城市排水泵站電氣設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題探討

劉勇

（成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610023）

0 引言

本文以筆者參加成都市高新區(qū)、天府新區(qū)一批排水泵站（提標(biāo)改造、新建）為例，結(jié)合多年泵站電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及類(lèi)似項(xiàng)目評(píng)審經(jīng)驗(yàn)，綜合運(yùn)維單位反饋意見(jiàn)等，探索排水泵站電氣設(shè)計(jì)中關(guān)于供電電源、負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選型、控制方式等方面的解決思路。

成都市主城區(qū)排水泵站主要分為3類(lèi)：下穿隧道配套泵站、下沉式道路配套泵站、城市低洼區(qū)域防澇排水泵站。本次下穿隧道（下沉式道路）配套泵站提標(biāo)改造工程，分為單純電氣系統(tǒng)改造、電氣系統(tǒng)改造加監(jiān)控系統(tǒng)完善兩種類(lèi)型；區(qū)域防澇排水泵站為新建。

由于城市排水泵站中排水泵采用低壓電機(jī)占絕大多數(shù)，本文相關(guān)內(nèi)容均指采用低壓電機(jī)泵站，不含6/10kV中壓電機(jī)泵站。

1 供電電源

1.1 負(fù)荷分級(jí)

本次主城區(qū)提標(biāo)改造的多座排水泵站電源狀況基本分為以下4類(lèi)，如表1所示。除因排水泵功率增加，電源擴(kuò)容外，為增強(qiáng)供電的可靠性同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施難度，對(duì)二、四類(lèi)電源予以改造。

表1 排水泵站的電源型式

城市排水泵站負(fù)荷等級(jí)按《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）、《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 120—2018）執(zhí)行，兩本標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致，即普通的排水泵站按二級(jí)負(fù)荷考慮，特別重要的排水泵站按一級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)[1-2]。

對(duì)類(lèi)型二，本次改造增加柴油發(fā)電機(jī)接口，類(lèi)型四主要為少數(shù)建設(shè)較早的泵站，由于多種原因暫無(wú)法解決雙電源及固定柴油發(fā)電機(jī)，只得在汛期配置移動(dòng)柴油發(fā)電車(chē)的方式，但造成運(yùn)維不便，本次改造擬增加一路市電或設(shè)置固定柴油發(fā)電機(jī)，改造為類(lèi)型二或類(lèi)型三。

筆者建議新建排水泵站電氣設(shè)計(jì)中有土建條件設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房時(shí)，宜優(yōu)先采用市電加柴油發(fā)電機(jī)的供電方案，不具備條件時(shí)采用兩路市電的供電方案，但此時(shí)應(yīng)預(yù)留柴油發(fā)電機(jī)快速接口，理由如下：①排水不暢、區(qū)域積水造成的社會(huì)影響大，城市管理部門(mén)對(duì)防洪排澇比較重視，汛期各排水泵站基本有人值守，具備管理柴油發(fā)電機(jī)的人員條件。②排水泵站的年運(yùn)行時(shí)間短，集中在汛期短時(shí)運(yùn)行，采用柴油發(fā)電機(jī)做為備用電源經(jīng)濟(jì)上可行。③正常運(yùn)維的柴油發(fā)電機(jī)安全、可靠、可控，技術(shù)上可行。

1.2 變壓器的配置

1.2.1 下穿隧道（下沉式道路）排水泵站

根據(jù)成都市主城區(qū)下穿隧道（下沉式道路）排水泵站信息調(diào)查顯示，泵站裝機(jī)功率大致在66~800kW之間，所配變壓器容量約125~1000kVA，總體裝機(jī)功率不大。受進(jìn)水管網(wǎng)、結(jié)構(gòu)滲漏水、集水池容積等影響，排水泵在非雨季的啟用頻率約一天兩次至十天一次，一次約幾分鐘，此類(lèi)泵站變壓器為泵站所有設(shè)備供電，非檢修時(shí)變壓器均帶電運(yùn)行。

1.2.2 低洼區(qū)域防洪排水泵站

對(duì)僅汛期使用防洪排水泵站，負(fù)荷季節(jié)特征明顯，類(lèi)似于建筑工程中冷水機(jī)組等季節(jié)性負(fù)荷。當(dāng)?shù)蛪貉b機(jī)容量較大時(shí)，變壓器自身的損耗已接近或超過(guò)泵站日常用電負(fù)荷時(shí)，宜單獨(dú)設(shè)排水泵用變壓器，另設(shè)小容量站用變?nèi)粘Ｊ褂茫潘糜米儔浩髌綍r(shí)停用，汛期啟用，以降低變壓器損耗造成的泵站運(yùn)行成本。如筆者參與設(shè)計(jì)的某防洪排水泵站，設(shè)200kW灌流泵八臺(tái)，配2000kVA變壓器兩臺(tái)，一用一備，平時(shí)停用，汛期啟用；泵站另設(shè)兩天63kVA柜內(nèi)站用變供泵站日常使用。

