深圳市深水水务咨询有限公司 广东深圳 518003
摘要：泵站是机械设备、电力设备和水利工程的综合体，电力系统如何进行合理选型和配套，以最低的投资发挥最大的效益，以及建成后能够保证长期安全运行，这是大家所关心的主要问题。由于机组容量不断增大、泵站工程的安全可靠性和节约能源的要求不断提高，供电方式及变压器容量的选择需要进行合理的计算，才能达到最佳效果。
关键词：泵站；供电方式；变压器；容量；选择
1引言
深圳市是一个社会和经济发达的海滨城市，同时，由于台风及强降雨频繁，也是洪涝灾害多发的地区。为此，深圳市建设了较为完善的防洪排涝工程体系，这些工程设施在防洪排涝、保护城市安全和改善水环境等方面发挥了重要作用。随着深圳市经济和社会的发展，对防洪排涝要求的提高，排涝泵站的地位与作用愈显突出。深圳市已建成各种排涝泵站上百余座，泵站规模涵盖大、中、小型，这些泵站在以往的防洪排涝过程中发挥了巨大的作用，其防洪意义不可低估。
作为电气工程工作者，笔者有幸参与了深圳市泵站安全调查评估，走访调查了深圳市数十座泵站，详细了解了各泵站的供配电系统现状。以下是根据在泵站安全评估中涉及电气方面的几点内容，结合泵站现有设计状况，依据规范规程等，探讨泵站供电方式及变压器容量选择。
2 泵站负荷等级的确定
（1）.“电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在对人身安全、经济损失上所造成的影响程度进行分级，并应负荷下列规定：……中断供电造成人身伤害或在经济上造成重大损失时，应视为一级负荷……中断供电将在经济上造成较大损失时，应视为二级负荷。”（《供配电系统设计规范 GB 50052-2009》3.0.1条）；“排水泵站供电应按二级负荷设计，特别重要地区的泵站，应按一级负荷设计。当不能满足上述要求时，应设置备用动力设施。”（《室外排水设计规范 GB 50014-2006》5.1.9条）；“污水泵站、雨水泵站供电负荷等级应为二级负荷。特别重要的污水泵站、雨水泵站应定为一级负荷。”（《城镇排水系统电气与自动化工程技术规程 CJJ 120-2008》3.1.2条）。
由此可见，供电负荷是根据其重要性和中断供电所造成的损失或影响程度来划分的。若突然中断供电，造成较大经济损失，给城镇生活带来较大影响者应采用二级负荷设计，如大城市的大型泵站；中、小城市的主要水厂和大、中城市的污水、雨水泵站。若中断供电造成重大经济损失，使城镇生活带来重大影响应采用一级负荷设计，如大城市特别重要的污水、雨水泵站。。二级负荷宜由二回路供电。一级负荷应由两个电源供电。
根据《供配电系统设计规范》GB 50052的规定，二级负荷的供电系统，对小型负荷或供电确有困难地区，也容许一回路专线供电，但应从严掌控。
上海合流污水治理一期和二期工程中，大型输水泵站35KV变电站都按一级负荷设计，深圳沙井排涝泵站工程中，按二级负荷设计。
3 泵站负供电方式的选择
（1）负荷等级确定为一级负荷的泵站，供电方式为：
“一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。”（《供配电系统设计规范 GB 50052-2009》3.0.2条）。
这里指的双电源可以是分别来自不同电网的电源，或者来自同一电网但在运行时电路互相之间联系很弱，或者来自同一电网但其间的电气距离较远，一个电源系统任意一处出现异常运行或发生短路故障时，另一电源仍能不中断供电，这样的电源都可视为双重电源。
双重电源可一用一备，亦可同时工作，各供一部分负荷。
（2）.负荷等级确定为二级负荷的泵站，供电方式为：
“二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回6KV以上的专用架空线路供电。”（《供配电系统设计规范 GB 50052-2009》3.0.7条）。
对于二级负荷的供电方式，因其停电影响还是比较大的，故应由两回线路供电。两回线路与双重电源略有不同，二者都要求线路有两个独立部分，而后者还强调电源的相对独立。
只有当负荷较小或地区供电条件困难时，才允许由一回6KV及以上的专用架空线供电。
当线路自配电所引出采用电缆线路时，应采用两回路。
“泵站宜采用二路电源供电，二路互为备用或一路常用一路备用。”、“在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可采用10KV及以上专用的架空线路或电缆供电，当采用架空线时，可采用一回架空线供电，当采用电缆线路时，应采用二根电缆组成的线路供电，每根电缆应能承受100%的二级负荷。”（《城镇排水系统电气与自动化工程技术规程 CJJ 120-2008》3.2.2、3.2.3条）。
