城市道路小型排涝泵站电气系统设计要点分析

2021-12-08施海鸥

广东土木与建筑 2021年12期

施海鸥

（广东省建筑设计研究院有限公司广州 510010）

0 引言

近年来，全球气候变化和城市市政更新相对滞后，因暴雨致城市内涝灾害的事故频繁发生，导致城市交通瘫痪，居民财产损失严重甚至危及生命。数年来各大城市中心城区，每次由于突发暴雨引致城市内涝灾害造成的经济损失均超亿元。为避免人口密集的各大城市遭受严重内涝，内涝治理、提高城市道路、下穿隧道的排水能力迫在眉睫，对于城区雨水排涝泵站提高设计标准、完善排水体系、以增强隧道排水对暴雨天的抗洪能力，提高片区排涝能力、防灾减灾等能力非常必要，同时也符合构建新发展格局、打造宜居城市的要求，“十四五”时期我国将进入新发展阶段，社会主要矛盾已经转化为满足人民日益增长的对美好生活向往的需求和不平衡不充分的发展之间的矛盾。城市管理需要改善人民生活品质，增进民生福祉，不断实现人民对美好生活的向往。笔者结合近期设计项目及实际工程经验就城市道路小型排涝泵站的电气系统设计谈谈个人看法，供同行们设计参考［1-2］。

1 负荷等级及供电电源

1.1 负荷等级

城市道路、下穿隧道的雨水排涝泵站多为小型排水泵站等级，其排水设施的供电负荷等级应为二级负荷。特别重要的排水设施的供电负荷等级可为一级负荷［3-4］。

1.2 市政电源

城市道路、下穿隧道雨水排涝泵站电源就近取自市政公共用电，二级负荷的外部电源进线宜由20 kV或10 kV 双回线路供电；当负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回20 kV 或10 kV 专用的架空线路供电；但是处在城市主干道、隧道的雨水泵房市政电源多为电缆排管、管沟、管廊敷设引入，难以满足架空线路供电。当线路自上一级变电所采用电缆引出时必须采用2 根电缆组成的电缆线路，其每根电缆应能承受二级负荷的100%，且互为热备用。因此宜由两回线路（由一个城网变电所引来的2 个配出回路）供电，配电变压器也宜选2 台（2 台变压器可不在同一变电所）；也可采用由2台变压器各引一路低压回路在负荷端配电箱处切换供电［5］。

1.3 自备后备柴油发电机组

鉴于市政公共用电均按照二、三级负荷供电，且二级负荷供电的区域范围广泛，一旦停电涉及的停电区域面积较大［4］，难以满足二级负荷供电的最低要求，工程设计中可以根据其自身的特点确定其供电方案，为满足供电可靠性而提高雨水泵站供电标准非常必要。根据笔者参与的项目经验及后期回访，总结在使用中的多个泵站项目后期整治经验，为有效应对暴雨天气期间临时停电等突发事件，认为采用移动式或固定式柴油发电机组作为自备后备电源，对于提高城市道路雨水排涝泵站的供电可靠性切实可行。对于资金充足的项目可采用固定箱式柴油发电机组；出于资金及后期维护考虑，也可以采用移动式柴油发电机组，在市电停电时接入泵组配电。自备后备电源与市电电源之间，应采取防止并列运行的措施。自备后备电源与市电电源之间应装设可靠的电气及机械闭锁装置，防止倒送电［6］。自备后备电源配电接接入泵站配电箱内如图1所示，接入预装式箱式变电站内如图2所示。

图1 后备电源接入泵站配电箱内Fig.1 The Backup Power Supply is Connected to the Distribution Box of the Pump Station

图2 后备电源接入预装式箱式变电站内Fig.2 The Backup Power Supply is Connected to the Prefabricated Box Type Substation

1.4 变电所所址及泵站配电柜位置选择

根据城市地形、地貌和城市道路规划要求，在泵站位置就近设置变电所电源点。对多个可选的变电所电源点，应进行技术经济比较后确定。线路路径应短捷顺直，减少与道路的交叉，避免近电远供、迂回供电。变电所不得设在地势低洼和可能积水的场所。

市政公共用电的变电所选型优先选用南方电网典型成套标准预装式箱式变电站，优先选择紧凑型、全密封、全绝缘、防水型免维护结构、有安全可靠的防护性能。外壳应满足正常户外使用条件，优先选择不锈钢或防腐外壳材料。箱体外壳防护等级不低于IP68要求。选址设置在绿化带、大型安全岛等不影响车行视线、城市景观、且有遮挡处。

雨水排涝泵站地处本区域的最低洼处。为避免泵站被淹、其控制柜短路水泵无法正常运作，提高泵站供电可靠性，泵站的配电柜、控制柜不应设置在雨水排涝泵站内，应就近在地面层、路面绿化带或地面地势较高处设置，采用小型成套箱式泵房用低压配电房，地面层箱式泵站控制用房可满足雨天值守条件、防汛值守人员安全需要。由此地面层箱式泵站控制馈线柜直接出线至泵站的泵组电机接线端子排，泵站内不再另设影响水泵启动的控制柜［7］。

2 配电系统

2.1 泵组配电

雨水泵站预装箱式变电所内变压器的容量应根据泵站的总计算负荷以及机组启动、运行方式确定，变压器负载率为72%～85%，推荐采用能效等级Ⅱ级、单台容量不宜大于630kVA的干式变压器。

