淺談某大型電排站電氣工程及其自動化的設計思路

張育輝

【摘 要】電氣工程及其自動化在排水工程中占重要地位，電氣工程主要內容是確定泵閘供電的電源接入方式、電氣接線設計及設備選型等。本文根據工程的具體情況確定工程負荷等級，通過充分的技術經濟比較選用合理的電氣設備，并配套對應的電氣接線及監控自動化系統，供類似工程設計參考。

【關鍵詞】電排站;電氣工程;自動化

1 電氣一次

1.1 用電負荷

泵閘工程新建一座泵閘建筑物，泵閘主要負荷為4臺泵機組，單機容量為1800kW，總裝機容量為7200kW。根據水機及金結等專業提供的資料，工程用電負荷如下表1-1：

1.2 供電電源

根據《供配電設計規范》（GB 50052-2009）、國家電力監管委員會電監安全（2008）43號文件相關定義及規定，確定泵閘用電負荷按二級負荷設計，因此供電電源設計宜采用2路電源供電。根據負荷計算容量，結合當地電網規劃，本工程選擇10kV供電方式。

1.3 電氣主接線

1）電排站主接線

本工程水泵電機為4臺，進線電源為2回，設計采用10kV電源。考慮電源情況，10kV配電母線采用單母線分段接線、2段母線分段運行，設分段開關。正常運行時兩回路并列運行，各帶泵站2臺機組，10kV母線聯絡分斷。當其中一回路檢修或故障退出運行時，同時分斷其進線開關后，將10kV母線聯絡關合，由單回路承擔泵站4臺機組、站用及管理區負荷。

2）站用0.4kV接線

根據本工程所選的機組型式、容量和臺數，初步估算廠用統計負荷約為500kVA，從機組10kV擴大單元匯流I段母線取得一路電源向站用負荷供電。工程結束后，擬保留施工電源，作為本站的備用電源。廠用配電系統為單母線接線，兩臺變壓器之間設斷路器聯鎖及備自投裝置。根據廠用電負荷估算情況，設置廠用變壓器和備用電源變壓器容量均為500kVA，接線組別采用D/yn11，阻抗電壓百分數為4.5%。廠用母線電壓采用400/220V，三相五線制供電系統，中性點直接接地。

1.4 主要電氣設備

1）短路電流計算

由于暫缺當地10kV電網系統參數，因此假設：基準容量和電壓為：Sj=100MVA Uj=10.5kV，最大運行方式：

a）取系統短路容量為300MVA。

b）線路阻抗XL*=0.015。

2）水泵配套電動機

a）電動機參數

由于本站水泵轉速為166.7r/min，配套電動機額定功率為1800kW，轉速低，功率大，本工程水泵電機可采用同步電機和異步電機兩種形式，由于同步電動機可以通過調節勵磁來調節電動機的功率因數，適應電網電壓波動能力較強，能進行無級調節，在負載和電網電壓變化時，做到恒功率因素運行，補償的質量高，異步電動機整體效率高，但需配大容量的無功補償設備及啟動裝置。二者的投資差別不大。本次設計水泵配套電機選用立式同步電動機。電動機額定電壓采用10kV。

b）起動方式

工程設置有4臺立式軸流泵機組，最大運行方式為4臺均投入運行。若電機采用直接起動方式，會對電網和機電設備造成沖擊，會影響母線上其他電氣設備的正常運行，亦影響機電設備的壽命，因此泵站的電機擬采取降壓起動方式。

經上述分析比較，軟啟動器要優于自耦變壓器降壓起動和星-三角降壓起動，軟啟動器給電動機電壓是逐漸升到額定電壓，啟動過程更為平滑，效果更好，對電網沖擊和對繞組的傷害也是最小的，所以本工程泵站的水泵電機擬選用軟啟動器起動。

1.5 絕緣配合和過電壓保護

1）絕緣配合和過電壓保護

為防止雷電波沿輸電線路侵入站內，造成電氣設備損害，本工程兩回10kV進線處分別設置避雷器進行保護。

避雷器選擇：10kV 氧化鋅避雷器按國內制造廠生產的設備選型。

2）10kV 及以下電氣設備的絕緣配合

本工程10kV開關柜每個真空開關回路裝設操作過電壓保護裝置，在每臺主電動機中性點各裝設1只電動機中性點避雷器。避雷器均采用氧化鋅避雷器。所有氧化鋅避雷器保護水平均與設備的絕緣水平相配合，并保證有一定的絕緣配合系數。

