浅谈某大型电排站电气工程及其自动化的设计思路

张育辉

【摘 要】电气工程及其自动化在排水工程中占重要地位，电气工程主要内容是确定泵闸供电的电源接入方式、电气接线设计及设备选型等。本文根据工程的具体情况确定工程负荷等级，通过充分的技术经济比较选用合理的电气设备，并配套对应的电气接线及监控自动化系统，供类似工程设计参考。

【关键词】电排站;电气工程;自动化

1 电气一次

1.1 用电负荷

泵闸工程新建一座泵闸建筑物，泵闸主要负荷为4台泵机组，单机容量为1800kW，总装机容量为7200kW。根据水机及金结等专业提供的资料，工程用电负荷如下表1-1：

1.2 供电电源

根据《供配电设计规范》（GB 50052-2009）、国家电力监管委员会电监安全（2008）43号文件相关定义及规定，确定泵闸用电负荷按二级负荷设计，因此供电电源设计宜采用2路电源供电。根据负荷计算容量，结合当地电网规划，本工程选择10kV供电方式。

1.3 电气主接线

1）电排站主接线

本工程水泵电机为4台，进线电源为2回，设计采用10kV电源。考虑电源情况，10kV配电母线采用单母线分段接线、2段母线分段运行，设分段开关。正常运行时两回路并列运行，各带泵站2台机组，10kV母线联络分断。当其中一回路检修或故障退出运行时，同时分断其进线开关后，将10kV母线联络关合，由单回路承担泵站4台机组、站用及管理区负荷。

2）站用0.4kV接线

根据本工程所选的机组型式、容量和台数，初步估算厂用统计负荷约为500kVA，从机组10kV扩大单元汇流I段母线取得一路电源向站用负荷供电。工程结束后，拟保留施工电源，作为本站的备用电源。厂用配电系统为单母线接线，两台变压器之间设断路器联锁及备自投装置。根据厂用电负荷估算情况，设置厂用变压器和备用电源变压器容量均为500kVA，接线组别采用D/yn11，阻抗电压百分数为4.5%。厂用母线电压采用400/220V，三相五线制供电系统，中性点直接接地。

1.4 主要電气设备

1）短路电流计算

由于暂缺当地10kV电网系统参数，因此假设：基准容量和电压为：Sj=100MVA Uj=10.5kV，最大运行方式：

a）取系统短路容量为300MVA。

b）线路阻抗XL*=0.015。

2）水泵配套电动机

a）电动机参数

由于本站水泵转速为166.7r/min，配套电动机额定功率为1800kW，转速低，功率大，本工程水泵电机可采用同步电机和异步电机两种形式，由于同步电动机可以通过调节励磁来调节电动机的功率因数，适应电网电压波动能力较强，能进行无级调节，在负载和电网电压变化时，做到恒功率因素运行，补偿的质量高，异步电动机整体效率高，但需配大容量的无功补偿设备及启动装置。二者的投资差别不大。本次设计水泵配套电机选用立式同步电动机。电动机额定电压采用10kV。

b）起动方式

工程设置有4台立式轴流泵机组，最大运行方式为4台均投入运行。若电机采用直接起动方式，会对电网和机电设备造成冲击，会影响母线上其他电气设备的正常运行，亦影响机电设备的寿命，因此泵站的电机拟采取降压起动方式。

经上述分析比较，软启动器要优于自耦变压器降压起动和星-三角降压起动，软启动器给电动机电压是逐渐升到额定电压，启动过程更为平滑，效果更好，对电网冲击和对绕组的伤害也是最小的，所以本工程泵站的水泵电机拟选用软启动器起动。

1.5 绝缘配合和过电压保护

1）绝缘配合和过电压保护

为防止雷电波沿输电线路侵入站内，造成电气设备损害，本工程两回10kV进线处分别设置避雷器进行保护。

避雷器选择：10kV 氧化锌避雷器按国内制造厂生产的设备选型。

2）10kV 及以下电气设备的绝缘配合

本工程10kV开关柜每个真空开关回路装设操作过电压保护装置，在每台主电动机中性点各装设1只电动机中性点避雷器。避雷器均采用氧化锌避雷器。所有氧化锌避雷器保护水平均与设备的绝缘水平相配合，并保证有一定的绝缘配合系数。

