南淝河初期雨水調(diào)蓄工程電氣設(shè)計要點分析

方呈林

[摘? ? 要]城市面源污染是河流的污染源之一，修建雨水調(diào)蓄池是有效控制初期雨水污染的措施。以南淝河中游調(diào)蓄池電氣及自動化控制設(shè)計為例，從供電系統(tǒng)、自控系統(tǒng)詳細(xì)論述了大型初期雨水調(diào)蓄池的電氣設(shè)計要點。

[關(guān)鍵詞]調(diào)蓄池;供電系統(tǒng);自控系統(tǒng);智能視頻巡檢系統(tǒng)

[中圖分類號]TV734 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–04

Analysis of the Main Points of Electrical Design of the Rainwater

Regulation and Storage Project in Nanfeihe River

Fang Cheng-lin

[Abstract]Urban non-point source pollution is one of the pollution sources of rivers. The construction of rainwater storage tanks is an effective measure to control the initial rainwater pollution. The main points of electrical design of large-scale initial rainwater storage tanks are systematically discussed in detail.

[Keywords]regulating battery; power supply system; automatic control system; intelligent video inspection system

在過去的半個世紀(jì)，發(fā)達(dá)國家為保護(hù)城市水環(huán)境先后對排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，把建設(shè)調(diào)蓄池作為重要措施[1]。2021年4月，南淝河中游調(diào)蓄池作為南淝河中游重點排口初雨污染控制工程的重要節(jié)點正式順利投運，將南淝河中游二里河泵站、礦機(jī)泵站、池郢泵站和西李郢泵站收集的初期雨水，經(jīng)智慧截流系統(tǒng)轉(zhuǎn)輸至調(diào)蓄站后提升至小倉房污水處理廠。有效削減南淝河中游21平方公里的初期雨水對南淝河水體的污染，助推南淝河水質(zhì)進(jìn)一步提升，從而改善巢湖水質(zhì)。此外，本工程還兼顧城區(qū)防汛排澇功能。

1 工程概況

本工程是南淝河2020年水體達(dá)標(biāo)項目，該項目在巢湖南路與銅陵路交口東北200m處新建容量為5萬m3、埋深15～23m的初雨調(diào)蓄站1座;新建總長2700m的截流管（截流管徑分別為Φ1200～Φ3000，深度15～18m），總調(diào)蓄容量為7.7萬m3，為目前安徽省最大的單體調(diào)蓄工程，總概算投資為4.6億元。通過修建雨水調(diào)蓄設(shè)施，可以提高污水收集截流能力，降低溢流頻率和溢流量，經(jīng)濟(jì)有效地控制初期雨水和合流污水的污染[2]。

調(diào)蓄池選址在濱水公園內(nèi)東部地塊，因調(diào)蓄池開挖恢復(fù)景觀區(qū)域，在地埋式水體凈化設(shè)施上部覆土空間恢復(fù)打造生態(tài)觀賞游園。變配電間結(jié)合現(xiàn)狀西里郢泵站進(jìn)行電氣設(shè)施整合擴(kuò)建（圖1）。

2 供電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 現(xiàn)狀供電情況

現(xiàn)狀西里郢泵站主要用電負(fù)荷為4臺335 kW潛水泵，額定電壓660 V;2臺145 kW潛水泵，額定電壓380 V;現(xiàn)狀10 kV供電電源采用雙回路，一用一備，2臺1 000 kVA變壓器為4臺335 kW潛水泵提供電源。其余站內(nèi)低壓負(fù)荷由2臺250 kVA變壓器供電。

2.2 負(fù)荷等級及供電電源

參考《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50052—2009）及《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB51174—2017），雨水調(diào)蓄池工程作為城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄相關(guān)建設(shè)中的一環(huán)，若雨水調(diào)蓄池發(fā)生用電故障甚至停電，將可能導(dǎo)致城鎮(zhèn)內(nèi)澇等情況出現(xiàn)?？紤]其對政治及經(jīng)濟(jì)的影響，雨水調(diào)蓄池的主要用電負(fù)荷為二級用電負(fù)荷[3]，采用雙回路電源供電。

