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摘要：本文主要从泵站电气设计为主阐述电气节能的重要性，提出泵站电气设计的几种节能措施。以保证泵站在安全、可靠运行的前提下，达到节约电能、保护环境、科学管理以及经济运行的目的。
关键词：泵站工程；电气设计；节能
Abstract: this article mainly from the pump station electrical design mainly expounds the importance of electric energy conservation, and puts forward several kinds of pumping station electrical design energy saving measures. In order to ensure that the pump station in a safe, reliable operation, under the premise of to save electric energy, environmental protection, and scientific management and the purpose of economic operation.
Keywords: pump station project; Electrical design; Energy saving
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
“节能降耗，保护环境”是一项基本国策，是实施可持续发展战略、保障国家经济安全、改善环境的重要措施之一。泵站是水利工程的重要组成部分，承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任。据不完全统计，我国现有大、中、小型排灌泵站近 60 万座，总装机容量约9 000 万 kW，泵站节能改造潜力和空间巨大，其电气节能设计是泵站节能的重要内容，也是每一位电气设计人员必须认真研究的问题。本文主要阐述泵站电气设计中切实可行的几种节能措施。
1、电动机节能
在泵站工程中要减少用电损耗，必须先降低电动机的损耗，因为水泵电动机的损耗占泵站用电损耗比例最大，因此电动机的节能降损是必须认真思考的重要内容。
（1）设计时应选用高效节能的电动机。应根据泵站的特点对多方案进行技术经济比较，确定选用同步机还是异步机或是两者相结合。对容量大于 800 kW 的大型电动机一般选择适应电网能力强，功率因数高的同步电机，但有的大型泵站工程也采用了异步电机，如单机容量达1 600 kW 的太湖骨干工程太浦河泵站。选择异步电机时应优先选择鼠笼型异步机，只有在计算后认为鼠笼型异步机无法满足启动要求时，才可选择绕线型异步电动机。
（2）减少电动机电能损耗的主要途径是提高电动机的工作效率和功率因数。异步电动机的有功损耗中不变损耗和可变损耗相等时效率最高，此时，不在电机功率的额定值。通常电动机在额定功率的 75%～100%运行时效率最高。在选择电动机额定容量时，应将负荷率控制在0.8～0.9 的范围内，避免“大马拉小车”。“大马拉小车”除了浪费能源外，还容易造成设备的损坏。
（3）电机启动应优先采用直接启动，在直接启动不能满足电动机端电压要求时，可以采用降压启动方式。传统的启动方式存在许多弊端，如启动电流高达额定电流的 5～7 倍，造成电动机绕组过热，引起高温，从而加速绝缘老化；供电网络电压降过大，当电压小于或等于0.85Un 时，影响其他设备的正常使用；启动时能量损失过大，浪费电能，尤其是在频繁启动时。因此，近几年来水泵电机一般都是采用软启动降压启动方式，从而避免大电流启动冲击对电机绝缘的影响，减少电动机维修量，节约维修费用，延长电机寿命。随着电机负载率的变化，软启动能自动调整电机的转速，使电机运行功率因数相应提高，同时降低电机运行时的功率损耗。故对经常启动且负载变化频繁的泵站电机，软启动的节能效果更显著。
2、供配电系统节能
根据泵站用电负荷容量、供电距离及其分布、用电设备特点及负荷等级，合理设计供配电系统，尽量做到简单可靠、操作方便，保证供配电系统在运行中的损耗减至最低，实现供配电系统的经济运行，达到节能的目的。
2.1负荷等级的确定以及负荷计算是供配电系统设计的依据，利用最佳负载系数法确定变压器容量，综合考虑初始投资和年运行时间及费用，选择技术参数好的变压器和开关设备，确保系统安全、可靠，实现泵站经济运行。
变压器经济节能运行的负载率宜为 0.75～0.85，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效低耗区内；在选择变压器时，应选用10 型及以上的节能环保型、低损耗、低噪音的变压器，并选 DY11 的接线组别，使变压器容量在三相不平衡负荷下得以充分利用，并有利于抑制三次谐波电流。泵站的年运行时间一般较短，为使季节性负荷变化时能够灵活投切变压器，可以设置主变压器和站用变压器，在非运行期间，主变压器退出运行，投入站用变压器，以减少主变压器由于轻载或空载运行而造成的不必要电能损耗。
