自来水厂35 kV 变电站电气设计

2023-05-16李建涛

科技与创新 2023年9期

郭栋，李建涛

（1.天津市华淼给排水研究设计院有限公司，天津 300190；2.中海营设计集团有限公司，天津 300381）

随着用水量的急剧增加，自来水厂的供水规模和工艺处理深度也在提高，因此自来水厂的电气设计非常关键。就自来水厂生产运行而言，变配电系统影响着自来水厂的稳定运行和收益，所以安全、可靠、节能地进行变配电设计，是保证自来水厂安全稳定运行的必备的条件。

1 自来水厂的电气特点和电气设计原则

1.1 电气特点

目前的自来水厂为了增加供水能力、提高供水质量、降低运行成本及增加收益，改变了以往分散控制的方式，朝着高度集中的自动化发展。自来水厂实现自动化，既可以节省人工成本，又可以提高生产的可靠性和安全性，最终实现自来水厂的优质高效供水。自来水厂要满足生产工艺和生产设备的自动化要求，保障变配电系统能够为自来水厂可靠供电，并获得良好的经济效益和社会效益。

1.2 电气设计原则

自来水厂电气设计中应该遵循如下原则[1]：①要保证变电系统设计的可靠性，在满足变配电的现行设计标准及设计规范同时，还要进一步满足自来水厂的可靠运行要求，采用双回路供电；②在保证安全可靠的前提下，要考虑节能，根据电压等级、负荷大小、设备容量、设备型号等进行综合考虑，优化设计，以达到节约成本的目的；③根据工艺和电气设备的控制要求，选择合理的启停方式，减少电气设备本身和对电网的影响，并减少启动能量的损耗。

2 变配电系统分析

本工程拟在自来水厂内新建一座专用变电站（以下简称“本站”），经与当地电力公司客服沟通设计要求，变电站电压等级确定为35 kV/6 kV/0.4 kV。自来水厂外线进厂电压等级为35 kV，送水泵房6 台送水泵额定电压为6 kV，其余用电设备均为0.4 kV/0.22 kV。

根据自来水厂工艺设备用电负荷分布，在厂内设置一座35 kV 总变配电室，变配电室内设主变压器室、35 kV 开关室、6 kV 开关室、6 kV 配电室、6 kV 电容补偿室、控制室和值班室等。

35 kV 侧采用单母线分段接线方式，从厂外2 个不同的变电站各引一路35 kV 电源供电，2 路电源同时工作，互为备用。变电站内设2 台4 000 kVA/35 kV/6.3 kV有载调压油浸变压器，带动自来水厂全部用电负荷运行。6 kV 侧采用单母线分段接线，出线10 回。

35 kV 变电站6 kV 侧的2 段母线分别向进水泵房变配电室、本站6 kV 配电室各提供2 路6 kV 电源。所有负荷的6 kV2 路电源均是互为备用，其中的任何一路电源均能带100%的负荷运行。

根据全厂用电负荷的分布及工艺流程，自来厂共设置2 个低压变配电系统，如图1 所示。其中一个低压变配电系统设置在35 kV 变电站6 kV 配电室，主要负责送水泵房、污泥系统、炭吸附脉冲澄清车间、加氯加药加氨间、颗粒活性炭吸附池、机修间和传达室等系统用电设备的供配电、控制及保护。6 kV 配电室设2 台SCB13 型1 250 kVA 干式变压器。另一个低压变配电系统设置在进水泵房变配电室，主要负责进水泵房、换热站等系统用电设备的供配电、控制及保护。低压配电室设2 台SCB13 型800 kVA 干式变压器。2 个低压变配电系统的变压器均为一用一备运行，在2段低压母线基本平均分配用电负荷，以达到2 段母线用电负荷运行平衡，通过放射式供配电给工艺用电设备[2]。

图1 全厂主接线图

3 设计实例

3.1 工程概述

自来水厂规模为25 万m3/d，采用“预氧化剂投加+炭吸附脉冲澄清池+中臭氧+上向流颗粒活性炭吸附池+V 型滤站+污泥处理系统”工艺方案。本文主要论述自来水厂变电站电气设计的内容。