由于現(xiàn)狀西里郢泵站建于2003年，至今已運行15a，泵站的電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，超出電氣設(shè)備安全運行的年限。本次對原西里郢泵站高低壓系統(tǒng)的所有電氣設(shè)備全部拆除更新。新建調(diào)蓄工程的主要用電負(fù)荷為6臺280 kW潛污泵，額定電壓10 kV。新建調(diào)蓄工程結(jié)合現(xiàn)狀西里郢泵站進(jìn)行電氣設(shè)施整合，10 kV變配電系統(tǒng)采用雙回路供電（對原有供電容量擴(kuò)容，每路電源負(fù)責(zé)100%負(fù)荷）;更新2臺1 000 kVA變壓器，其余站內(nèi)的所有低壓負(fù)荷由新建的2臺500 kVA變壓器供電。

2.3 變配電系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 電氣主接線

變電所10 kV高壓側(cè)和0.4 kV低壓側(cè)均采用單母線分段帶聯(lián)絡(luò)的接線方式。高低壓系統(tǒng)中兩臺進(jìn)線柜進(jìn)線斷路器與聯(lián)絡(luò)柜斷路器均采用三鎖二鑰匙機(jī)械聯(lián)鎖及電氣聯(lián)鎖，確保電氣操作的安全性。

2.3.2 繼電保護(hù)設(shè)置

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB50265—2010）及《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范》（GB/T50062—2008）的規(guī)定，對本站繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行配置，保護(hù)裝置選用國內(nèi)成熟的定型微機(jī)保護(hù)裝置。具體保護(hù)配置有：

（1）10 kV電動機(jī)電壓母線的保護(hù)

帶時限電流速斷保護(hù)：動作于斷開進(jìn)線斷路器。

過負(fù)荷保護(hù)：用于防止過負(fù)荷引起10 kV電動機(jī)電壓母線過電流，保護(hù)延時動作于發(fā)出故障信號。

低電壓保護(hù)：電壓整定值為40%～50%額定電壓，時限為1 s，動作于進(jìn)線斷路器。

單相接地故障監(jiān)視：保護(hù)動作于信號。

（2）10 kV電動機(jī)保護(hù)

低電壓保護(hù)：用于防止電動機(jī)自起動，電壓整定值為40%～50%額定電壓，保護(hù)延時0.5 s，動作于跳開電動機(jī)斷路器。

過負(fù)荷保護(hù)：用于防止過負(fù)荷引起電動機(jī)過電流，保護(hù)分二個時限，第一時限動作于發(fā)出故障信號，第二時限動作于斷開斷路器。

溫度保護(hù)：軸承溫度升高和過高保護(hù)。溫度升高動作于發(fā)出故障信號;溫度過高動作于跳開電動機(jī)斷路器。

電流速斷保護(hù)：動作于斷開斷路器。

過電流保護(hù)：作為外部相間短路引起電機(jī)過電流的后備保護(hù)。

（3）其他

0.4 kV低壓進(jìn)線總開關(guān)設(shè)延時速斷、長延時過電流、帶時限低電壓保護(hù)及單相接地保護(hù)。

0.4 kV低壓母聯(lián)開關(guān)設(shè)過載延時，短路短延時和瞬時保護(hù)。

低壓用電設(shè)備及饋線電纜設(shè)置短路保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)。

低壓電動機(jī)保護(hù)回路設(shè)短路、接地故障及過載等保護(hù)。

低壓潛水泵等電動機(jī)除常規(guī)保護(hù)（短路、接地故障及過載）外，還設(shè)有泄漏、溫度等特殊保護(hù)。

2.3.3 機(jī)組起動及無功補(bǔ)償方式

為減少機(jī)組起動對電網(wǎng)電壓波動的影響及對電動機(jī)的沖擊，同時適應(yīng)水泵的運行工況，新增6臺280 kW潛污泵電動機(jī)采用高壓軟起方式。現(xiàn)狀西里郢泵站水泵起動方式不變，采取一拖一低壓軟起動方式。

