小型泵站电气设计及设备选型方法探讨
【摘 要】本文从小型泵站电气设计的角度，主要在电气设备（变压器、电动机）的选型、接线方式、电机启动方式及电容补偿方式的选择等方面进行了比较分析。
【关键词】变压器；电动机；启动方式；电容补偿
小型泵站数量庞大，应用广泛，在服务于工农业生产中发挥着巨大作用。在设计上如何做到技术先进、安全可靠、经济合理，具有很重要的意义。因此，优化电气设计方案，正确选择电气设备，是降低工程造价的关键。
1 主变压器选型
小型泵站电源一般为10kV，电动机电压0.38kV，变压器采用10/0.4kV级，设计应处理好两个关系：
1.1 主变压器容量选择与启动方式的关系
一般情况下最大一台全压直接启动电动机容量不超过变压器容量的30%时，电动机母线电压降在15%以内。当最大一台电动机容量超过变压器容量的30%时，电动机母线电压降可能大于15%，这时有两种启动方式可供选择：（1）通过增大变压器容量来提高电动机机端电压，实现全压直接启动；（2）降压启动方式。通过提高变压器容量来改善启动条件的方法，会造成正常运行时变压器容量的部分空闲，所以设计不推荐采用。
1.2 主变压器容量与水泵轴功率的关系
设计上常遇到所选水泵的轴功率与电动机功率相差较大的情况，如果按电动机功率选配变压器，不仅容量偏大，同时使与变压器配套的开关电气设备，电线电缆等选型均增大，工程投资增加。因此设计一般按水泵轴功率选择变压器的容量。
2 站用电选择
根据泵站装机容量、电网供电状况，站用电主要由以下3种方式取得：（1）配置专用站用变压器，专用站用变压器可直接接自主变压器高压侧进线开关外侧，站用电取自专用变低压侧；（2）站用电直接从电动机电压母线上取得；（3）如果泵站附近有其他电网电源可供泵站非运行期用电时，不设专用站用变压器。站用电取自电动机电压母线，外来电源作为站用电的备用电源，同时在泵站非运行期间可作为检修维护用电电源。从技术方面看，这3种站用电取得方式都可行。条件允许时，第（3）种方式经济，也满足要求，如受电网条件只能从（1）、（2）种方式中选一种。哪一种方式更经济更合理，必须通过综合经济比较才能
确定，主要取决于主变压器与电动机容量配套后是否还有剩余容量，一般来说，裕度大的应优先考虑设专用站变。
3 电动机选择
就一般泵站拖动水泵负载的电机而言，在一年当中，仅灌溉抽水期间连续工作，属典型的不频繁操作，因此选择电动机额定功率大于水泵负载功率就可以了。由于电机不频繁操作和水泵负载的轻载属性决定了小型泵站工程优先选用价格便宜、结构简单、维护方便的交流鼠笼型异步电动机。
绕线型电动机具有启动转矩大、时间短、电流小的特点，适用于频繁操作、重载启动。一般情况下，绕线电动机价格比鼠笼型价格更高。如果电动机采用鼠笼型，电网允许全压直接启动，那么选用鼠笼型电机经济上就具有更大的优势，所以对于水泵负载低压电动机选用鼠笼型电动机就可以了。只有在降压启动不能满足启动转矩要求时，才优先考虑采用绕线式电动机。
4 电动机启动方式的选择
异步电动机直接启动时存在着2个问题：（1）电动机启动电流大，而供电网络承受冲击电流的能力有限；（2）电动机启动转矩小，而负载又要求有足够的转矩才能启动。鼠笼型异步电动机的启动方式一般分为全压直接启动和降压启动。
4.1 “小容量”电动机轻载启动（全压直接启动）
所谓“小容量”是相对电网容量和供电线路长短而言的，一般只规定供电母线允许电压降占额定电压的百分数（《泵站设计规范》GB PT50265-97中规定，对不经常启动的拖动水泵电动机，启动时引起的母线电压降不宜超过15%。在特殊情况下，允许的电压降还可以更大一些）。
