新疆SJZ泵站電氣一、二次研究設(shè)計(jì)

赤 磊

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概述

本泵站是新疆某調(diào)水工程中唯一一座揚(yáng)水泵站，主要用于開發(fā)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、開發(fā)東部礦區(qū)豐富煤炭資源以及為煤電等化工生產(chǎn)供水。設(shè)計(jì)年輸水量為3.0×108m3，供水流量為13 m3/s，供水時(shí)段11個(gè)月，供水保證率95%。泵站安裝6大2小共8臺水泵電動(dòng)機(jī)，總裝機(jī)容量為53.4 MW。泵站管理采用“站變合一”方式設(shè)置工程自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)[1]。

2 電氣一次設(shè)計(jì)

2.1 電源引接

泵站每年運(yùn)行11個(gè)月，總裝機(jī)容量為（6×8 000+2×2 700）kW。泵站用電包括泵站用電和分水閘用電，最大運(yùn)行負(fù)荷約33.25 MW，即4臺8 000 kW水泵電機(jī)和泵站同時(shí)工作。根據(jù)泵站工程等級和工程用電負(fù)荷特點(diǎn)，按二類負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程地處戈壁灘，方圓近百公里荒無人煙，經(jīng)電力公司和參建單位反復(fù)研究，決定為本工程架設(shè)兩回110 kV專用電源進(jìn)線，每回進(jìn)線均能滿足本泵站的負(fù)荷要求。此外，設(shè)置專用110 kV變電所，采用“站變合一”的供電方式。

2.2 電氣主接線

110 kV開關(guān)站采用戶內(nèi)SF6全封閉組合電氣，機(jī)組側(cè)采用單母線分段接線方式。泵站設(shè)置兩回廠用電電源，分別自泵組取兩段10 kV母線，并降壓至0.4 kV供電。考慮到泵站的特殊性，需布置1臺戶內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組作為保安電源，柴油發(fā)電機(jī)容量為500 kW。

2.3 主要電氣設(shè)備

2.3.1 電動(dòng)機(jī)

泵站設(shè)6大2小共8臺三相高壓臥式同步電動(dòng)機(jī)，6臺大機(jī)為定速電機(jī)，2臺小機(jī)為調(diào)速電機(jī)，額定電壓均為10 kV，額定頻率均為50 Hz，額定功率因數(shù)均為0.9（超前），防護(hù)等級均為IP54。水泵與電動(dòng)機(jī)采用直聯(lián)傳動(dòng)方式。

2.3.2 變頻裝置

泵站設(shè)置2臺高壓變頻軟啟動(dòng)裝置，額定容量為4 500 kVA，額定輸出電壓為10 kV。采用熱備用方式，每臺均采用一拖八控制方案。變頻裝置設(shè)置單獨(dú)的啟動(dòng)選線柜，采用雙PLC控制與泵站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.3.3 主變壓器

泵站設(shè)置2臺戶外油浸式三相雙繞組有載調(diào)壓降壓電力變壓器，額定容量為40 000 kVA。采用高壓側(cè)調(diào)壓方式，調(diào)壓范圍為（110±8×1.25%/10）kV。冷卻方式采用ONAF，冷卻器集中布置在主變本體兩側(cè)。每臺變壓器配備一套變壓器綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3.4 GIS

泵站設(shè)置1套戶內(nèi)GIS設(shè)備，額定電壓110 kV，額定電流1 250 A。GIS設(shè)備外殼采用鋁合金，主母線與分支母線采用三相共筒式結(jié)構(gòu)，斷路器采用立式布置，操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)構(gòu)。同一回路斷路器和隔離開關(guān)間有電氣閉鎖，隔離開關(guān)和接地刀閘間有電氣閉鎖和機(jī)械閉鎖，母線接地開關(guān)與全部隔離開關(guān)間有電氣閉鎖。為保證檢修運(yùn)行安全，每回線路配備1套高壓帶電顯示閉鎖裝置。泵站配備一套數(shù)字式GIS綜合在線集中監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括SF6氣體微水綜合在線集中監(jiān)測子系統(tǒng)和SF6氣體泄漏量定量報(bào)警子系統(tǒng)。

2.4 過電壓保護(hù)及接地

2.4.1 過電壓保護(hù)