对于二级负荷的供电方式，因其停电影响比较大，故应由两回线路供电，供电变压器亦应有2台。只有当负荷较小或地区供电条件困难时，才允许由一回路6KV及以上的专用架空线供电。
二级负荷，按“双电源”供电，宜采用双回线路供电。（《中国南方电网城市配电网技术导则》9.3.3条）。
4 电力变压器的容量计算
在电气设计中，如何合理确定配电变压器的容量，是十分重要的。对于用户来说，既希望变压器的容量不要选得过大，以免增加初投资；又希望变压器的运行效率高，电能损耗小，以节约运行费用。这是一对矛盾的两个对立面。
表1 深圳市北线引水工程变压器负荷率统计
关于变压器负荷率的选择条文说明有：
a.《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第4.3.2条：配电变压器的长期工作负载率不宜大于85%；
b.《全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇（电气）》第2.5.2中：变压器的经常性负载应以在变压器额定容量的60%为宜；
c.《给排水设计手册 电气与自控》第二版第2.2.3：按变压器运行损耗和经济效果选择变压器容量：按降低运行损耗选择变压器容量，负荷率宜采用60%-70%；按经济核算选择变压器容量，负荷率应选择为70%-90%。
d.《电力工程设计手册》：变压器容量应根据计算负荷选择，对平稳负荷供电的单台变压器，负荷率一般取85％左右，：F2 s7 Y（M- qg. u即：β=S/Se。
式中：S—计算负荷容量（kVA）；Se—变压器容量（kVA）；β—负荷率（通常取80％～90％）。
如果以最佳负荷率βm=60%来计算变压器容量，必将造成容量过大，使用户初期投资大量增加。其原因计算负荷Pjs是30分钟平均最大负荷P30的统计值，例如民用建筑的用电大部分时间实际负荷均小于计算负荷Pjs，如果按最佳负荷率βm计算变压器容量则不可能使变压器运行在最高效率βm上，这样不仅不能节约电能且运行在低β值上，则消耗更多的电能，因此按变压器的最佳负荷率βm来计算变压器的容量是不合理的。
下面通过对变压器相对年有功电能损耗率随相对节能负荷率变化的函数关系从中找出主要矛盾及矛盾的主要方面，从而得出一种电能损耗既不高且又节省初投资的配电变压器容量的计算方法。
（1）.按变压器的效率最高时的负荷率βM来计算容量
当计算负荷确定后，配电变压器的总装机容量为：
S＝Pjs/βb×cosφ2（KVA） （1）
式中Pjs——有功计算负荷KW；
cosφ2——补偿后的平均功率因数，不小于0.9；
βb——变压器的负荷率。
因此，变压器容量的最终确定就在于选定变压器的负荷率βb。
我们知道，当变压器的负荷率为：
βb＝βM＝Po/PKH （2） 时效率最高
式中Po——变压器的空载损耗；PKH——变压器的短路损耗。
然而对于设于地下层的变压器，为满足消防的要求，配电变压器一般选用干式或环氧树脂浇注变压器，表一为国产SGL型电力变压器最佳负荷率。
表2 国产SGL型电力变压器最佳负荷率βm
由表可见，如果以βm来计算变压器容量，必将造成容量过大，使用户初投资大量增加，另外Pjs是30分钟平均最大负荷P30的统计值，而用电一般在深夜至次日清晨是处于轻载的，且一天运行过程中负荷也时有变化，大部分时间实际负荷均小于计算负荷Pjs，如果按βm计算变压器容量则不可能使变压器运行在最高效率βm上，这样不仅不能节约电能且运行在低β值上，则消耗更多的电能，因此按变压器的最佳负荷率βm来计算变压器的容量是不合理的。
（2）.按变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj计算容量由于实际负荷总在变化，无法精确计算出变压器的电能损耗。然而对于某类电力用户，它的最大负荷利用小时数，最大负荷损耗小时数可依据同类用户统计数据来近似计算。
变压器的年有功电能损耗可按下式估算
△Wb＝PoTb+PKH（Sjs/S2e）² τ＝PoTb+PKHβ² τ （3）
式中β—计算负荷率，等于变压器的计算视在容量Sjs与额定容量Seb之比Tb——变压器年投运时间
τ——年最大负荷损耗时间，可由年最大负荷利用时数T m查出。
用户电力负荷消耗的年有功能为：
W＝βSebcosφTm （4）
则变压器的年有功电能消耗率为：
△W%＝ △Wb/W＝（PoTb+PKHβ² τ）/βS2ecosφTＭ （5）
令 d△W%dβ ＝0
求出变压器年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj；
βj＝PoTo/PKHτ＝βMToτ （6）
即配电变压器按照节能负荷率βj计算容量时，其年有功电能损耗率最小。