雨水泵站内排水工艺专业有调速要求的水泵组设备均采用变频控制。无变频要求且单台水泵功率超过15 kW 的建议采用软启动方式。其余小功率设备，排水工艺专业无特殊运行要求时，均采用全压直接启动方式，电动机起动压降控制在系统额定电压的10%以内［8］。

2.2 自备后备柴油发电机组选型

可按照稳定负荷计算柴油发电机组容量；也可按最大的单台电动机或成组电动机启动的需要计算柴油发电机组容量；对于移动式柴油发电机组还可以按启动电动机时母排容许电压降计算柴油发电机组容量，可参考下式［9］执行：

式中：Sc3为按启动电机时母线容许电压降计算发电机容量（kVA）；Pn为电动机总负荷（kW）；Xd"为电动机的暂态电抗，一般取0.25；△E为应急负荷中心母线允许的瞬时电压降，一般△E取0.25～3.00；K为电动机的启动倍数；C为按电动机启动方式确定的系数，全压启动：C=1.00；Y-△启动：C=0.67；自耦变压器启动：50%抽头C=0.25；65%抽头C=0.42；80%抽头C=0.64。公式适用于柴油发电机与应急负荷中心距离很近的情况，选用的机组应装设快速自启动装置。

对于全压启动的电动机机组与柴油发电机组的容量配合，如表1所示。

表1 按电源容量估算的允许全压启动的电动机最大功率Tab.1 Maximum Power of Motor Allowed to Start at Full Voltage Estimated According to Power Supply Capacity

3 线路敷设

3.1 线路路由

应根据城市道路网规划，与道路走向相结合，强电线路应设在道路东南侧，并保证地下电缆线路与城市其它市政公用工程管线间的安全距离；在满足安全的条件下，选择电缆较短的路径；应避开电缆易遭受机械性外力、过热、化学腐蚀和白蚁等危害的场所；应避开地下岩洞、水涌和规划挖掘施工的地方；应便于敷设、安装和维护。

3.2 电缆选择

供电电缆选用铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆和电线；对处于地下水位较高环境、可能浸泡在水内的电缆，应采用防水外护套或防水型电缆；电缆线路土建设施如不能有效保护电缆时，应选用铠装电缆或穿金属管或HDPE管保护。

4 接地与防雷系统

低压配电系统的接地型式采用TN-S制。

采用联合接地方式，电气/信息设备的功能性接地、保护性接地以及建筑物防雷接地共用一组接地系统，接地电阻≤1Ω。采用人工接地装置，人工接地装置以水平接地体为主，垂直接地极为辅的方式构成，水平接地体选用φ16 热镀锌圆钢，垂直接地极选用L50×50×5（长度为2.5 m）热镀锌角钢，沿预装箱式变电站设置一圈。

预装箱式变的户内电气设备的外壳（支架、电缆外皮、钢框架、钢门窗等较大金属构件和突出屋面的金属物）均要可靠接地，金属屋面和钢筋混凝土屋面的钢筋应与变电站的接地网可靠连接，其接地系统应符合《交流电气装置的接地设计规范：GB/T 50065—2011》的要求。

在预装箱式变的高压室电源进线柜配置金属氧化锌避雷器作为防雷电侵入波保护。低压母线上设电涌保护器，有效防止雷电对电气系统的损害。在PLC 等控制设备电源进线处装设电源型浪涌保护器，监测设备信号线装设信号型浪涌保护器。

5 智能化系统

5.1 通信系统

雨水排涝泵站自控系统按照无人值守、定期巡查的方式设置，应按雨水泵站工艺要求运行监视及控制信号均接入地面层箱式泵站控制柜中，柜内配套PLC 自动控制系统，可显示水泵启停状态、故障状态、根据超声波/雷达液位计或雨量计监测泵池液位、监测水泵参数（水压、流量等）实现水泵的自动启、停功能、具有信息采集、处理、运算功能。柜内设置GPRS 无线通信系统，可以与市政水务管理部门联网，实现远控功能；具有手动、自动两种控制方式。手动由控制柜上的控制按钮实现，自动控制由自动控制系统实现。手/自动控制转换由控制柜上的转换开关实现。

也可租用通信运营商光纤的方式连接，通过通信运营商的光纤系统，将信号传输至市政水务管理部门。

在雨水排涝泵站内、外或隧道内设置高清红外网络视频监控摄像头，视频信号通过光纤网络实时传输图像至地面层箱式泵站控制柜中，方便管理运维部门远程操作时能观察泵房的相关情况，也可通过通信运营商的光纤系统，将视频信号传输至市政水务管理部门，作为安防及设备运行情况监控［10］。

5.2 防汛预报告警系统

采用GPRS技术、物联网传感器、互联网+等技术，实现对城区“雨情”的实时发布、“涝情”及时预警。

在雨水排涝泵站外隧道涉水区设置电子水尺、液位传感器，在泵站内设置的液位计及液位开关等液位检测仪表，当液位计发出超高报警水位信号，或隧道内面临水淹危险时，地面层箱式泵站控制柜应通过设置有线、无线网络终端设备向水务管理部门、交通管理部门发出报警信号，以便相关部门采取相应的应急抢险预案［11］，其信息化示意如图3所示。