3接地系统设计原则如下：

a）充分利用水下钢筋网和自然接地体进行接地，降低全厂接地网接地电阻值。

b）对经常有运行人员活动场所的电气设备和接地导体进行等电位连接，设置均压网，保证接触电势、跨步电势满足安全运行的要求。

c）在有大入地电流的接地点附近，如接闪线或明敷接闪带引下接地处及避雷器接地处，加设集中接地设施。

d）在设计中注意如低压供电线路、通信线路、金属管道和金属轨道等可能导致的高电位转移的地方，采取相应的电气隔离措施。

全厂接地系统主要由电排站厂房接地网、水工建筑物接地网等组成。其中：

a）泵站厂房接地网主要由人工接地扁钢网、以及诸如电机本体、钢管及闸门、拦污栅的金属埋设件等自然接地体组成。

b）水工建筑物接地网由水下接地网、本体接地网组成，地网由人工接地扁钢和水工建筑物钢筋网构成。

c）中控室设防静电地板。

全站接地网拟按工频接地电阻≤2000/I Ω设计，计算机设备采用铜接地线，以“一点接地”方式与接地系统相连接。低压配电系统采用TN-C-S制接地型式。

2 电气二次

2.1 计算机监控系统

计算机监控系统的结构、配置和功能：

1）监控系统的结构

监控系统采用开放式分层分布式快速以太网结构，分为远控级、站控级和现地控制级。控制优先权顺序为现地、站控、远方。

A.设置在中控室的计算机监控系统站控级设备集中监视和控制泵站内主要运行设备：水泵电动机组及其附属设备、闸门、辅机及清污机等设备。

B.通过设置在各设备现场的现地控制柜（箱）和保护测控单元可进行就地监视和控制。

C.根据需要，在远控级被授权状态，监控系统能接受上级管理部门的调度指令，实现远程监控。

现地控制单元LCU与站控级的通信采用冗余光纤环网，传输速率100Mbps，介质采用多模光纤，网络协议采用国际工业标准TCP/IP协议。现地控制单元采用现场总线与微机保护测控装置、微机励磁装置及辅机系统PLC实现通信。

2）监控系统的配置

主要设备配置如下：

A.1台监控主机，监控主机选用原装欧美进口工控机Nematron或同品质工控机。

B.GPS同步时钟接收全球卫星定位系统（GPS）的标准授时信号，对计算机监控系统站控级、现地控制级、继电保护、视频主机、安全监测主机等具有时钟的设备进行同步时钟校正，保证各部件时钟同步率达到精度要求。

C.配置两组冗余互为热备的逆变电源，输入来自泵站直流系统的蓄电池。两组容量相同的逆变电源均可单独供给监控系统全部负荷，正常运行时，两组并联供电。当一组故障时，另一组承担起监控系统全部负荷供电。每组容量为5kVA。UPS电源组屏安装。

D.配置可网管光纤工业以太网交换机1台和工业以太网环网交换机4台，每台至少具有6个RJ45口，10/100M自适应。工业交换机选用原装进口设备，技术性能不低于美国N-TRON公司产品。

E.监控系统与外部网络之间设置硬件防火墙，对外部指令进行有效的鉴别和过滤，确保系统安全。

现地控制级共设置6套现地控制单元LCU，安装在现场，包括：

A.4台机组每台机组设置1套现地控制单元LCU，安装在现地，用于控制机组及其附属设备。同步电动机微机励磁装置和保护测控装置通过通信接口与泵组LCU实现信息交换。泵站工作闸门控制箱直接接入泵组LCU进行监控。

B.泵站公用设备设置1套现地控制单元LCU，其监控对象包括叶片调节机构的油压装置、技术供水泵、渗漏排水泵、检修排水泵、消防供水泵、清污机、抽真空系统、站变、管理区变、直流系统及400V配电系统等。由于辅机系统设备繁多，各系统又相对独立，因此每套辅机设备（除检修排水泵和清污机外）配置1套PLC控制柜。辅机PLC控制柜就近安装在设备现地，这样既有利于现地设备就地控制，又节省电缆。各辅机PLC经现场总线与辅机LCU通信。它将同时与直流系统、相关各智能仪表进行通信，实现信息交换。

3）监控系统的功能

监控系统站控级功能包括：与上级部门联网、数据采集与处理、实时控制和调节、泵站优化经济运行、数据通信、时钟同步、历史数据库与运行管理功能、系统自诊断与自恢复、人机联系、培训仿真、系统维护及软件开发等。