3接地系統設計原則如下：

a）充分利用水下鋼筋網和自然接地體進行接地，降低全廠接地網接地電阻值。

b）對經常有運行人員活動場所的電氣設備和接地導體進行等電位連接，設置均壓網，保證接觸電勢、跨步電勢滿足安全運行的要求。

c）在有大入地電流的接地點附近，如接閃線或明敷接閃帶引下接地處及避雷器接地處，加設集中接地設施。

d）在設計中注意如低壓供電線路、通信線路、金屬管道和金屬軌道等可能導致的高電位轉移的地方，采取相應的電氣隔離措施。

全廠接地系統主要由電排站廠房接地網、水工建筑物接地網等組成。其中：

a）泵站廠房接地網主要由人工接地扁鋼網、以及諸如電機本體、鋼管及閘門、攔污柵的金屬埋設件等自然接地體組成。

b）水工建筑物接地網由水下接地網、本體接地網組成，地網由人工接地扁鋼和水工建筑物鋼筋網構成。

c）中控室設防靜電地板。

全站接地網擬按工頻接地電阻≤2000/I ?設計，計算機設備采用銅接地線，以“一點接地”方式與接地系統相連接。低壓配電系統采用TN-C-S制接地型式。

2 電氣二次

2.1 計算機監控系統

計算機監控系統的結構、配置和功能：

1）監控系統的結構

監控系統采用開放式分層分布式快速以太網結構，分為遠控級、站控級和現地控制級。控制優先權順序為現地、站控、遠方。

A.設置在中控室的計算機監控系統站控級設備集中監視和控制泵站內主要運行設備：水泵電動機組及其附屬設備、閘門、輔機及清污機等設備。

B.通過設置在各設備現場的現地控制柜（箱）和保護測控單元可進行就地監視和控制。

C.根據需要，在遠控級被授權狀態，監控系統能接受上級管理部門的調度指令，實現遠程監控。

現地控制單元LCU與站控級的通信采用冗余光纖環網，傳輸速率100Mbps，介質采用多模光纖，網絡協議采用國際工業標準TCP/IP協議。現地控制單元采用現場總線與微機保護測控裝置、微機勵磁裝置及輔機系統PLC實現通信。

2）監控系統的配置

主要設備配置如下：

A.1臺監控主機，監控主機選用原裝歐美進口工控機Nematron或同品質工控機。

B.GPS同步時鐘接收全球衛星定位系統（GPS）的標準授時信號，對計算機監控系統站控級、現地控制級、繼電保護、視頻主機、安全監測主機等具有時鐘的設備進行同步時鐘校正，保證各部件時鐘同步率達到精度要求。

C.配置兩組冗余互為熱備的逆變電源，輸入來自泵站直流系統的蓄電池。兩組容量相同的逆變電源均可單獨供給監控系統全部負荷，正常運行時，兩組并聯供電。當一組故障時，另一組承擔起監控系統全部負荷供電。每組容量為5kVA。UPS電源組屏安裝。

D.配置可網管光纖工業以太網交換機1臺和工業以太網環網交換機4臺，每臺至少具有6個RJ45口，10/100M自適應。工業交換機選用原裝進口設備，技術性能不低于美國N-TRON公司產品。

E.監控系統與外部網絡之間設置硬件防火墻，對外部指令進行有效的鑒別和過濾，確保系統安全。

現地控制級共設置6套現地控制單元LCU，安裝在現場，包括：

A.4臺機組每臺機組設置1套現地控制單元LCU，安裝在現地，用于控制機組及其附屬設備。同步電動機微機勵磁裝置和保護測控裝置通過通信接口與泵組LCU實現信息交換。泵站工作閘門控制箱直接接入泵組LCU進行監控。

B.泵站公用設備設置1套現地控制單元LCU，其監控對象包括葉片調節機構的油壓裝置、技術供水泵、滲漏排水泵、檢修排水泵、消防供水泵、清污機、抽真空系統、站變、管理區變、直流系統及400V配電系統等。由于輔機系統設備繁多，各系統又相對獨立，因此每套輔機設備（除檢修排水泵和清污機外）配置1套PLC控制柜。輔機PLC控制柜就近安裝在設備現地，這樣既有利于現地設備就地控制，又節省電纜。各輔機PLC經現場總線與輔機LCU通信。它將同時與直流系統、相關各智能儀表進行通信，實現信息交換。

3）監控系統的功能

監控系統站控級功能包括：與上級部門聯網、數據采集與處理、實時控制和調節、泵站優化經濟運行、數據通信、時鐘同步、歷史數據庫與運行管理功能、系統自診斷與自恢復、人機聯系、培訓仿真、系統維護及軟件開發等。

