調(diào)蓄池工程電氣設(shè)計(jì)分析與探討

何 佳 良

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200120)

0 引 言

隨著城市化建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各大城市面臨的暴雨內(nèi)澇、徑流污染等問題日趨嚴(yán)重。在城市排水系統(tǒng)末端設(shè)置雨水調(diào)蓄池,不僅可以削減向下游排放的雨水峰值流量,提高城市排水防澇能力,還可以控制面源污染,控制初期雨水和合流污水對(duì)河道的污染。因此,合理、安全、可靠的電氣設(shè)計(jì)是保障調(diào)蓄池工程發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵因素。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)與內(nèi)容

1.1 依據(jù)的主要規(guī)范

調(diào)蓄池工程的電氣設(shè)計(jì)除了要遵循現(xiàn)行國家相關(guān)電力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外,還要執(zhí)行GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[1]、CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[2]、CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]及GB 55027—2022《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》[4]等行業(yè)規(guī)范。

1.2 設(shè)計(jì)分界及內(nèi)容

工程通常以電源外線進(jìn)戶電纜終端頭為設(shè)計(jì)分界面,分界面以下用戶側(cè)部分屬工程設(shè)計(jì)范圍,分界面以上電源側(cè)(包括電纜終端頭)部分屬當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門設(shè)計(jì)范圍。

調(diào)蓄池工程的電氣設(shè)計(jì)主要包括:變電所及變配電裝置設(shè)計(jì)、各用電設(shè)備供配電設(shè)計(jì)、電纜線路敷設(shè)設(shè)計(jì)、各新增建(構(gòu))筑物照明及場地照明設(shè)計(jì)、各新增建(構(gòu))筑物防雷及接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2 供配電系統(tǒng)

2.1 負(fù)荷計(jì)算

調(diào)蓄池工程有數(shù)量較多的小功率用電設(shè)備,包括排空泵、排砂泵、格柵除污機(jī)、螺旋輸送壓榨機(jī)、門式?jīng)_洗系統(tǒng)、砂水分離器、閘門、除臭及通風(fēng)設(shè)備等。與雨水泵站合建的調(diào)蓄池會(huì)有較大功率的潛水軸流泵。對(duì)于常見的中小型項(xiàng)目而言,上述機(jī)械設(shè)備電壓等級(jí)均為交流220/380 V,可采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算;與泵站合建時(shí),有大型水泵的雨水泵站調(diào)蓄池,應(yīng)在采用需要系數(shù)法計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過軸功率法進(jìn)行復(fù)核。

采用需要系數(shù)法或軸功率法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí),設(shè)備組需要系數(shù)、有功功率同時(shí)系數(shù)、無功功率同時(shí)系數(shù)及計(jì)算方法等,均應(yīng)符合CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中負(fù)荷計(jì)算章節(jié)的規(guī)定。

2.2 負(fù)荷等級(jí)及供電電源

CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[2]第3.7.1條規(guī)定:調(diào)蓄池的負(fù)荷等級(jí)宜為三級(jí)負(fù)荷。與泵站合建的調(diào)蓄池應(yīng)結(jié)合泵站確定負(fù)荷等級(jí),特殊用途的調(diào)蓄池應(yīng)根據(jù)其性質(zhì)和重要性綜合確定。

CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]第4.1.1條規(guī)定:排水設(shè)施的供電負(fù)荷等級(jí)應(yīng)為二級(jí),特別重要排水設(shè)施的供電負(fù)荷等級(jí)應(yīng)為一級(jí)。

根據(jù)上述要求,單獨(dú)建設(shè)的常規(guī)普通調(diào)蓄池,負(fù)荷等級(jí)可定為三級(jí),對(duì)于三級(jí)負(fù)荷,應(yīng)向供電局申請1路10 kV電源;若用電設(shè)備容量較小,有條件接入0.4 kV電源時(shí),可按照當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求申請1路0.4 kV電源。特殊用途或者重要性極高的調(diào)蓄池,或與常規(guī)泵站合建的調(diào)蓄池,負(fù)荷等級(jí)可定為二級(jí),二級(jí)負(fù)荷宜向供電局申請兩路10 kV電源;當(dāng)?shù)貐^(qū)供電條件困難時(shí),二級(jí)負(fù)荷可由一回10 kV專用架空線路供電。與特別重要排水設(shè)施合建的調(diào)蓄池則負(fù)荷等級(jí)定為一級(jí),應(yīng)由雙重電源供電。

2.3 供配電系統(tǒng)方案

當(dāng)項(xiàng)目負(fù)荷等級(jí)為三級(jí)時(shí),若外線采用單回0.4 kV電源進(jìn)線,0.4 kV配電系統(tǒng)可采用單母線接線方式;若外線采用單回10 kV電源進(jìn)線,10 kV高壓系統(tǒng)采用線路-變壓器組接線方式,0.4 kV側(cè)配電系統(tǒng)采用單母線接線方式。