（2）合理选择供电电压，在同等情况下，电压越高，损耗越小。对于小型泵站，水泵配套电机功率一般在200 kW 以下，通常选用380 V 低压电动机。对于大、中型泵站，水泵配套电机功率一般大于等于 280 kW，通常选用 10 kV（6 kV）高压电动机。当电机功率在200～280 kW 时，应经过技术、经济比较后确定采用何种供电电压。如果是 10 kV 高压电动机，则尽量不选用 35 kV 的线路电源，而采用 10 kV 的线路电源，后者可以直配电机，即将水泵电机与10 kV 架空线路直接连接，这样不仅可以节省 35/10 kV 的主变压器，主变压器的损耗可不计，也省去了35 kV 配电设备，而且 10 kV线路可以就近接线，35 kV 线路则往往较远，所以，10 kV 线路投资比 35 kV 线路节省许多。
（3）电气主接线应尽量简单可靠。通常采用单母线或单母线分段接线方式，同一电压等级供配电系统变配电级数不宜多于2 级，尽量减少因变配电级数过多而产生的电能损耗，并设置电容器无功补偿装置，降低线路运行电流，减少线路损耗，供电线路的电压损失应满足规范的允许值，这在一定程度上提高了供电网络的供电质量及网络运行的经济效益。
3、线路节能
在工程运行中，线路上的电能损耗相当可观，减少线路损耗的
措施有以下几点：
（1）尽量选用电阻率较小的铜芯线缆。结合节约用铜的原则，在较重要的泵站采用铜芯线缆。
（2）尽可能减短线缆长度。在泵站工程中，副厂房一般靠近主厂房布置，变配电室通常布置在副厂房内，设备布置时尽量按照接线顺序布置变配电装置室，将高压装置室布置在终端杆侧，然后布置变压器室和低压装置室（或主机控制柜室），并将主机柜尽量靠近主电机，也可以将高压柜布置在变压器上方的楼层，这样尽可能保证变压器高、低压侧电缆线路最短，线路损耗最低。
（3）合理选择电缆、导线的截面。在满足允许载流量、允许电压损失等各种技术指标的前提下，结合实际运行需要，按经济电流密度选择线缆的截面，并应从降低电能损耗、减少投资和节约有色金属等方面综合衡量。
（4）合理利用补偿柜上的自动补偿控制装置，提高供配电系统的功率因数。在水泵电机选定的情况下，若自然功率因数达不到接入电网要求时，无功功率补偿装置自动投入運行，提高电网功率因数，进一步减少线路及变压器的损耗。在泵站电气设计中通常采用电机分散就地补偿和母线集中补偿 2种方式，也可根据工程具体情况具体分析。
（5）在电力系统中，无功功率主要由相位角和高次谐波造成，电力电子设备等的非线性负载产生的高次谐波，增加了电力系统的无功损耗。对于有可能产生谐波的泵站，如采用变频器等启动的泵站，设计中需考虑装设滤波装置、谐波监测仪等设备。各种谐波治理设备的适用场合不尽相同，应正确选择滤波装置。由于谐波分布的多变性和谐波工程计算的复杂性，要在设计阶段完全解决谐波问题非常困难，因此，设备调试与机组试运行阶段的谐波实测与分析，对于电力系统的谐波治理和最终提高电能利用率起着决定性的作用。
4、自动化控制
对于大、中型泵站，应设置综合自动化控制系统，将网络多媒体技术和网络控制技术相结合，实现在同一人机界面组态平台上工业电视监视与计算机监控一体化，推动泵站设备的计算机自动化监视、测量、故障诊断、控制保护和信息管理，提高泵站设备安全运行管理自动化水平，大幅度提升泵站、闸门的运行智能化程度，降低管理和运行成本，确保设备运行的安全可靠性和持久性。
泵站自动化控制系统的实现能提高泵站机电设备和水工建筑物安全运行的可靠性，有利于泵站的科学调度和经济运行，为增强防洪、除涝、灌溉、调水和供水能力打下了坚实的基础；实现了机组优化运行，节约了能源和水资源，也减少了运行管理人员，降低了运行管理成本，使泵站少人或无人值守成为可能；实现了泵站量化管理，为水资源的调度和优化配置创造了条件。
5、结语
本文介绍了在泵站工程电气设计中主要的几种节能措施，其他节能措施还有照明节能、弱电节能等。设计人员在设计时应精心考虑，反复比较设计方案，合理设计供配电系统，选择低耗节能型设备，尽量减少电能损耗，在保证泵站安全、可靠运行的前提下，真正达到节约电能、保护环境、经济运行的目的，为提高社会效益和经济效益作贡献。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：泵站工程；电气设计；节能
Abstract: this article mainly from the pump station electrical design mainly expounds the importance of electric energy conservation, and puts forward several kinds of pumping station electrical design energy saving measures. In order to ensure that the pump station in a safe, reliable operation, under the premise of to save electric energy, environmental protection, and scientific management and the purpose of economic operation.