現地控制單元是站內控制機組運行的最高一級自動控制單元，即使在站控級出現故障時，它也能保證機組正常運行和程序控制的各種運行操作。現地控制單元設手動/自動切換開關，在現地控制單元故障時，可進行手動操作。現地控制單元采用進口可編程序控制器為控制核心，主要功能包括：與上位機通信，接收開/停機等命令;巡測機組電流、電壓、有功、無功、功率因數、溫度及各設備位置狀態;向上位機發送實時運行信息;數據采集、處理和系統自診斷;人工鍵入指令，實施自動開停機等操作;顯示機組運行狀態各類參數;運行狀態識別，故障多重保護等。

2.2 繼電保護配置、測量和計量

1）繼電保護配置

10kV進線、站變、10kV電動機等的繼電保護參照《繼電保護和安全自動裝置技術規程》GB/T14285-2006和《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》GB/T50062-2008進行配置，選用微機型保護裝置。保護測控裝置要求采用RS485接口 Modbus協議與電排站計算機監控系統現地控制單元通信。保護測控為一體化裝置，選用國際知名品牌產品。每臺泵組保護測控裝置將信息送至各自泵組現地控制單元，其他保護測控裝置均將信息送至公用現地控制單元。裝置必須基于微機技術實現保護、控制監視功能。裝置上應有當地顯示操作面板，支持就地監視及操作功能。10kV進線、10kV電氣設備保護裝置均安裝在高壓開關柜上。

2.3 測量

具體如下：

1）10kV線路：電流，電壓，功率，有功無功電度，頻率。

2）10kV變壓器（水閘）低壓側：電流，電壓，有功無功功率，有功無功電度。

3）10kV母線：電壓、頻率。

4）10kV電動機：電流、電壓，有功無功功率，有功無功電度，勵磁回路直流電流、直流電壓。

2.4 計量

按照電能計量裝置技術管理規程的要求，在電排站10kV進線按照I類計量點安裝電能量計量表計和設備，配置0.2S級多功能電子式電能表，電壓互感器和電流互感器按0.2和0.2S級配置，滿足泵站運行計費要求，詳細要求須待電力部門正式文件確定。電能量信息將向供電公司調度端遠方電能量計量系統主站傳輸。

2.5 視頻監視系統

系統主要由三部分組成：第一部分在主要監視場所的各個重要部位，安裝監控前端設備-攝像機、云臺;第二部分為傳輸網絡，主要完成將前端設備的音視頻信號和監控信號傳輸到監控中心，并預留遠程傳輸接口，傳輸介質采用同軸電纜或光纖;第三部分為監控中心，主要包括多媒體數字監控系統主機、液晶大屏幕顯示系統等。

電排站的工業電視系統，能實現與站內消防監控系統的聯動功能（以開關接口為主，通信接口為輔）。當接收到來自消防監控系統的某一火災報警信號時，應能在工業電視系統中自動推出報警地點的圖像，供火災確認，以便迅速采取相應的處理對策，將火災損失控制在最小的范圍。

2.6 火災自動報警系統

根據火災報警系統設計規范，本站為二級保護對象。控制室設置一臺火災自動報警控制器，并根據不同區域分別布置感煙、感溫或纜式感溫探測器、手動報警按鈕等，自動報警控制器接受各探測器的報警信息，發出聲光報警，通知運行值班人員及時處理。

2.7 直流系統

采用微機型直流絕緣監測裝置，對母線電壓、母線對地絕緣電阻及各饋線絕緣狀況進行實時檢測。系統配置微機型蓄電池檢測裝置，應能定時進行自檢，能夠測量每只蓄電池的電壓，并具有報警遠傳的功能。系統配置220V、200Ah進口閥控式密封鉛酸蓄電池一組，單母線分段，分動力母線和控制母線，供站內微機保護、自動化系統、通信等使用。直流饋線30回，其中4回63A，10回32A，16回16A，各饋線配置相應規格的進口直流空氣斷路器。直流系統可通過通信接口與泵站計算機監控系統進行信息交換。

3 結論

電氣工程及其自動化設計應用經驗已經相當成熟，在排澇工程中應用也是分廣泛，電氣系統設計和選型需要緊密結合實際及相關廠家技術資料。本文闡述了某大型電排站電氣工程及其自動化的設計思路，供同類型排澇站工程設計參考，文中部分設計方案仍有優化空間，敬請批評指正。

參考文獻：

[1] 徐建安.中小型水電站電氣設計手冊.中國水利水電出版社，北京：2002（2007重印）.

[2] GB/T50265-2010泵站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[3] 熊為群.繼電保護自動裝置及二次回路.北京：中國電力出版社，1999.

[4] 唐祥盛.泵站設計與施工[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

（作者單位：廣東珠榮工程設計有限公司）