當(dāng)項(xiàng)目負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)時(shí),若外線采用雙回10 kV進(jìn)線,10 kV高壓系統(tǒng)采用單母線分段(含分段斷路器)的接線方式,進(jìn)線斷路器與分段斷路器配置可靠的電氣聯(lián)鎖和三鎖二鑰匙機(jī)械聯(lián)鎖;若外線采用單回10 kV專用架空線路供電,10 kV高壓系統(tǒng)采用單母線接線方式。變電所應(yīng)設(shè)置兩臺(tái)變壓器,運(yùn)行方式為兩常用。0.4 kV配電系統(tǒng)采用單母線分段(含分段斷路器)的接線方式,進(jìn)線斷路器與分段斷路器配置可靠的電氣聯(lián)鎖和三鎖二鑰匙機(jī)械聯(lián)鎖。正常運(yùn)行方式下,分段斷路器分閘。當(dāng)1臺(tái)變壓器因故停運(yùn),可采用手動(dòng)切換方式將兩段0.4 kV母排切換為并列運(yùn)行,以保證重要負(fù)荷供電。

380 V系統(tǒng)采用樹干式與放射式相結(jié)合的方式向各用電設(shè)備供電。

2.4 無功功率補(bǔ)償及濾波

在變配電間低壓側(cè)設(shè)置無功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置集中補(bǔ)償,最終使10 kV側(cè)電源計(jì)量無功功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。同時(shí),若變壓器所帶負(fù)荷范圍內(nèi)有較大容量的變頻設(shè)備使用,需同時(shí)進(jìn)行諧波及三相不平衡電流的治理,滿足電業(yè)部門的考核要求。

2.5 繼電保護(hù)

采用10 kV進(jìn)線的調(diào)蓄池,10 kV開關(guān)柜繼電保護(hù)應(yīng)采用先進(jìn)的微機(jī)綜合保護(hù)裝置,具有保護(hù)、測量、通信等功能。10 kV進(jìn)線設(shè)置帶時(shí)限的速斷保護(hù)、過流保護(hù);10 kV母線分段斷路器裝設(shè)電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù),其中電流速斷保護(hù)僅在分段斷路器合閘瞬間投入,合閘后自動(dòng)解除;10/0.4 kV配電變壓器設(shè)置帶時(shí)限的過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、低壓側(cè)單相接地保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)以及溫度保護(hù)。

0.4 kV開關(guān)柜的進(jìn)線斷路器設(shè)置過負(fù)荷長延時(shí)、短延時(shí)過流保護(hù)。

低壓用電設(shè)備及饋線電纜設(shè)置短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)及接地故障保護(hù)。

2.6 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)與控制

根據(jù)GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]要求:配電母線上接有照明或其他對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷,電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí),不宜低于額定電壓的90%。

工程設(shè)計(jì)中除部分設(shè)備需根據(jù)工藝要求采用變頻調(diào)速外,其余電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)壓降計(jì)算結(jié)果,符合規(guī)定的可采用直接起動(dòng)方式,否則采用軟起動(dòng),最終使低壓配電母線起動(dòng)壓降控制在10%以內(nèi)。

大功率水泵的起動(dòng)控制裝置集中安裝在變配電間低壓開關(guān)柜內(nèi),現(xiàn)場設(shè)機(jī)旁接線按鈕箱。排空泵、排砂泵、格柵除污機(jī)、螺旋輸送壓榨機(jī)、砂水分離器等小動(dòng)力設(shè)備配套供應(yīng)就地電控箱,電動(dòng)閘閥配套供應(yīng)一體化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

參與工藝過程控制的電動(dòng)機(jī)均采用現(xiàn)場手動(dòng)(按鈕)、PLC控制(人機(jī)界面軟手動(dòng)或自動(dòng))、控制室遙控的控制方式,優(yōu)先順序?yàn)楝F(xiàn)場手動(dòng)(按鈕)→PLC控制→控制室遙控。電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)、故障信號(hào)送至PLC。

2.7 計(jì)量方式

外線電源若采用低壓進(jìn)線,則計(jì)量方式應(yīng)采用低供低計(jì);外線電源若采用高壓進(jìn)線,則采用高供高計(jì),動(dòng)力照明合計(jì),實(shí)際以當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門批復(fù)為準(zhǔn)。

2.8 電纜敷設(shè)

常規(guī)室外電纜集中的地方采用沿電纜溝敷設(shè),電纜分散的地方采用直埋敷設(shè),過路穿鋼管保護(hù)。建(構(gòu))筑物內(nèi)電纜根據(jù)實(shí)際情況采用穿預(yù)埋管、沿電纜溝、沿電纜橋架、穿管明敷等方式。

爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中的電纜應(yīng)敷設(shè)在爆炸危險(xiǎn)性較小的環(huán)境或遠(yuǎn)離釋放源。當(dāng)可燃物質(zhì)比空氣的密度大時(shí),電纜應(yīng)埋地敷設(shè)或在較高處架空敷設(shè),且對(duì)非鎧裝電纜采取穿管、托盤或槽盒等機(jī)械性保護(hù);當(dāng)可燃物質(zhì)比空氣的密度小時(shí),電纜應(yīng)在較低處穿管敷設(shè)或溝內(nèi)埋砂敷設(shè);電纜及其管、溝穿過不同區(qū)域之間的墻、板孔洞處,應(yīng)采用不燃性材料嚴(yán)密封堵。

