水利泵站更新改造工程的電氣設備及其自動化

李盛達

(惠州市潼湖水利工程管理中心，廣東 惠州 516000)

結(jié)合潼湖圍東岸泵站更新改造工程情況，通過探討東岸泵站的電氣設備設置及自動化監(jiān)控系統(tǒng)，了解水利泵站如何利用電氣技術實現(xiàn)排澇、灌溉功能，也為水利泵站建設管理提供一些參考。在實際工作中，通過學習和分析水利泵站更新改造工程的電氣設備及其自動化，能夠提高水利工作人員的專業(yè)水平和技術含量，提高水利泵站工程管理水平，保證水利泵站安全可靠運行，確保工程發(fā)揮實效。

1 工程概況

惠州市潼湖圍水利工程地處潼湖鎮(zhèn)上村至東莞市橋頭鎮(zhèn)一帶，橫跨惠州、東莞兩市，位于惠州市西南部，東江中下游與石馬河交匯處。東岸泵站是潼湖水利工程的骨干工程之一，位于東岸涌入東江處的東江堤段上，其任務是為圍內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供排澇、灌溉服務。東岸泵站更新改造后總裝機容量為5460kW，其中排澇裝機容量為4800kW，灌溉裝機容量為660kW。安裝6臺1700ZXB11.5-4.16型30°斜式軸流水泵，配套電機為6×800kW，泵站設計排水流量為70.2m3/s，設計揚程為4.16m。安裝2臺潛水軸流泵(1200ZDB-100)，電機功率為2×330kW，灌溉設計流量為8.1m3/s，設計揚程5.95m，設計灌溉面積9686.67hm2。其余主要設備有：吊車為葫蘆雙梁橋式起重機，起重量16/5t，跨度14.3m。排澇防洪閘閘門啟閉機為3臺QPQ-2×150kN卷揚式啟閉機。灌溉泵站灌溉防洪閘門由1臺 QPQ-2×100kN卷揚式啟閉機負責啟閉。

東岸泵站綜合利用自動化控制、計算機網(wǎng)絡及圖像監(jiān)視和通信技術，建成一套先進的自動化控制和監(jiān)視系統(tǒng)，以提高工程的安全性，促進泵站科學化、現(xiàn)代化的管理。自動化監(jiān)控系統(tǒng)能監(jiān)控整個泵站設備運行情況，包括6臺排澇機組和2臺灌溉機組、直流系統(tǒng)、技術供水系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)，還包括防洪閘、東岸水閘和上、下游水位測量、雨量等水文監(jiān)測點。

2 水利泵站改造工程的電氣一次及二次設備設置

2.1 電氣一次設備

2.1.1 接入電力系統(tǒng)

對于東岸泵站更新改造工程來說，泵站排水設計流量70.2m3/s，灌溉設計流量8.1m3/s，總裝機容量5460kW，泵站規(guī)模屬大(2)型。根據(jù)泵站的規(guī)模和重要性，確定供電負荷等級為二級。

通過全面分析，單回路電源不能滿足本工程的要求，需要采用兩回線路供電，主要有3個原因：①東岸泵站是潼湖綜合水利工程的骨干工程之一，承擔潼湖96.94km2雨水收集區(qū)的排水任務和1.33萬hm2耕地的灌溉任務，地位非常重要；②根據(jù)《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB50052-2016)規(guī)定，結(jié)合泵站規(guī)模、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度和區(qū)域供電條件，宜采用雙回線路供電；③原有的35kV架空特高壓輸電線路，部分線路走廊布置在省道S120中間綠化帶，來往車輛較多，容易碰撞桿塔造成停電故障，供電可靠性不能滿足二次負荷的要求[1]。兩回線路電源接入點如圖1所示。

回路Ⅰ：接惠州110kV潼湖變電站，供電電壓等級10kV，輸電距離5.0km，使用電纜線路。目前該回路已通過驗收并投入使用。

回路Ⅱ：將原有35kV架空專用輸電線路降為10kV運行供電，線路電源接入點為110kV東莞橋頭變電站，輸電距離4.5km。該線路大部分位于東莞橋頭鎮(zhèn)，線路改造引發(fā)的征地拆遷實施與補償辦理涉及東莞和惠州兩市，組織實施難度較大，目前該線路建設仍在協(xié)商當中。