2 水泵電機(jī)啟動(dòng)方式

水泵電機(jī)常見(jiàn)的啟動(dòng)方式有全壓?jiǎn)?dòng)或降壓?jiǎn)?dòng)。雖然全壓?jiǎn)?dòng)最為簡(jiǎn)單可靠，但綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等指標(biāo)并不是排水泵站的最優(yōu)選擇。

排水泵站負(fù)荷單一，使用頻率低，采用全壓直接啟動(dòng)對(duì)變壓器、柴油發(fā)電機(jī)容量要求較高，導(dǎo)致泵站初期投資大，變壓器長(zhǎng)期負(fù)載率低，損耗偏大，泵站運(yùn)行成本偏高。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，降壓電子軟啟動(dòng)器以其適應(yīng)面廣、保護(hù)功能完善，得到大量應(yīng)用，筆者認(rèn)為其對(duì)負(fù)荷單一的排水泵站較為適合。通過(guò)成都市下穿隧道（下沉式道路）配套泵站信息調(diào)查顯示，排水泵基本采用降壓電子軟啟動(dòng)，運(yùn)維單位經(jīng)過(guò)多年的使用，也側(cè)面證實(shí)其可靠性，僅在少數(shù)早期建設(shè)泵站，為節(jié)省投資，采用一控二、一控三軟啟動(dòng)器，但后期為增強(qiáng)其可靠性，均調(diào)整為一控一。

當(dāng)排水泵站與其他建（構(gòu)）筑合建，如規(guī)模較大的地下道路時(shí)，排水泵在整個(gè)負(fù)荷容量中占比不高時(shí)，有條件直接啟動(dòng)應(yīng)優(yōu)先采用直接啟動(dòng)，更為簡(jiǎn)單可靠。

采用軟啟動(dòng)器時(shí)建議裝設(shè)外置旁路接觸器，當(dāng)軟啟故障時(shí)，如有必要可切除故障的軟啟動(dòng)器，電機(jī)直接啟動(dòng)，旁路接觸器可按AC-3工作制選用。軟啟動(dòng)器應(yīng)帶過(guò)熱、過(guò)載、缺相等保護(hù)功能，該功能在旁路時(shí)應(yīng)仍能維持。

3 變壓器高低壓側(cè)保護(hù)定值協(xié)調(diào)性

當(dāng)排水泵總?cè)萘拷咏儔浩魅萘繒r(shí)，應(yīng)核算變壓器高壓側(cè)斷路器整定值與低壓側(cè)斷路器整定值的匹配性，避免越級(jí)跳閘。通常變壓器低壓側(cè)出口斷路器整定值由設(shè)計(jì)單位或用戶(hù)確定，常按有利于設(shè)備運(yùn)行整定，而高壓側(cè)通常由供電部門(mén)確定，常按有利于故障切除，一般變壓器最大的負(fù)荷電流。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)整定值不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成變壓器高負(fù)載或滿(mǎn)載時(shí)越級(jí)跳閘。

4 控制與保護(hù)

4.1 液位計(jì)的選擇

給水排水工程中常用的液位計(jì)有電容式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)。

電容式液位計(jì)不受真空、壓力、溫度等環(huán)境條件的影響，可測(cè)量強(qiáng)腐蝕性、高溫高壓介質(zhì)、密閉容器的液位[3]，常用于石化、冶金、造紙等行業(yè)液位測(cè)量。

靜壓式液位計(jì)分為桿式、纜式，桿式適合液面擾動(dòng)大及腐蝕性液體液位測(cè)量，纜式適合深井[3]。城市排水泵站由于用電原因，集水池尺寸均較為緊湊，水泵運(yùn)行對(duì)水面影響大；汛期水池中常用漂浮物，泡沫等，將纜式靜壓液位計(jì)裝于防波管中，測(cè)量誤差小，運(yùn)行可靠，是城市排水泵站較理想的液位測(cè)量裝置。

超聲波液位計(jì)由于汛期集水池中有固體漂浮物或泡沫，會(huì)造成超聲波液位計(jì)的可靠性降低，同時(shí)價(jià)格相對(duì)于偏高，在排水泵站中應(yīng)用不多。