由式（6）可见，变压器的节能负荷率与年最大负荷损耗时间有关，τ越低βj越高。然而由于Tm值及Tm值所对应的τ值，因为泵站还没有这方面的统计资料，只能参考工业企业的类似资料。Tb按7500h，而根据不同功能，τ值在2300-4500范围内选取，因此T0/τ大于1，则βj必大于βM，且βj=（1.3-1.8）βM。从表2干式变压器的最佳负荷率βM值，可求出节能负荷率βj。对于泵站，由于非汛期处于轻载，其电力负荷的运行特点，相当于工业企业的单班制生产，变压器的节能负荷率βj=0.85-0.98。由此可见，按节能负荷率计算变压器的容量，要小于按最佳负荷率所计算的变压器的容量，这样不但年电能损耗小且一次性投资省，是一种可行的方法，另本文均针对使用干式变压器而讨论，如果使用S7型节能变压器，其损失比PKH/P0约为6.25，βM约为0.4左右，则节能负荷率在0.52-0.63之间，从这些可以看出还是有潜力的。
（3）.按变压器的经济负荷率计算容量
上面分析可知按年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj计算变压器的容量有利于节省初投资。然而相当于常年运行的供水泵站中配电变压器，按βj计算出的容量还是偏大，必将增加用户的一次性投资。如何能做到既能节省一次性投资，又能使电能损耗小，或者说能否做到初投资省和电耗小这对矛盾在变压器运行在负荷率的某一区域内获得相对统一，下面我们对变压器的年有功电能损耗率公式作进一步的分析。
对同一变压器，在某一负荷率β运行情况下的年有功电能损耗率如式（5），而在节能负荷率下的年有功电能损耗率为：
△Wj%＝PoTb+PKHβ2jτβjS2ecosφTm （7）
用（5）式的两边除以（7）式的两边，并用（6）式代入，整理后得：
△W%△Wj%＝12βj+βjβ （8）
上式为变压器运行在某一负荷率β时的年有功电能损耗率相对于运行在节能负荷率βj时的年有功电能损耗率随相对节能负荷率变化的函数关系。
该式中当β＝βj时，△W%/△Wj%＝1，当β＞βj或β＜βj时，△W%/△Wj%均大于1。
下面我们分析两个区间：
当β/βj从1.0增加到1.3，增加30%时，△W%/△Wj%从1.0增加到1.035，只增加了3.5%；当β/βj从2.0增加到2.3，增加15%时，△W%/△Wj%从1.25增加到1.37，增加了9.6%。可见在β/βj的低值区，△W%/△Wj%的增加值相对于β/βj的增加值是非常微小的，且增加的速率也是很小的，也就是说，在该区域中，我们用微小的年电能损耗率增加值来换取变压器的容量的较大减小使得一次性投资的明显降低，因此，我们选择相对节能负荷率β/βj在1-1.3范围内，即经济负荷率为：
βjj＝（1～1.3）βj （9）
我们按经济负荷率βjj选出的变压器容量，要比按节能负荷率βj选出的变压器容量降低一级，由此而节约的初投资远大于配电变压器的年有功电能损耗费用，做到了经济性与节能性这对矛盾的相对统一，显然这是一种既科学又经济合理的方法。
结合变压器运行年限所限定的温度条件，变压器的负荷率为：
βb＝βjj＝（1～1.3）βjβb≤1 （10）
（4）.泵站变压器的容量计算
综上分析，计算变压器容量的步骤为：
（1）计算出整座大楼的计算负荷Pjs
（2）用（2）式计算出βM
（3）用（6）式计算出βj
（4）用（10）式选出βb
（5）用（1）式计算出变压器的容量
步骤（2）中先按βjs初估变压器容量然后查变压器手册中的Po与PKH，得出βm，当步骤（5）得出变压器容量后将其与初估容量比较，如不一致，则将计算出的容量返回步骤（2）继续进行，直至一致。
当选用两台或两台以上变压器时，变压器的总装机容量选择不但与考虑经济、节能时的负荷率有关，还与考虑供电负荷级别所需的变压器的备用量有关，这两方面的考虑虽然出于两种不同的目的和概念，但都是密切相关的。
另外本文所讨论的配电变压器容量的计算方法，主要是针对泵站中所使用的变压器，即使用干式或环氧树脂浇注变压器，然而该方法也适用于使用其他配电变压器的场合，如使用油浸式节能变压器时，它的损失比较干式变压器更高，节能负荷率βj更低，这样用本方法计算出的变压器容量可能会降低两级，效果更好。
5 结语
综上所述，目前泵站供电方式及变压器容量的选择还存在一定深化和提升的空间。为确保泵站的安全可靠运行，笔者建议设计时参照《泵站设计规范》等相关规范的要求，根据实际情况做出合理的选型设计。
作者简介：
邓洪明（1987.02－），男，本科，水利水电机电工程师，深圳市深水水务咨询公司电气负责，主要从事工程咨询工作。
论文作者:邓洪明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/18
标签：负荷论文; 变压器论文; 泵站论文; 容量论文; 电能论文; 损耗率论文; 节能论文; 《防护工程》2018年第20期论文;