3.2 设计内容

设计内容主要包括电气一次、电气二次等，节能设计贯穿于不同的环节。

3.2.1 电气一次

本站一次设计主要包括电气主接线、短路电流计算、系统接地方式、无功补偿、主要设备选择、绝缘配合及过电压保护、接地、污秽等级。

电气主接线：本站最终主变规模为2×4 MVA；预留2 路为Ⅱ期8 MVA 供电电源。35 kV 采用单母线分段接线，母线设35 kV 进线隔离、进线开关、计量、母线PT（电压互感器）、主变出线、线路出线各2 回；2 段母线之间设分段设备1 组。6 kV 侧采用单母线分段接线，每段设受总柜、PT 柜、电容器柜、出线柜，线路出线各5 回，2 段母线之间设分段设备1 组。35 kV主变出线开关柜与主变压器高压侧之间采用架空软导线连接，主变与6 kV 总开关柜之间采用共箱母线连接。

短路电流计算：依照《某市电网规划设计技术原则》的规定，本站35 kV 及6 kV 设备短路水平均按照不小于25 kA、4 s（25 kA 指额定峰值耐受电流峰值，4 s 指额定短路持续时间为4 s）设计，后期再根据上级电源点详细计算。

系统接地方式：本站上级电源点未定，暂时按照35 kV 侧为不接地系统，主变35 kV 中性点本期不接地。本站6 kV 出线均为电缆方式。经计算，最大单相短路电容电流约为3.2 A。故本站6 kV 侧中性点按不接地方式设计。

无功补偿：本站根据计算，在每台主变压器6 kV侧装设1 组（250+300+450）kVаr 的电容器组，相当于主变容量的20%，补偿容量可随用电负荷的增减进行调整。

主要设备选择：本站变压器选用SZ11-4 000 kVA/35 kV（阻抗电压Ud=7%、电压为35±3×2.5%/6.3 kV）YNd11 三相、双绕组、有载调压、油浸式电力式变压器。35 kV/6 kV 开关柜选用KYN 型铠装移开式交流金属封闭开关柜，内设真空断路器，柜内电流互感器、电压互感器为干式，避雷器为金属氧化锌避雷器。6 kV 电容器组选用成套柜式设备，每组容量为（250+300+450）kVаr，单星形接线。

绝缘配合：绝缘配合如表1、表2 所示。

表1 35 kV 电气设备耐受电压

表2 6.3 kV 电气设备耐受电压

过电压保护：本站在35 kV 电源进线及母线、6.3 kV 各段母线及出线各装设一组氧化锌避雷器，防止雷电过电压及操作过电压。在6.3 kV 电容器组处装设专用氧化锌避雷器，防止操作过电压。35 kV 避雷器标称放电电流按5 kA 设计，2 ms 方波通流不小于600 A；6 kV 避雷器标称放电电流按5 kA 设计，2 ms方波通流不小于300 A；绝缘配合系数不小于1.4。

接地：本站采用综合接地系统，强弱电设备工作接地，安全接地及防雷接地共用接地装置，接地电阻不大于0.5 Ω。室外设闭合网状人工接地装置，由垂直接地极和水平接地极组成。垂直接地极采用角钢（宽50 mm×厚5 mm×长2 500 mm），上端打入地下至0.8 m；水平接地体采用镀锌扁钢（宽50 mm×厚5 mm），连接处采用放热熔焊工艺焊接。室内设环状接地干线，沿墙面明敷，接地干线及各设备接地线均采用镀锌扁钢（宽50 mm×厚5 mm）。

污秽等级：本站室外污秽等级应为d 级，统一爬电比距为大于等于43.3 mm/kV；室内污秽等级为с 级，统一爬电比距为大于等于34.7 mm/kV。35 kV 系统电压取40.5/kV，6 kV 系统电压取12/kV。