2.1.2 電氣主接線

東岸泵站設計有兩條10kV電源進線、六條排水電機饋線電路和兩條變壓器饋線電路(詳見圖2)，采用單母線分段接線，10kV高壓開關柜選用KYN28A-12型鎧裝移開式交流金屬封閉開關柜，開關采用真空斷路器。

單母線分段投資略高，但靈活性、可靠性相對較好，因此，東岸泵站10kV側(cè)為單母線分段接線，設置母聯(lián)斷路器。泵站設計10kV雙電源供電，采用一主一備供電方式，任一電源均能滿足全部的負荷，保證六臺排澇水泵和二臺變壓器穩(wěn)定運行。正常情況下，潼湖變電站作為主用電源，橋頭變電站作為備用電源，即1G01進線柜開關閉合，1G08聯(lián)絡柜開關閉合，1G15進線柜開關斷開。當主電源發(fā)生故障時，由備用電源橋頭變電站供電，即1G01進線柜開關斷開，1G08聯(lián)絡柜開關閉合，1G15進線柜開關閉合。1G01、1G15進線柜開關實行自動備投，即1G01斷開，1G15自動閉合，反之亦然；1G01、1G15進線柜開關、1G08聯(lián)絡柜開關之間實行電氣機械聯(lián)鎖，即1G01、1G15進線柜兩個開關閉合時，聯(lián)絡開關不得閉合；1G01或1G15進線柜開關與1G08聯(lián)絡柜開關閉合時，1G15或1G01進線柜開關不得閉合。但由于備用電源橋頭變電站至東岸泵站線路仍未完成建設，目前僅單電源供電。

2.1.3 變壓器

泵站設一臺SCB11-400/0.4站用變壓器，接10kV電壓Ⅱ段母線，其容量能滿足泵站輔助設備及照明設施的用電要求。站用電源接線采用單母線，站用電壓采用400/220V，帶電導體系統(tǒng)采用三相四線制，低壓配電系統(tǒng)接地保護方式采用TN-S系統(tǒng)。站用電的主要負荷為：防洪閘門、管養(yǎng)樓、格柵清污機、檢修設備、橋式起重機、泵房及廠房照明、電動葫蘆、抓斗式清污機、電機加熱器、勵磁裝置、檢修滲漏排水泵、技術供水泵、消防供水泵、UPS設備、直流系統(tǒng)等設備。采用綜合系數(shù)法計算泵站用電負荷約為392.86kVA，因此站用變壓器容量為400kVA。為滿足緊急情況下的搶修及站用重要設備運行需求，另設有一臺100kW柴油發(fā)電機作為應急備用電源。

泵站還設一臺SCB11-1000/0.4灌溉主變壓器，接10kV電壓Ⅰ段母線，其容量滿足灌溉機組用電要求。

2.1.4 電動機

東岸泵站排水泵機組單機容量為800kW，電機的額定電壓為10kV。灌溉水泵機組單機容量為330kW，潛水電機采用的是0.38kV電壓等級。

設計時排澇泵組可選用異步電動機和同步電動機，以下對兩種方案的優(yōu)缺點進行定性比較。

異步電動機優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，低造價，維護、運行方便。缺點是需要裝設電容器組進行無功補償，因當前高壓電容器質(zhì)量存在不穩(wěn)定的問題，尤其是油浸式電容器，會發(fā)生漏油事故，對泵站消防不利[2]。此外，電容器組占地面積大，不利于廠房布置。

同步電動機優(yōu)點是功率因數(shù)高，電機起動電流較小，對電網(wǎng)沖擊小，必要時還可向電網(wǎng)發(fā)無功，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，過載能力及抗系統(tǒng)干擾性強。缺點是結(jié)構(gòu)復雜，多了滑環(huán)、碳刷及勵磁系統(tǒng)，運行維護較復雜，整體造價比異步電動機高約10%。

綜合以上分析，雖然同步電機整體造價稍高，但從運行可靠性、穩(wěn)定性考慮，排澇泵組選用TXZ800-24/2150同步電動機。灌溉泵組選用YQGN740L1-12異步電動機。