雷達(dá)液位計(jì)由于價(jià)格高在排水泵站中應(yīng)用少。

早期建設(shè)的排水泵站部分采用浮球（筒）液位計(jì)，由于集水池中偶有塑料袋、棉麻或人工纖維等雜物卡堵在浮筒和導(dǎo)管之間，造成浮筒浮動(dòng)困難導(dǎo)致液位計(jì)失效，此類(lèi)液位計(jì)在排水泵站中已基本淘汰。

綜上比較，靜壓式液位計(jì)是城市排水泵站中比較適合的液位計(jì)。

筆者參與改造的排水泵站中，泵站雖已實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)運(yùn)行，但部分泵站現(xiàn)場(chǎng)無(wú)水位顯示裝置，給調(diào)試、運(yùn)維帶來(lái)諸多不變。建議當(dāng)泵站旁有可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）觸摸屏?xí)r，可將液位信號(hào)在觸摸屏顯示，否則應(yīng)選用帶顯示功能的分體式液位計(jì)，將液位顯示裝置設(shè)置于便于觀察巡檢的位置。

4.2 控制器的選擇

早期建設(shè)的排水泵站有的采用液位控制器、電機(jī)保護(hù)器對(duì)排水泵進(jìn)行自動(dòng)控制，但由于其通用性、拓展性不強(qiáng)、通信協(xié)議不一，在排水泵站的提升改造中已基本被PLC控制器替代，PLC優(yōu)勢(shì)如下。

（1）產(chǎn)品模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用性強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠、拓展、替換方便[4]，可降低運(yùn)維單位成批量管理的泵站運(yùn)維成本。

（2）接口豐富，可監(jiān)測(cè)水位、電機(jī)狀態(tài)、重要供電回路開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流電壓參數(shù)、大型水泵電機(jī)軸溫繞組溫度、大型泵組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、泵房的環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

（3）便于組網(wǎng)、集中管理，以及強(qiáng)大的組態(tài)軟件定制開(kāi)發(fā)。采用有線/無(wú)線方式集中組網(wǎng)，上傳設(shè)備狀態(tài)，分析設(shè)備故障原因，通過(guò)人工智能（artificial intelligence,AI）算法實(shí)現(xiàn)有損部件的使用壽命預(yù)測(cè)，合理安排備品備件，實(shí)現(xiàn)前瞻性維護(hù)。對(duì)設(shè)備狀態(tài)變化的趨勢(shì)性分析，提出設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)化策略等，對(duì)城市泵站群的高效管理極為有利。

如本次改造的天府新區(qū)泵站，在隧道、下沉式道路低點(diǎn)設(shè)置電子水尺，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道積水狀況，其信號(hào)接入PLC，驅(qū)動(dòng)入口處可變情報(bào)板，實(shí)現(xiàn)積水監(jiān)測(cè)與報(bào)警，聯(lián)動(dòng)路口交通信號(hào)燈。

故建議排水泵站采用PLC控制，根據(jù)泵站的重要程度、監(jiān)控設(shè)備數(shù)量、組網(wǎng)需求等因素綜合確定PLC的性能參數(shù)選型指標(biāo)。

4.3 水泵電機(jī)保護(hù)

筆者參與泵站改造設(shè)計(jì)及泵站評(píng)審項(xiàng)目中，部分項(xiàng)目水泵電機(jī)的保護(hù)欠完善，以下3種保護(hù)常被忽視。

4.3.1 潛水電機(jī)漏液報(bào)警

潛水泵長(zhǎng)期浸泡水中，需在接線室、定子室設(shè)置濕度傳感器，一旦水分超標(biāo)，需及時(shí)停機(jī)、輸出故障信號(hào)。通常需排水專(zhuān)業(yè)在設(shè)計(jì)文件（或招標(biāo)文件）中予以明確“由潛水泵廠家配套潛泵電機(jī)保護(hù)裝置”，電氣專(zhuān)業(yè)核實(shí)潛泵電機(jī)保護(hù)裝置的輸出信號(hào)種類(lèi)，及相關(guān)控制邏輯，將保護(hù)信號(hào)接入潛水泵控制相關(guān)回路，作用于報(bào)警及停機(jī)。

4.3.2 中大型電機(jī)繞組、軸溫監(jiān)測(cè)