Keywords: pump station project; Electrical design; Energy saving
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
“节能降耗，保护环境”是一项基本国策，是实施可持续发展战略、保障国家经济安全、改善环境的重要措施之一。泵站是水利工程的重要组成部分，承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任。据不完全统计，我国现有大、中、小型排灌泵站近 60 万座，总装机容量约9 000 万 kW，泵站节能改造潜力和空间巨大，其电气节能设计是泵站节能的重要内容，也是每一位电气设计人员必须认真研究的问题。本文主要阐述泵站电气设计中切实可行的几种节能措施。
1、电动机节能
在泵站工程中要减少用电损耗，必须先降低电动机的损耗，因为水泵电动机的损耗占泵站用电损耗比例最大，因此电动机的节能降损是必须认真思考的重要内容。
（1）设计时应选用高效节能的电动机。应根据泵站的特点对多方案进行技术经济比较，确定选用同步机还是异步机或是两者相结合。对容量大于 800 kW 的大型电动机一般选择适应电网能力强，功率因数高的同步电机，但有的大型泵站工程也采用了异步电机，如单机容量达1 600 kW 的太湖骨干工程太浦河泵站。选择异步电机时应优先选择鼠笼型异步机，只有在计算后认为鼠笼型异步机无法满足启动要求时，才可选择绕线型异步电动机。
（2）减少电动机电能损耗的主要途径是提高电动机的工作效率和功率因数。异步电动机的有功损耗中不变损耗和可变损耗相等时效率最高，此时，不在电机功率的额定值。通常电动机在额定功率的 75%～100%运行时效率最高。在选择电动机额定容量时，应将负荷率控制在0.8～0.9 的范围内，避免“大马拉小车”。“大马拉小车”除了浪费能源外，还容易造成设备的损坏。
（3）电机启动应优先采用直接启动，在直接启动不能满足电动机端电压要求时，可以采用降压启动方式。传统的启动方式存在许多弊端，如启动电流高达额定电流的 5～7 倍，造成电动机绕组过热，引起高温，从而加速绝缘老化；供电网络电压降过大，当电压小于或等于0.85Un 时，影响其他设备的正常使用；启动时能量损失过大，浪费电能，尤其是在频繁启动时。因此，近几年来水泵电机一般都是采用软启动降压启动方式，从而避免大电流启动冲击对电机绝缘的影响，减少电动机维修量，节约维修费用，延长电机寿命。随着电机负载率的变化，软启动能自动调整电机的转速，使电机运行功率因数相应提高，同时降低电机运行时的功率损耗。故对经常启动且负载变化频繁的泵站电机，软启动的节能效果更显著。
2、供配电系统节能
根据泵站用电负荷容量、供电距离及其分布、用电设备特点及负荷等级，合理设计供配电系统，尽量做到简单可靠、操作方便，保证供配电系统在运行中的损耗减至最低，实现供配电系统的经济运行，达到节能的目的。
2.1负荷等级的确定以及负荷计算是供配电系统设计的依据，利用最佳负载系数法确定变压器容量，综合考虑初始投资和年运行时间及费用，选择技术参数好的变压器和开关设备，确保系统安全、可靠，实现泵站经济运行。
变压器经济节能运行的负载率宜为 0.75～0.85，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效低耗区内；在选择变压器时，应选用10 型及以上的节能环保型、低损耗、低噪音的变压器，并选 DY11 的接线组别，使变压器容量在三相不平衡负荷下得以充分利用，并有利于抑制三次谐波电流。泵站的年运行时间一般较短，为使季节性负荷变化时能够灵活投切变压器，可以设置主变压器和站用变压器，在非运行期间，主变压器退出运行，投入站用变压器，以减少主变压器由于轻载或空载运行而造成的不必要电能损耗。