2.1.5 防雷及接地

配電裝置的防雷配置應符合相關法規(guī)和規(guī)范的要求。在10kV進線電源側(cè)安裝氧化鋅避雷器組，以保護主要電氣設備在各種運行模式下免受雷擊波的影響。每個斷路器柜中安裝三相組合過電壓保護器，以防止過電壓危及電機等電氣設備。泵站建筑物按三類建筑物防雷標準設置直擊雷防護裝置。屋面采用避雷帶保護，構(gòu)造柱內(nèi)兩根避雷帶≥Φ16，主筋引至接地網(wǎng)。

泵站10kV配電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，結(jié)合泵站監(jiān)控系統(tǒng)設備的要求，泵站配有接地網(wǎng)，充分利用泵站基礎加固作為自然接地體，人工接地體采用≥50×5的熱浸鍍鋅扁鋼，金屬外殼、管道、閘門等所有設備等均應與接地網(wǎng)連接，以保護人身和設備安全[3]。

2.2 電氣二次設備

2.2.1 繼電保護

保護裝置采用微機保護裝置，10kV進線及分段母線、10kV電動機、1000kVA及400kVA變壓器等10kV設備的保護裝置安裝在相應的10kV高壓開關柜上。根據(jù)《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規(guī)范》及《泵站設計規(guī)范》配置。泵站的保護配置如下：

1)10kV進線(母線)保護配置：定時限電流速斷保護、低電壓保護、單相接地保護。

2)電動機保護配置： 電流速斷保護、過負荷保護、低電壓保護、失步保護、失磁保護。

3)變壓器保護配置：電流速斷保護、過電流保護、單相接地保護。

2.2.2 直流系統(tǒng)

泵站配備一套220V直流系統(tǒng)，用于保護、操作、信號裝置供電和應急照明。直流裝置選用高頻開關電源設備，由65AH鎘鎳電池充電屏和直流饋電屏組成。通過在直流饋線上安裝智能充電模塊，可以實現(xiàn)對高頻充電的智能監(jiān)控。

2.2.3 勵磁系統(tǒng)

東岸泵站排澇機組為同步電動機，機組勵磁系統(tǒng)采用他勵方式，勵磁電源從站用變壓器低壓側(cè)取得，系統(tǒng)的起勵方式為為交流起勵。勵磁系統(tǒng)采用靜止式三相全控橋可控硅勵磁系統(tǒng)。

3 自動化監(jiān)控系統(tǒng)

東岸泵站采用“計算機監(jiān)控為主、簡化常規(guī)控制為輔”的監(jiān)控方式。自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控泵站的泵組、高低壓變配電裝置、站內(nèi)輔助設備、閘門及啟閉機等，采用分層分布式的開放式結(jié)構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)分為三層，分別為調(diào)度中心層、集中監(jiān)控層、現(xiàn)地控制單元層(LCU)。其中調(diào)度中心層為預留功能，以便將來實現(xiàn)遠程集中調(diào)度[4]。集中監(jiān)控層采用100Mbps以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡交換機采用工業(yè)級產(chǎn)品，保證數(shù)據(jù)、圖形和語音信息的高速可靠傳輸。集中監(jiān)控層與現(xiàn)地級監(jiān)控層LCU采用雙絞線連接，保證信號的可靠傳輸。現(xiàn)地控制單元包括1—8號泵組現(xiàn)地控制單元(1—4LCU，2臺泵組設1套LCU)、公用設備現(xiàn)地控制單元(5LCU)、防洪閘門現(xiàn)地控制單元(6LCU)及技術供水現(xiàn)地控制單元(7LCU) ，共7套現(xiàn)地控制單元。每個現(xiàn)地控制單元LCU均以PLC為控制核心，采用彩色觸摸屏作為人機界面。

監(jiān)控系統(tǒng)具有以下功能：數(shù)據(jù)采集和處理、安全運行監(jiān)視及預警、自動控制與調(diào)節(jié)、人機聯(lián)系、運行管理、歷史數(shù)據(jù)記錄、系統(tǒng)自診斷、軟件編輯等功能。

4 結(jié) 語

總而言之，在水利工程建設管理中，通過運用電氣技術發(fā)揮工程效益，促進水利工程管理的科學化、現(xiàn)代化，能夠更好保證水利工程運行效率和安全，更好地滿足社會發(fā)展要求。泵站作為重要的水利工程，使用電氣設備及自動化技術，能夠更好操控泵站設備運行，提高工程的安全性、可靠性，充分發(fā)揮工程效益，也有利于提高泵站工程建設與管理水平，促進我國水利事業(yè)健康發(fā)展。