4.2 中大容量电动机轻载启动（降压启动）
一般情况下，当电动机启动时引起母线电压降落大于15%时就不能直接启动，但如果仍是轻载启动，此时的主要矛盾仍是启动电流大，而电网允许冲击有限，因此只有降低电压启动才能解决这个矛盾。电动机启动时，电压降落与系统容量、主变压器容量、机组台数、机组容量紧密相关，系统容量越大，变压器容量越大，启动时电压降落越小。当主变和系统容量一定时，等容量机组台数超过3台，启动1台电动机母线电压降一般不会超过15%。
4.3 中大容量电动机重载启动（绕线式电动机的启动方法）
中大容量电动机重载启动时两种矛盾同时起作用，问题比较突出。在电动机转子上串接电阻时，如果电阻值选择合适可以既增大转矩又减少启动电流，矛盾都得到解决。另外对频繁启动的电动机，即使容量不大，但启动、制动时间占整个工作时间比例大，大电流持续时间长，发热严重，这时也应采用绕线式电动机，
利用转子外接电阻来控制启动和制动，启动时大部分热量产生在电机外面，电机本身的发热也就小多了。
5 鼠笼型电动机启动器的选择
鼠笼型异步电动机启动器常用软启动器或自耦减压启动器，两种类型启动各具特点。
5.1 软启动器
软启动器的特点是启动电动机特性平滑，启动电流小且可调，启动时间短，如果泵站电动机台数较多，采用1台软启动器控制多台电动机，经济上最具优势。
5.2 自耦减压启动器
自耦减压启动器启动特性较硬，启动电流较大，有机械冲击，属于分段式恒压启动，体积较大，使用年限比软启动器长。理论上自耦减压启动器同样可以用一台启动器控制多台电动机，但由于其工作发热较大，不能连续启动，因此自耦减压启动器不宜用于“一拖多”方式。
6 电容补偿
泵站的无功补偿有两种方式：第一种方式是集中补偿，即在电动机电压母线上集中补偿；第二种方式是在电动机旁就地补偿。集中补偿在电动机电压母线上接有成套电容器柜，柜内装有自动投切装置，随电动机投切而自动分组投切电容，补偿容量满足规程要求功率因数就可以了。当补偿容量不大，设集中补偿柜经济上不合理时，则可考虑采用个别补偿方式。单台三相电动机个别补偿时，一般是将电动机空载时的功率因数补偿到1，这是因为空载时无功负载最小。如果在负载情况下进行补偿，则空载时势必过补偿，在电动机过补偿时，在电动机切断电源后由于惯性作用，电动机将继续运转一定时间，此时电容回路将供给电动机励磁电流，反过来电动机变成感应发电机，发出电力对电容器充电，这种电磁振荡现象称之为“自励”。电动机发生自励时，将产生一定的过电压，对电机的绝缘特别是对电容器的绝缘将产生有害作用，此外电动机仍在转动时重新合闸会出现相当大的冲击电流，使电动机产生很大的瞬时转矩，可能造成电动机的轴损坏，因此设计上进行个别补偿时，应考虑在电动机空载下进行补偿。
7 结语
综上所述，全压直接启动电动机容量不应超过主变压器容量的30%，一般要求选择主变压器容量与电动机负荷容量相匹配，而且应按水泵轴功率校验。
站用变压器是否设置应根据主变压器容量、主变空载损耗等具体条件来确定。泵站拖动水泵负载的低压电动机一般选用鼠笼型异步电动机，其启动方式优先选择全压直接启动，只有当电压不能满足要求时才采用减压启动方式。
启动器一般选用自耦减压启动器，经济条件允许还可以选用软启动器。低压电动机电容补偿容量较大时宜采用集中补偿方式，补偿容量不大时可采用个别补偿方式。
参考文献：
[1]机电排灌设计手册（下）.中国水利出版社，1982.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.泵站设计规范（GB50265- 2010）.2011.