泵站過電壓保護(hù)按直擊雷保護(hù)、雷電侵入波保護(hù)以及操作過電壓保護(hù)3種保護(hù)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。泵站直擊雷保護(hù)戶外設(shè)備一般采用避雷針、110 kV線路的避雷線或在主副廠房屋頂敷設(shè)均壓避雷帶的方式。針對雷電侵入波保護(hù)，變壓器采用分級絕緣；中性點(diǎn)配置氧化鋅避雷器和放電間隙；GIS配電裝置在母線處加裝氧化鋅避雷器；水泵電機(jī)出口母線加裝氧化鋅避雷器；每回110 kV出線位置每相裝1組戶外氧化鋅避雷器；10 kV開關(guān)柜內(nèi)配置真空斷路器。針對操作過電壓保護(hù)，需在柜內(nèi)裝設(shè)專用過電壓保護(hù)器等。

2.4.2 接 地

全站接地網(wǎng)主要分為廠區(qū)接地網(wǎng)和進(jìn)水池接地網(wǎng)，兩者連接為一個(gè)總接地網(wǎng)。接地設(shè)計(jì)盡量利用自然接地體，輔以水平接地體為主的人工均衡電位接地系統(tǒng)[2]?？紤]到熱穩(wěn)定、均壓要求以及腐蝕的影響，選用-60×6接地扁鐵。泵站根據(jù)電氣設(shè)備布置敷設(shè)等電位接地網(wǎng)。

3 電氣二次設(shè)計(jì)

泵站地處戈壁灘，對自動(dòng)化水平要求較高，按照“無人值班”（少人值守）原則進(jìn)行設(shè)備配置和運(yùn)行管理[3]。

3.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

泵站屬于調(diào)水工程的一部分。為保證輸水系統(tǒng)、沿線眾多輸水建筑物以及構(gòu)筑物的安全和調(diào)度及時(shí)可靠，全線系統(tǒng)供水流量平衡，本調(diào)水工程全線設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在功能上采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分為主控級和單元控制級[4]。全線系統(tǒng)由泵站級設(shè)備、公用設(shè)備、現(xiàn)地控制級設(shè)備以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同組成。

3.2 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止可控硅勵(lì)磁裝置，包括兩套三相橋式全控整流裝置和三通道調(diào)節(jié)器。三通道調(diào)節(jié)器中兩路自動(dòng)，一路手動(dòng)。勵(lì)磁系統(tǒng)主回路電源由0.4 kV母線引出，采用環(huán)氧澆注干式整流變壓器；絕緣等級為F級的電動(dòng)機(jī)；聯(lián)結(jié)組別為Yd11的變壓器。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為微機(jī)型數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，由兩路自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道和一路手動(dòng)電流調(diào)節(jié)通道組成。勵(lì)磁系統(tǒng)具備殘壓起勵(lì)功能，主要起勵(lì)方式為他勵(lì)直流，起勵(lì)電流不超過空載電流的10%，他勵(lì)電源由電廠直流系統(tǒng)DC 220 V供給。機(jī)組在正常工況下采取逆變滅磁，滅磁開關(guān)始終處于合閘位置；滅磁開關(guān)的操作電源為DC 220 V。事故停機(jī)時(shí)，滅磁開關(guān)跳開，通過非線性電阻滅磁。

3.3 繼電保護(hù)

泵站的線路保護(hù)、故障錄波以及穩(wěn)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均采用微機(jī)型設(shè)備。光纖縱差保護(hù)作為110 kV線路的主保護(hù)，距離保護(hù)和零序保護(hù)前三段（Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段）作為后備保護(hù)。此外，110 kV母線保護(hù)采用比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)以及母線充電保護(hù)；變壓器保護(hù)采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)過電流保護(hù)以及非電量保護(hù)；電動(dòng)機(jī)保護(hù)采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)以及過負(fù)荷保護(hù)等；廠變保護(hù)采用速斷、過流保護(hù)以及非電量保護(hù)。

3.4 二次接線

泵站二次接線主要包括計(jì)量、測量以及自動(dòng)化元件。泵站計(jì)量采用關(guān)口表，計(jì)量關(guān)口表設(shè)在110 kV進(jìn)線側(cè)，考核關(guān)口表設(shè)在主變高壓側(cè)、電動(dòng)機(jī)側(cè)及廠變進(jìn)線側(cè)；泵站測量采用電子式多功能計(jì)量表，組裝在屏柜內(nèi)部并布置在中控室；全站自動(dòng)化設(shè)備包括水控閥、液位、流量變送器、信號器、測溫電阻、微機(jī)溫度巡檢儀、機(jī)組振動(dòng)擺度安全監(jiān)測裝置、開度傳感器、水力流量裝置以及動(dòng)態(tài)測量裝置等，采用冗余配置。監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)一個(gè)操作指令，自動(dòng)化元件即可完成自動(dòng)轉(zhuǎn)換。機(jī)組的非電氣量運(yùn)行參數(shù)通過4～20 mA的模擬量送至機(jī)組LCU，且機(jī)組各測溫點(diǎn)配備PT100的鉑熱電阻供巡視和監(jiān)測。