现地控制单元是站内控制机组运行的最高一级自动控制单元，即使在站控级出现故障时，它也能保证机组正常运行和程序控制的各种运行操作。现地控制单元设手动/自动切换开关，在现地控制单元故障时，可进行手动操作。现地控制单元采用进口可编程序控制器为控制核心，主要功能包括：与上位机通信，接收开/停机等命令;巡测机组电流、电压、有功、无功、功率因数、温度及各设备位置状态;向上位机发送实时运行信息;数据采集、处理和系统自诊断;人工键入指令，实施自动开停机等操作;显示机组运行状态各类参数;运行状态识别，故障多重保护等。

2.2 继电保护配置、测量和计量

1）继电保护配置

10kV进线、站变、10kV电动机等的继电保护参照《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T14285-2006和《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB/T50062-2008进行配置，选用微机型保护装置。保护测控装置要求采用RS485接口 Modbus协议与电排站计算机监控系统现地控制单元通信。保护测控为一体化装置，选用国际知名品牌产品。每台泵组保护测控装置将信息送至各自泵组现地控制单元，其他保护测控装置均将信息送至公用现地控制单元。装置必须基于微机技术实现保护、控制监视功能。装置上应有当地显示操作面板，支持就地监视及操作功能。10kV进线、10kV电气设备保护装置均安装在高压开关柜上。

2.3 测量

具体如下：

1）10kV线路：电流，电压，功率，有功无功电度，频率。

2）10kV变压器（水闸）低压侧：电流，电压，有功无功功率，有功无功电度。

3）10kV母线：电压、频率。

4）10kV电动机：电流、电压，有功无功功率，有功无功电度，励磁回路直流电流、直流电压。

2.4 计量

按照电能计量装置技术管理规程的要求，在电排站10kV进线按照I类计量点安装电能量计量表计和设备，配置0.2S级多功能电子式电能表，电压互感器和电流互感器按0.2和0.2S级配置，满足泵站运行计费要求，详细要求须待电力部门正式文件确定。电能量信息将向供电公司调度端远方电能量计量系统主站传输。

2.5 视频监视系统

系统主要由三部分组成：第一部分在主要监视场所的各个重要部位，安装监控前端设备-摄像机、云台;第二部分为传输网络，主要完成将前端设备的音视频信号和监控信号传输到监控中心，并预留远程传输接口，传输介质采用同轴电缆或光纤;第三部分为监控中心，主要包括多媒体数字监控系统主机、液晶大屏幕显示系统等。

电排站的工业电视系统，能实现与站内消防监控系统的联动功能（以开关接口为主，通信接口为辅）。当接收到来自消防监控系统的某一火灾报警信号时，应能在工业电视系统中自动推出报警地点的图像，供火灾确认，以便迅速采取相应的处理对策，将火灾损失控制在最小的范围。

2.6 火灾自动报警系统

根据火灾报警系统设计规范，本站为二级保护对象。控制室设置一台火灾自动报警控制器，并根据不同区域分别布置感烟、感温或缆式感温探测器、手动报警按钮等，自动报警控制器接受各探测器的报警信息，发出声光报警，通知运行值班人员及时处理。

2.7 直流系统

采用微机型直流绝缘监测装置，对母线电压、母线对地绝缘电阻及各馈线绝缘状况进行实时检测。系统配置微机型蓄电池检测装置，应能定时进行自检，能够测量每只蓄电池的电压，并具有报警远传的功能。系统配置220V、200Ah进口阀控式密封铅酸蓄电池一组，单母线分段，分动力母线和控制母线，供站内微机保护、自动化系统、通信等使用。直流馈线30回，其中4回63A，10回32A，16回16A，各馈线配置相应规格的进口直流空气断路器。直流系统可通过通信接口与泵站计算机监控系统进行信息交换。

3 结论

电气工程及其自动化设计应用经验已经相当成熟，在排涝工程中应用也是分广泛，电气系统设计和选型需要紧密结合实际及相关厂家技术资料。本文阐述了某大型电排站电气工程及其自動化的设计思路，供同类型排涝站工程设计参考，文中部分设计方案仍有优化空间，敬请批评指正。

参考文献：

[1] 徐建安.中小型水电站电气设计手册.中国水利水电出版社，北京：2002（2007重印）.

[2] GB/T50265-2010泵站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[3] 熊为群.继电保护自动装置及二次回路.北京：中国电力出版社，1999.

[4] 唐祥盛.泵站设计与施工[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

（作者单位：广东珠荣工程设计有限公司）