10 kV高壓電機(jī)采用高壓就地補(bǔ)償柜就地單機(jī)補(bǔ)償，0.4 kV低壓用電負(fù)荷采用在變電所低壓側(cè)設(shè)置集中補(bǔ)償方式的無功功率自動補(bǔ)償裝置。補(bǔ)償后10 kV高壓電源進(jìn)線處功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，滿足當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求

2.3.4 過電壓保護(hù)、防雷與接地

為防止直擊雷損壞電氣設(shè)備，在廠房頂部女兒墻或屋檐裝設(shè)避雷帶（網(wǎng)）作接閃器，并利用廠房四周的柱內(nèi)鋼筋作避雷帶（網(wǎng)）的接地引下線，同時以主泵房基礎(chǔ)、底板內(nèi)的鋼筋作自然接地體。引下線與接閃器、接地體應(yīng)有可靠的電氣連接。為防止雷電波沿輸電線路侵入損壞變壓器及其他電氣設(shè)備，本站在10 kV母線上裝設(shè)了一組氧化鋅避雷器。同時為防止真空斷路器操作時產(chǎn)生的操作過電壓對設(shè)備的絕緣，特別是主電動機(jī)的絕緣造成威脅，在每個真空斷路器回路均裝設(shè)操作過電壓吸收裝置。低壓配電柜、動力配電箱、現(xiàn)場配電箱等進(jìn)線處設(shè)置SPD電涌保護(hù)裝置。進(jìn)出防雷保護(hù)區(qū)的金屬線路加裝防雷保護(hù)器。

調(diào)蓄池內(nèi)廠房和變電所的電氣設(shè)備接地裝置，按照有關(guān)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行設(shè)計，并將10 kV進(jìn)線段、廠房與進(jìn)水閘、出水閘鋼筋混凝土底板中的主鋼筋構(gòu)成的自然接地網(wǎng)用-50x6鍍鋅扁鐵可靠連接，形成一個完整的接地網(wǎng)，供配電系統(tǒng)與儀表自動控制系統(tǒng)的公共接地電阻Rd≤1 Ω[3]。所有電氣設(shè)備的金屬外殼及構(gòu)架均與接地網(wǎng)可靠連接。

3 儀表與自控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

為了調(diào)蓄站能夠安全可靠運行以及操作人員簡捷準(zhǔn)確地操作整個設(shè)備，根據(jù)截污調(diào)蓄站工藝要求，在站區(qū)現(xiàn)場配置必要的檢測儀表、可編程序控制器（PLC）和通信系統(tǒng)，在控制中心設(shè)置管理計算機(jī)構(gòu)成自動控制管理系統(tǒng)[4]。

本工程在線檢測儀表以適用性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性為原則設(shè)計，充分考慮處理規(guī)模、工藝特點及控制要求等綜合因素，對設(shè)備運行參數(shù)及工作狀態(tài)等進(jìn)行實時監(jiān)測。

本工程自動控制系統(tǒng)以可靠性、先進(jìn)性、開放性、實用性為原則設(shè)計，由檢測執(zhí)行級、現(xiàn)場控制級、中央監(jiān)控級組成集中管理、分散控制的集散型控制系統(tǒng)，保證機(jī)電設(shè)備運行的安全和穩(wěn)定，保障處理效果，降低運行成本，減輕勞動強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，滿足現(xiàn)代化科學(xué)生產(chǎn)管理的需要。

本工程通訊網(wǎng)絡(luò)以開放性、可靠性、靈活性、遠(yuǎn)期可擴(kuò)展性為原則設(shè)計，滿足自控系統(tǒng)覆蓋地域廣、傳輸數(shù)據(jù)量大、可靠性要求高及便于遠(yuǎn)期擴(kuò)展的要求。

本工程視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)以先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及可擴(kuò)展性為原則設(shè)計，對重要區(qū)域進(jìn)行宏觀動態(tài)監(jiān)視，滿足流域運營管理和安全防范的需要。

