｉＬ　ｉＮＧ　２口１　１年第７期ｌ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ！　Ｙ　系统　上级变电站　本变电站　本变电站　３５　ｋＶ母线　３５　ｋＶ母线　１０　ｋＶ母线　图４　电动机启动压降的等值电路　Ｆｉｇ．４　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｓｔａｒｔ—ｕｐ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　电动机启动压降的等值电路见图４　４．１．２计算结果　水泵全压启动时．变电站３５　ｋＶ母线的电压相对　值为：／／＇ｓ　＝７０．４％＜８５％，启动母线电压不符合要求。　因此设置变频软启动器作降压启动。按同类已建成的　水泵测试站（选用的变频器参数相似），采用变频软　启动器后的实测值折算。３５ｋＶ母线的电压降小于２％。　４．２谐波分析　４．２．１谐波电流分析　按照公用电网数据．公共连接点２２０／３５　ｋＶ上级　变电站容量９０　ＭＶＡ：公共连接点最小短路容量　７００　ＭＶＡ　本工程３５　ｋＶ变电站装机容量为　１８．０５　ＭＶＡ。根据ＧＢ／Ｔ　１４５４９—１９９３《电能质量　公用电网谐波》之规定，公用电网允许本工程变电站　注入的谐波电流允许值见表１　表１注入电网的谐波电流允许值与用户谐波电流估算值　Ｔａｂ．１　Ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ａｌｌｏｗａｂｌｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ’Ｓ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　谐渡　用户滋入电嘲公共遴接点　根据　建成采用类似变频　次数　的谐波电流允许值　ｉ　器瓣水泵测试燧实测数据　Ａ　＿　折算鳓谐波电流估算值　Ａ　２次　１４．２８　０．０５　３次　５　０．７９　４次　７．３４　０．１８　５次　５．８２　Ｏ　６次　４．８６　０　７次　５．４３　０　８次　３．６１　０．０４　９次　３．９１　０．０９　１０次　２．９６　０．０１　１１次　４．７７　１．７４　１２次　２．４８　Ｏ．０２　１３次　４．２２　１．１５　１４次　２．０８　Ｏ　１５次　２．３７　Ｏ．０１　１６次　１．７９　０　１７次　３．４３　０　表２注入电网的谐波电压允许值　Ｔａｂ．２　Ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ａｌｌｏｗａｂｌｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　。电阿　魄援总谐波畸变率　各次谐波氢压含有率　标称曦压　ＴＨＤｔｔ￣　曩－　－ＨＲ　％　奇次　偶次　３５　ｋＶ　３．Ｏ　２．４　１．２　本工程的谐波源主要是变频软启动器．选用的变　频器输出波形较好．根据已建成采用类似变频器的水　泵测试站实测数据折算，谐波电流估算值见表１。　由表１可见，谐波电流估算值均在国标《电能　质量公用电网谐波》规定的注入公共连接点的谐波　电流允许值以内。　４．２．２谐波电压分析　根据《电能质量公用电网谐波》之规定，公　用电网允许注入的谐波电压允许值见表２　根据已建成采用类似变频器的水泵测试站实测数　据折算．电压总谐波畸变率估算值为０．１２％．各次谐　波电压含有率均不超过表２中的允许值．满足国标　《电能质量公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压　限值要求　由于目前谐波电压和电流均为估算值．一旦本工　程建成试运行．将立即进行实测．若实测数据超过国　标规定限值，则必须安装设备进行谐波抑制　５　总结　针对本工程供配电系统的特殊性．笔者在设计过　程中与当地供电部门进行了充分的讨论和论证．但由　于经验上的欠缺．不足之处在所难免．这有待于该系　统实际运行调试后的检验与完善　盏　越奎＿＿　『１］能源部电力司，负责起草．ＧＢ／Ｔ　１４５４９—１９９３　电能质量公用电网谐波［Ｓ］．北京：中国标准出版社，１９９３．　『２］　中国航空工业规划设计研究院．组编．工业与民　用配电设计手册［Ｍ］．第３版．北京：中国电力出版社，　２００５：１２３—１６２，２５３—２９０．　『３］　机械工程手册　电机工程手册编辑委员会编．　电气工程师手册［Ｍ］．第２版．北京：机械工业出版社，　２０００：２６８—２７２，６５０—６５７．　２０１１—０２—２５来稿　’　２０１１—０７—０４修回