调蓄池工程电气设计分析与探讨

2023-12-24何佳良

现代建筑电气 2023年11期

何佳良

(上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200120)

0 引言

随着城市化建设和社会经济的快速发展,各大城市面临的暴雨内涝、径流污染等问题日趋严重。在城市排水系统末端设置雨水调蓄池,不仅可以削减向下游排放的雨水峰值流量,提高城市排水防涝能力,还可以控制面源污染,控制初期雨水和合流污水对河道的污染。因此,合理、安全、可靠的电气设计是保障调蓄池工程发挥重要作用的关键因素。

1 设计依据与内容

1.1 依据的主要规范

调蓄池工程的电气设计除了要遵循现行国家相关电力设计标准外,还要执行GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》[1]、CECS 416:2015《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》[2]、CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》[3]及GB 55027—2022《城乡排水工程项目规范》[4]等行业规范。

1.2 设计分界及内容

工程通常以电源外线进户电缆终端头为设计分界面,分界面以下用户侧部分属工程设计范围,分界面以上电源侧(包括电缆终端头)部分属当地电业部门设计范围。

调蓄池工程的电气设计主要包括:变电所及变配电装置设计、各用电设备供配电设计、电缆线路敷设设计、各新增建(构)筑物照明及场地照明设计、各新增建(构)筑物防雷及接地系统设计等。

2 供配电系统

2.1 负荷计算

调蓄池工程有数量较多的小功率用电设备,包括排空泵、排砂泵、格栅除污机、螺旋输送压榨机、门式冲洗系统、砂水分离器、闸门、除臭及通风设备等。与雨水泵站合建的调蓄池会有较大功率的潜水轴流泵。对于常见的中小型项目而言,上述机械设备电压等级均为交流220/380 V,可采用需要系数法进行负荷计算;与泵站合建时,有大型水泵的雨水泵站调蓄池,应在采用需要系数法计算的基础上,通过轴功率法进行复核。

采用需要系数法或轴功率法进行负荷计算时,设备组需要系数、有功功率同时系数、无功功率同时系数及计算方法等,均应符合CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》[3]中负荷计算章节的规定。

2.2 负荷等级及供电电源

CECS 416:2015《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》[2]第3.7.1条规定:调蓄池的负荷等级宜为三级负荷。与泵站合建的调蓄池应结合泵站确定负荷等级,特殊用途的调蓄池应根据其性质和重要性综合确定。

CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》[3]第4.1.1条规定:排水设施的供电负荷等级应为二级,特别重要排水设施的供电负荷等级应为一级。

根据上述要求,单独建设的常规普通调蓄池,负荷等级可定为三级,对于三级负荷,应向供电局申请1路10 kV电源;若用电设备容量较小,有条件接入0.4 kV电源时,可按照当地供电部门要求申请1路0.4 kV电源。特殊用途或者重要性极高的调蓄池,或与常规泵站合建的调蓄池,负荷等级可定为二级,二级负荷宜向供电局申请两路10 kV电源;当地区供电条件困难时,二级负荷可由一回10 kV专用架空线路供电。与特别重要排水设施合建的调蓄池则负荷等级定为一级,应由双重电源供电。

2.3 供配电系统方案

当项目负荷等级为三级时,若外线采用单回0.4 kV电源进线,0.4 kV配电系统可采用单母线接线方式;若外线采用单回10 kV电源进线,10 kV高压系统采用线路-变压器组接线方式,0.4 kV侧配电系统采用单母线接线方式。

当项目负荷等级为二级时,若外线采用双回10 kV进线,10 kV高压系统采用单母线分段(含分段断路器)的接线方式,进线断路器与分段断路器配置可靠的电气联锁和三锁二钥匙机械联锁;若外线采用单回10 kV专用架空线路供电,10 kV高压系统采用单母线接线方式。变电所应设置两台变压器,运行方式为两常用。0.4 kV配电系统采用单母线分段(含分段断路器)的接线方式,进线断路器与分段断路器配置可靠的电气联锁和三锁二钥匙机械联锁。正常运行方式下,分段断路器分闸。当1台变压器因故停运,可采用手动切换方式将两段0.4 kV母排切换为并列运行,以保证重要负荷供电。