3.2 設(shè)計內(nèi)容

本工程主要包括初期雨水調(diào)蓄工程調(diào)蓄站自動化系統(tǒng)和水質(zhì)水量監(jiān)測管理系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、線纜敷設(shè)及雷電防護(hù)與接地安全。其中，水質(zhì)水量監(jiān)測管理系統(tǒng)屬于初期雨水治理工程配套排口截流井閘門電氣控制及排口水質(zhì)水量的在線監(jiān)測設(shè)計。

3.3 設(shè)計構(gòu)架

本工程自控系統(tǒng)設(shè)計以濱水公園調(diào)蓄站作為本次水環(huán)境綜合治理工程的（二級）區(qū)域監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)采集本工程內(nèi)調(diào)蓄站、現(xiàn)狀西李郢排澇泵站、排口截流井啟閉機(jī)及水質(zhì)水量監(jiān)測和視頻監(jiān)控等各類信息，系統(tǒng)主要包括：初期雨水調(diào)蓄站及現(xiàn)狀西李郢排澇泵站自動化系統(tǒng)、排口水質(zhì)水量監(jiān)測管理系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過濱水公園調(diào)蓄站區(qū)域監(jiān)控中心平臺的建設(shè)，使管理者全面掌控流域內(nèi)機(jī)電設(shè)備、水質(zhì)水量等重要節(jié)點的數(shù)據(jù)參數(shù)及關(guān)鍵區(qū)域畫面的實時信息，實現(xiàn)對水體污染及突發(fā)事件等預(yù)警預(yù)報，為水質(zhì)保障、應(yīng)急響應(yīng)、調(diào)度管理提供平臺，實現(xiàn)流域智能管理（圖2）。

4 智能視頻巡檢系統(tǒng)

調(diào)蓄池建成后無法觀測池內(nèi)情況，因而無法了解池內(nèi)設(shè)備狀況和環(huán)境參數(shù)。目前以目視觀察法為主，需要在池板上開觀察孔并安裝有毒有害氣體檢測儀表，增加了操作人員的工作強(qiáng)度及危險性。為解決這一問題，考慮在調(diào)蓄池內(nèi)設(shè)置智能視頻巡檢設(shè)備（圖3），可以在頂板下進(jìn)行機(jī)械巡檢，不僅減少人員勞動強(qiáng)度而且保障管理人員人身安全，提供設(shè)備維護(hù)依據(jù)。

通過智能視頻巡檢設(shè)備，監(jiān)控后臺能實時采集并顯示現(xiàn)場設(shè)備可見光圖像;能夠?qū)崟r監(jiān)視巡檢設(shè)備自身狀態(tài)，包括監(jiān)視巡檢設(shè)備的控制模式、當(dāng)前位置、巡檢軌跡、機(jī)內(nèi)溫度、巡檢設(shè)備當(dāng)前運動速度、當(dāng)前云臺的水平和垂直位置以及相機(jī)當(dāng)前倍數(shù)、電池狀態(tài)等信息;能夠?qū)崟r監(jiān)視現(xiàn)場環(huán)境，包括設(shè)備現(xiàn)場的濕度、溫度、有毒有害氣體濃度等信息。每次巡視任務(wù)完畢后，對當(dāng)次巡視的結(jié)果和過程中發(fā)現(xiàn)的問題，即各類報警信息，自動生成異常缺陷報表。異常報告具備設(shè)定時間內(nèi)的巡視任務(wù)查詢功能。

5 結(jié)束語

初期雨水污染日趨嚴(yán)重，不能直接排放，實踐證明，在排水系統(tǒng)的末端設(shè)置初期雨水調(diào)蓄池是減少初期雨水污染物排放的有效手段，目前這一方式已經(jīng)被運用到城市合流制及分流制排水系統(tǒng)中。因此建設(shè)初雨調(diào)蓄池來控制初期雨水污染并有效利用雨水資源，既保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，又節(jié)約了水資源，對推進(jìn)海綿城市建設(shè)、緩解城市排水系統(tǒng)壓力、降低城市洪澇災(zāi)害發(fā)生、增加城市生態(tài)景觀及發(fā)揮水資源綜合效益都具有重大意義。

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