當(dāng)水泵電機(jī)功率較大時(shí)，為了顯示水泵軸承的實(shí)時(shí)溫度狀況，需在電動(dòng)機(jī)定子鐵心繞組A、B、C三相分別嵌設(shè)一只溫度傳感器，作為超溫時(shí)停機(jī)的檢測(cè)元件。一般采用PT100熱電阻傳感器，但其信號(hào)不能直接接入PLC標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入（analog input,AI）模塊，可采用以下3種方式接入：①選用可接PT100的PLC專(zhuān)用模塊。②增加變送器，信號(hào)轉(zhuǎn)換后再接入PLC標(biāo)準(zhǔn)AI模塊。③選用選用專(zhuān)門(mén)的溫度巡檢儀接入熱電阻信號(hào)，再由溫度巡檢儀接入PLC。測(cè)溫元器件的需求由工藝專(zhuān)業(yè)在排水泵設(shè)計(jì)、招標(biāo)文件中明確，電氣、自控專(zhuān)業(yè)配合，完成中大型電機(jī)繞組、軸溫測(cè)溫監(jiān)控。

4.3.3 低液位停機(jī)保護(hù)

正常情況排水泵站根據(jù)水位自動(dòng)運(yùn)行，但在液位計(jì)故障或信號(hào)失效時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致水泵低水位空轉(zhuǎn)，為避免這種情況，建議設(shè)置液位開(kāi)關(guān)，水位過(guò)低時(shí)，液位信號(hào)直接作用于停機(jī)。

5 水泵控制柜一二次元器件設(shè)置

一搬下穿隧道（下沉式道路）配套泵站水泵電機(jī)總功率不大，基于用地、景觀等考慮，采用箱變供電較為普遍，變壓器容量一般超過(guò)800kVA時(shí)[5]，更大容量的變壓器應(yīng)考慮設(shè)置變配電房。

筆者建議當(dāng)采用箱變供電時(shí)，水泵控制的一次元器件（斷路器，接觸器，軟啟動(dòng)器等）可設(shè)置于就地控制柜中。泵站設(shè)置變配電房時(shí)，室內(nèi)環(huán)境較好且便于運(yùn)維，建議水泵控制的一次元器件設(shè)置于低壓柜中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的就地控制箱。但無(wú)論一次元器件設(shè)置于何處，水泵旁應(yīng)設(shè)置就地控制裝置。

6 水泵廠家配套控制柜的約束性要求

泵站改造項(xiàng)目中，部分水泵控制柜常由廠家配套，當(dāng)缺乏設(shè)計(jì)文件或招標(biāo)文件約束時(shí)，控制柜元器件組成，柜內(nèi)主回路、控制與保護(hù)功能不太規(guī)范。

筆者建議，設(shè)計(jì)單位應(yīng)按規(guī)范對(duì)廠家配套的控制柜提出約束性要求，如外觀類(lèi)：柜體材質(zhì)尺寸，防護(hù)等級(jí)，按鈕、指示燈、手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)安裝位置，測(cè)量表計(jì)等；柜內(nèi)元器件組成類(lèi)：隔離電器、短路保護(hù)、進(jìn)線浪涌保護(hù)、電機(jī)控制器、通訊接口等，以確保功能完整，使用安全。

7 組態(tài)軟件要求

目前多數(shù)的排水泵站由PLC控制，基本可以實(shí)現(xiàn)泵站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控。但總體來(lái)說(shuō)，功能較單一，距離智慧化運(yùn)維尚有差距。建議在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)泵站的重要程度，投資等綜合評(píng)估，對(duì)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、快速組態(tài)、應(yīng)用場(chǎng)景、數(shù)據(jù)庫(kù)等做出有一定控制性要求，并結(jié)合地區(qū)運(yùn)維管理需求，盡可能標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，如平時(shí)、汛期多臺(tái)水泵的運(yùn)行分析，輪換控制策略，通過(guò)設(shè)備故障分析實(shí)現(xiàn)前瞻性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)可視化等，讓排水泵站成為智慧排水乃至智慧水務(wù)的有機(jī)組成部分。

8 結(jié)語(yǔ)

建議排水泵站備用電源有條件時(shí)選擇柴油發(fā)電機(jī)，水泵啟動(dòng)采用一控一外置旁路電子軟啟動(dòng)器，變壓器負(fù)載率較高時(shí)需統(tǒng)籌高低壓側(cè)保護(hù)的協(xié)調(diào)性，液位計(jì)選用帶液位顯示的纜式靜壓液位計(jì)，控制器選用PLC，水泵電機(jī)應(yīng)按規(guī)范設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)保護(hù)裝置，應(yīng)設(shè)置水泵就地控制裝置，對(duì)廠家配套設(shè)備或需集成商二次開(kāi)發(fā)的軟件應(yīng)有較完善的約束性要求。