380 V系统采用树干式与放射式相结合的方式向各用电设备供电。

2.4 无功功率补偿及滤波

在变配电间低压侧设置无功功率自动补偿装置集中补偿,最终使10 kV侧电源计量无功功率因数达到0.95以上。同时,若变压器所带负荷范围内有较大容量的变频设备使用,需同时进行谐波及三相不平衡电流的治理,满足电业部门的考核要求。

2.5 继电保护

采用10 kV进线的调蓄池,10 kV开关柜继电保护应采用先进的微机综合保护装置,具有保护、测量、通信等功能。10 kV进线设置带时限的速断保护、过流保护;10 kV母线分段断路器装设电流速断保护和过电流保护,其中电流速断保护仅在分段断路器合闸瞬间投入,合闸后自动解除;10/0.4 kV配电变压器设置带时限的过电流保护、电流速断保护、低压侧单相接地保护、过负荷保护以及温度保护。

0.4 kV开关柜的进线断路器设置过负荷长延时、短延时过流保护。

低压用电设备及馈线电缆设置短路保护、过负荷保护及接地故障保护。

2.6 电动机起动与控制

根据GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》[5]要求:配电母线上接有照明或其他对电压波动较敏感的负荷,电动机频繁起动时,不宜低于额定电压的90%。

工程设计中除部分设备需根据工艺要求采用变频调速外,其余电动机应根据压降计算结果,符合规定的可采用直接起动方式,否则采用软起动,最终使低压配电母线起动压降控制在10%以内。

大功率水泵的起动控制装置集中安装在变配电间低压开关柜内,现场设机旁接线按钮箱。排空泵、排砂泵、格栅除污机、螺旋输送压榨机、砂水分离器等小动力设备配套供应就地电控箱,电动闸阀配套供应一体化电动执行机构。

参与工艺过程控制的电动机均采用现场手动(按钮)、PLC控制(人机界面软手动或自动)、控制室遥控的控制方式,优先顺序为现场手动(按钮)→PLC控制→控制室遥控。电动机的状态、故障信号送至PLC。

2.7 计量方式

外线电源若采用低压进线,则计量方式应采用低供低计;外线电源若采用高压进线,则采用高供高计,动力照明合计,实际以当地电业部门批复为准。

2.8 电缆敷设

常规室外电缆集中的地方采用沿电缆沟敷设,电缆分散的地方采用直埋敷设,过路穿钢管保护。建(构)筑物内电缆根据实际情况采用穿预埋管、沿电缆沟、沿电缆桥架、穿管明敷等方式。

爆炸危险环境中的电缆应敷设在爆炸危险性较小的环境或远离释放源。当可燃物质比空气的密度大时,电缆应埋地敷设或在较高处架空敷设,且对非铠装电缆采取穿管、托盘或槽盒等机械性保护;当可燃物质比空气的密度小时,电缆应在较低处穿管敷设或沟内埋砂敷设;电缆及其管、沟穿过不同区域之间的墙、板孔洞处,应采用不燃性材料严密封堵。

3 照明系统

3.1 照明标准

主要建筑物照度标准值采用CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》[3]中的照度要求,功率密度(LPD)采用GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[6]中的目标值。主要建筑物照度标准值及功率密度值如表1所示。

表1 主要建筑物照度标准值及功率密度值

3.2 照明装置

在照明设计中体现“绿色照明”的理念。针对不同的环境及其对照度和显色性的要求,控制室、值班室等人员长时间工作的场所选用高效节能的LED节能灯具;高大厂房等场所采用LED工厂灯;厂区路灯照明采用LED路灯或庭院灯。单灯功率因数要求0.9以上,以节约能耗。

3.3 应急照明

配电间、值班室等根据规范要求设置应急照明。在突然断电时仍需要坚持工作的配电间、控制室、值班室等场所设置应急照明。应急照明照度不低于正常照明照度,持续供电时间不小于180 min,备用电源采用集中应急电源EPS。

4 防雷与接地保护

4.1 防雷及过电压保护

调蓄池内采取防爆措施的场所,按第二类防雷建筑物设计防雷措施,其余建筑物的防雷等级根据其预计雷击次数确定:建筑物预计雷击次数大于0.25次/年的按第二类防雷建筑物设计防雷措施;预计雷击次数大于或等于0.05次/年且小于等于0.25次/年的按第三类防雷建筑物设计防雷措施;小于0.05次/年不考虑防雷措施。