（2）合理选择供电电压，在同等情况下，电压越高，损耗越小。对于小型泵站，水泵配套电机功率一般在200 kW 以下，通常选用380 V 低压电动机。对于大、中型泵站，水泵配套电机功率一般大于等于 280 kW，通常选用 10 kV（6 kV）高压电动机。当电机功率在200～280 kW 时，应经过技术、经济比较后确定采用何种供电电压。如果是 10 kV 高压电动机，则尽量不选用 35 kV 的线路电源，而采用 10 kV 的线路电源，后者可以直配电机，即将水泵电机与10 kV 架空线路直接连接，这样不仅可以节省 35/10 kV 的主变压器，主变压器的损耗可不计，也省去了35 kV 配电设备，而且 10 kV线路可以就近接线，35 kV 线路则往往较远，所以，10 kV 线路投资比 35 kV 线路节省许多。
（3）电气主接线应尽量简单可靠。通常采用单母线或单母线分段接线方式，同一电压等级供配电系统变配电级数不宜多于2 级，尽量减少因变配电级数过多而产生的电能损耗，并设置电容器无功补偿装置，降低线路运行电流，减少线路损耗，供电线路的电压损失应满足规范的允许值，这在一定程度上提高了供电网络的供电质量及网络运行的经济效益。
3、线路节能
在工程运行中，线路上的电能损耗相当可观，减少线路损耗的
措施有以下几点：
（1）尽量选用电阻率较小的铜芯线缆。结合节约用铜的原则，在较重要的泵站采用铜芯线缆。
（2）尽可能减短线缆长度。在泵站工程中，副厂房一般靠近主厂房布置，变配电室通常布置在副厂房内，设备布置时尽量按照接线顺序布置变配电装置室，将高压装置室布置在终端杆侧，然后布置变压器室和低压装置室（或主机控制柜室），并将主机柜尽量靠近主电机，也可以将高压柜布置在变压器上方的楼层，这样尽可能保证变压器高、低压侧电缆线路最短，线路损耗最低。
（3）合理选择电缆、导线的截面。在满足允许载流量、允许电压损失等各种技术指标的前提下，结合实际运行需要，按经济电流密度选择线缆的截面，并应从降低电能损耗、减少投资和节约有色金属等方面综合衡量。
（4）合理利用补偿柜上的自动补偿控制装置，提高供配电系统的功率因数。在水泵电机选定的情况下，若自然功率因数达不到接入电网要求时，无功功率补偿装置自动投入運行，提高电网功率因数，进一步减少线路及变压器的损耗。在泵站电气设计中通常采用电机分散就地补偿和母线集中补偿 2种方式，也可根据工程具体情况具体分析。
（5）在电力系统中，无功功率主要由相位角和高次谐波造成，电力电子设备等的非线性负载产生的高次谐波，增加了电力系统的无功损耗。对于有可能产生谐波的泵站，如采用变频器等启动的泵站，设计中需考虑装设滤波装置、谐波监测仪等设备。各种谐波治理设备的适用场合不尽相同，应正确选择滤波装置。由于谐波分布的多变性和谐波工程计算的复杂性，要在设计阶段完全解决谐波问题非常困难，因此，设备调试与机组试运行阶段的谐波实测与分析，对于电力系统的谐波治理和最终提高电能利用率起着决定性的作用。
4、自动化控制
对于大、中型泵站，应设置综合自动化控制系统，将网络多媒体技术和网络控制技术相结合，实现在同一人机界面组态平台上工业电视监视与计算机监控一体化，推动泵站设备的计算机自动化监视、测量、故障诊断、控制保护和信息管理，提高泵站设备安全运行管理自动化水平，大幅度提升泵站、闸门的运行智能化程度，降低管理和运行成本，确保设备运行的安全可靠性和持久性。
泵站自动化控制系统的实现能提高泵站机电设备和水工建筑物安全运行的可靠性，有利于泵站的科学调度和经济运行，为增强防洪、除涝、灌溉、调水和供水能力打下了坚实的基础；实现了机组优化运行，节约了能源和水资源，也减少了运行管理人员，降低了运行管理成本，使泵站少人或无人值守成为可能；实现了泵站量化管理，为水资源的调度和优化配置创造了条件。
5、结语
本文介绍了在泵站工程电气设计中主要的几种节能措施，其他节能措施还有照明节能、弱电节能等。设计人员在设计时应精心考虑，反复比较设计方案，合理设计供配电系统，选择低耗节能型设备，尽量减少电能损耗，在保证泵站安全、可靠运行的前提下，真正达到节约电能、保护环境、经济运行的目的，为提高社会效益和经济效益作贡献。
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