3.5 直流一體化電源系統(tǒng)

泵站直流系統(tǒng)額定電壓為220 V，采用單母線接線形式配備一組由104只電池組成、容量為400 Ah的閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池，并配備一套30 kVA逆變電源裝置（INV），供火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)電視以及事故照明等系統(tǒng)使用。逆變電源不自帶蓄電池，采用兩路交流輸入和一路直流輸入。

3.6 工業(yè)電視系統(tǒng)

為提高自動(dòng)化監(jiān)控水平，結(jié)合“無人值班”（少人值守）運(yùn)行要求，泵站設(shè)置先進(jìn)的工業(yè)電視系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用寬帶網(wǎng)多媒體圖像監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場圖像和聲音采集后，實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心顯示。終端實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場圖像進(jìn)行全方位、連續(xù)性的動(dòng)態(tài)“遙視”，同時(shí)還能控制攝像頭云臺的旋轉(zhuǎn)和鏡頭的三可變。

3.7 泵站接入系統(tǒng)通信

本調(diào)水工程全線實(shí)施水調(diào)自動(dòng)化，采用統(tǒng)一綜合管控平臺，由調(diào)度中心對輸配水進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一指揮以及統(tǒng)一管理[5]。

泵站的接入系統(tǒng)通信以光纖通信為主，市話為輔。光纖線路采用SDH傳輸體制，光傳輸設(shè)備的傳輸速率按622 Mb/s設(shè)計(jì)，光纜選用16芯單模OPGW光纜與110 kV線路同桿架設(shè)。泵站的光通設(shè)備按1個(gè)光方向設(shè)計(jì)，采用1+1熱備份保護(hù)，同時(shí)設(shè)1套16路數(shù)字錄音系統(tǒng)和1套PCM設(shè)備，可為自動(dòng)控制系統(tǒng)和程控交換系統(tǒng)等提供各種接口，實(shí)現(xiàn)平臺對各終端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制以及管理。

4 主要電氣設(shè)備布置

泵站主要電氣設(shè)備布置在主廠房、副廠房和戶外出線場。

主廠房分為地下和地面兩層。地下層為水泵層，主要布置水泵、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)出口閥門以及機(jī)旁盤等設(shè)備；地面層為檢修層，設(shè)置機(jī)組安裝間。

副廠房布置在主廠房下游側(cè)，分為4層。地下層為副廠房水泵層，主要布置10 kV機(jī)組電壓設(shè)備柜、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)柜、機(jī)組中性點(diǎn)設(shè)備柜、勵(lì)磁變以及廠用變壓器等設(shè)備；地面一層為副廠房設(shè)備層，主要布置高壓變頻器室、信息化室、蓄電池室、通風(fēng)機(jī)室、0.4 kV低壓開關(guān)柜室、通信室、繼保室中央控制室、計(jì)算機(jī)室以及交接班室等設(shè)備；地面二層為GIS電纜夾層，主要布置電纜橋架等；地面三層為GIS層，主要布置GIS設(shè)備和開關(guān)站繼保室等。

戶外出線場布置在副廠房下游側(cè)，主要布置主變壓器及其中性點(diǎn)成套裝置、戶外出線門形架及其出線設(shè)備、柴油發(fā)電機(jī)房以及主變事故油池等。

5 結(jié) 論

為保證工程電氣設(shè)備的高效、可靠以及安全，本文進(jìn)行了數(shù)次調(diào)研考證，對系統(tǒng)的配置、設(shè)備選型、關(guān)鍵參數(shù)以及新技術(shù)新設(shè)備等主要技術(shù)問題進(jìn)行了反復(fù)研究和完善。此過程既更新了筆者的知識，又開闊了設(shè)計(jì)思路，可為新疆后續(xù)調(diào)水工程積累諸多經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為我國其他類似工程的設(shè)計(jì)建設(shè)提供有益的參考。