变电所电源进线侧装设避雷器作雷电侵入波过电压保护。变电所低压进线处及构筑物主配电箱进线处装设Ⅰ级试验的电涌保护器,其他对电涌电压敏感的设备处按规范设置Ⅱ级或Ⅲ级电涌保护器。

4.2 电气装置的电击防护

采用直接接触防护措施和间接接触防护措施进行电击防护。配电线路一般采用过电流保护电器兼作间接接触防护电器,当灵敏度校验不符时配置剩余电流动作保护电器。供给手持式电气设备和移动式电气设备用电的末端线路或插座回路,均配置剩余电流动作保护电器,切断时间不大于0.4 s。

建筑物内将下列导电体作总等电位联结:总保护导体;电气装置总接地导体或总接地端子排、建筑物内的水管、燃气管、采暖和空调管道等各种金属干管;可借用的建筑物金属结构部分。

4.3 接地保护

采用0.4 kV低压进线的项目接地型式可采用TT制,爆炸危险环境中的TT型电源系统应采用剩余电流动作保护电器;采用10 kV高压进线的项目低压配电系统的接地型式建议采用TN-S制。构筑物采用结构钢筋作为自然接地装置,电气系统工作接地、保护接地以及防雷接地合用接地装置并实施总等电位联结。根据CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》[3]第4.11节的要求,自动控制系统的工作接地与低压系统的保护接地宜采用联合接地,接地电阻不应大于1 Ω。

5 爆炸危险环境

GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》[1]第4.4.22条规定:调蓄池可能出现可燃气体的区域,应采取防爆措施。该条条文说明为:本条为强制性条文,必须严格执行。鉴于国内已建成调蓄池有发生爆炸事故的案例,部分设计院在进行调蓄池电气设计时,凡是可能出现可燃气体的区域,均严格按照以释放源为中心,15 m为半径划定防爆区。

在2022年10月施行的GB 55027—2022《城乡排水工程项目规范》[4]中,废止了上述强制性条文。相关内容表述为“城镇排水工程中,存在有毒有害气体或易燃气体的格栅间、雨水调蓄池等构(建)筑物,应设置相应的气体监测和报警装置。”

GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[7]指出:发生爆炸需同时满足可燃气体浓度在爆炸极限以内并存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温。考虑到城市中心用地紧张、征地困难,且部分调蓄池产生的可燃气体较少或可通过除臭设备及时收集并处理,建议在产生硫化氢、甲烷、氨气并会集聚形成爆炸危险环境的区域进行电气防爆设计,不会或极难形成爆炸危险环境的场所可设置相应的气体监测和报警装置。

6 设备选型与节能

6.1 主要设备选型

设备选型应遵循技术先进、安全可靠、经济合理的原则,主要设备选型为:10 kV开关柜采用金属铠装中置式开关柜;10/0.4 kV配电变压器采用非晶合金干式变压器;变电所内低压开关柜采用固定分隔式开关柜;电缆桥架采用节能防腐型;在户内以及构筑物中敷设的电缆采用阻燃铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆,在户外直接埋地敷设的电缆需增加钢带铠装;腐蚀环境中的电气设备应选用防腐型,电气箱体外壳采用玻璃纤维加强聚碳酸脂防腐外壳;爆炸危险环境中的电气设备应采用隔爆型。

6.2 电气节能

调蓄池工程可采用的主要电气节能措施为:变电所选址深入负荷中心,节约电力电缆的用量,减少配电线路的损耗;选用非晶合金干式变压器,减少变压器损耗;采用在变电所380 V侧设无功功率自动补偿装置集中补偿,补偿后计量功率因数达0.95以上,功率因数提高可以减少线路损耗,达到节能目的;对于水泵、风机等大功率设备,结合工艺对控制的需求,按需采用变频驱动调速技术,使得设备运行在最佳高效的工况点,达到节能效果;照明设计时,各建筑物的照明功率密度值严格执行GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[6]中的规定,减少能耗;照明灯具的选用充分贯彻办公场所采用高效节能的LED节能灯具,室外构筑物照明采用庭院灯,光源采用LED。所有灯具单灯功率因数要求达0.9以上,以减少照明线路损耗;照明回路三相配电干线的各相负荷分配平衡,减少中性线损耗等。