3.2.2 电气二次

本站二次设计主要包括：计算机监控系统、远动系统、继电保护、自动装置、站用电系统、交流不停电电源系统、计量。

计算机监控系统：本站采用集继电保护、测量、信号、控制、远动功能为一体的综合自动化系统，站内实现遥测、遥信、遥控“三遥”功能。其操作控制方式采用分层控制方式，同一时刻只允许（操作员站和测控装置面板操作）一种控制方式有效。测控装置配置“远方/就地”切换开关选择控制方式。间隔层设备设独立于装置之外的“远方/就地”把手及操作把手，遥控控制回路设压板，就地操作经五防闭锁控制输出。系统网络结构采用开放式分层分布结构，由站控层、间隔层及网络设备构成。间隔层与站控层信息通信采用以太网连接，以太网通信介质根据现场安装条件选择光纤或屏蔽双绞线；网络设备采用间隔层设备直接上站控层网络，测控装置直接与站控层通讯的结构。本站设微机监控后台设备1 套，完成对变电站内所有设备的实时监视和控制；同时监控系统为其他6 kV 变电站的接入预留接口，接入后，可实现对6 kV 变电站的集中监视和控制。

远动系统：本站远动系统以远动主机为中心，采用单套专用独立设备，经以太网与保护测控装置通讯，把采集的数据送至主机数据库，经规约转换后上传至供电局调度端。

继电保护：为了提高管理水平和供电系统的可靠性，本工程的35 kV、6 kV 高压系统的继电保护均采用微机综合保护装置。本站变、配电设备保护安装方式全部采用微机保护，主变保护集中组屏安装于二次设备室内，其余保护装置就地安装于开关柜内。本站设置保护配置为35 kV 进线保护、主变压器保护、35 kV线路保护、35 kV 分段断路器保护、6.3 kV 线路保护、6.3 kV 电容器组出线及电容器组保护、6.3 kV 分段断路器保护。

自动装置：本站设置35 kV 分段开关自投、6.3 kV分段开关自投和低频低压减载装置。

站用电系统：站内设50 kVA 站用变压器台，其电压等级为6±2×2.5%/0.4 kV，分别设在6 kV 侧2 段母线上，作为全站的照明、动力、储能等交流电源。站用低压侧采用2 段单母线接线，正常运行时2 段母线分列运行，2 路所用电源线经双电源转换开关后接至站用电低压母线。站用电容量按满足全站用电负荷选择，并满足一台变带全站负荷，重要的用电负荷采用双回路供电方式[3]。

交流不停电电源系统：本站配置容量为5 kVA 的电力专用UPS（不间断电源）供站内监控系统、微机五防系统等重要设备用电。引入1 路直流电源、2 路交流电源。逆变电源不单独设电池组，与站内直流系统共用蓄电池。交流不停电电源系统单独组屏。

计量：本站在35 kV 侧设计量柜，内设专用计费CT（电源互感器）、PT，计量装置接线方式为三相三线制，在二次设备室设一面计量屏，屏内设计量表计及负控装置，计量用电能表有功精度采用0.2S 级。本站6 kV 出线设考核计量，表计采用精度为0.5 级的多功能电度表（测有功电度），装于开关柜上。

3.3 设计特色

在自来水生产的过程中，电能占各种消耗性能源的80%，所以降低电能消耗即是自来水厂经济工作的重点，也是响应国家节能政策的要求。自来水厂为了能够经济合理的运行，必须从节能降耗做起，主要采取以下节能措施：①主变压器的选择。主变压器是35 kV 变电站中最重要的设备，它的功率损耗占整个电力损耗的20%～50%，因此，合理选择主变压器是节能降损的关键环节和重点工作，设计优先选用高效节能型。②无功补偿。无功功率补偿关键点在于补偿点和补偿容量的合理选择，如果选择不正确，会造成过补偿而适得其反。所以，在变电站设计之前就应该先调查清楚变电站的综合负荷结构情况。通常来说，一般都是采用分散补偿与就地补偿相结合、集中补偿与分散补偿相结合、供电企业补偿与用户补偿相结合的方式。③变电站位于用电负荷中心，可节省电缆敷设长度并降低压降减少线损。④配电设计时保持三相负荷平衡。