3 照明系統(tǒng)

3.1 照明標(biāo)準(zhǔn)

主要建筑物照度標(biāo)準(zhǔn)值采用CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中的照度要求,功率密度(LPD)采用GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[6]中的目標(biāo)值。主要建筑物照度標(biāo)準(zhǔn)值及功率密度值如表1所示。

表1 主要建筑物照度標(biāo)準(zhǔn)值及功率密度值

3.2 照明裝置

在照明設(shè)計(jì)中體現(xiàn)“綠色照明”的理念。針對(duì)不同的環(huán)境及其對(duì)照度和顯色性的要求,控制室、值班室等人員長時(shí)間工作的場所選用高效節(jié)能的LED節(jié)能燈具;高大廠房等場所采用LED工廠燈;廠區(qū)路燈照明采用LED路燈或庭院燈。單燈功率因數(shù)要求0.9以上,以節(jié)約能耗。

3.3 應(yīng)急照明

配電間、值班室等根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置應(yīng)急照明。在突然斷電時(shí)仍需要堅(jiān)持工作的配電間、控制室、值班室等場所設(shè)置應(yīng)急照明。應(yīng)急照明照度不低于正常照明照度,持續(xù)供電時(shí)間不小于180 min,備用電源采用集中應(yīng)急電源EPS。

4 防雷與接地保護(hù)

4.1 防雷及過電壓保護(hù)

調(diào)蓄池內(nèi)采取防爆措施的場所,按第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)防雷措施,其余建筑物的防雷等級(jí)根據(jù)其預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)確定:建筑物預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.25次/年的按第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)防雷措施;預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于或等于0.05次/年且小于等于0.25次/年的按第三類防雷建筑物設(shè)計(jì)防雷措施;小于0.05次/年不考慮防雷措施。

變電所電源進(jìn)線側(cè)裝設(shè)避雷器作雷電侵入波過電壓保護(hù)。變電所低壓進(jìn)線處及構(gòu)筑物主配電箱進(jìn)線處裝設(shè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器,其他對(duì)電涌電壓敏感的設(shè)備處按規(guī)范設(shè)置Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)電涌保護(hù)器。

4.2 電氣裝置的電擊防護(hù)

采用直接接觸防護(hù)措施和間接接觸防護(hù)措施進(jìn)行電擊防護(hù)。配電線路一般采用過電流保護(hù)電器兼作間接接觸防護(hù)電器,當(dāng)靈敏度校驗(yàn)不符時(shí)配置剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。供給手持式電氣設(shè)備和移動(dòng)式電氣設(shè)備用電的末端線路或插座回路,均配置剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器,切斷時(shí)間不大于0.4 s。

建筑物內(nèi)將下列導(dǎo)電體作總等電位聯(lián)結(jié):總保護(hù)導(dǎo)體;電氣裝置總接地導(dǎo)體或總接地端子排、建筑物內(nèi)的水管、燃?xì)夤?、采暖和空調(diào)管道等各種金屬干管;可借用的建筑物金屬結(jié)構(gòu)部分。

4.3 接地保護(hù)

采用0.4 kV低壓進(jìn)線的項(xiàng)目接地型式可采用TT制,爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中的TT型電源系統(tǒng)應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器;采用10 kV高壓進(jìn)線的項(xiàng)目低壓配電系統(tǒng)的接地型式建議采用TN-S制。構(gòu)筑物采用結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地裝置,電氣系統(tǒng)工作接地、保護(hù)接地以及防雷接地合用接地裝置并實(shí)施總等電位聯(lián)結(jié)。根據(jù)CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]第4.11節(jié)的要求,自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作接地與低壓系統(tǒng)的保護(hù)接地宜采用聯(lián)合接地,接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。

5 爆炸危險(xiǎn)環(huán)境

GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[1]第4.4.22條規(guī)定:調(diào)蓄池可能出現(xiàn)可燃?xì)怏w的區(qū)域,應(yīng)采取防爆措施。該條條文說明為:本條為強(qiáng)制性條文,必須嚴(yán)格執(zhí)行。鑒于國內(nèi)已建成調(diào)蓄池有發(fā)生爆炸事故的案例,部分設(shè)計(jì)院在進(jìn)行調(diào)蓄池電氣設(shè)計(jì)時(shí),凡是可能出現(xiàn)可燃?xì)怏w的區(qū)域,均嚴(yán)格按照以釋放源為中心,15 m為半徑劃定防爆區(qū)。

在2022年10月施行的GB 55027—2022《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》[4]中,廢止了上述強(qiáng)制性條文。相關(guān)內(nèi)容表述為“城鎮(zhèn)排水工程中,存在有毒有害氣體或易燃?xì)怏w的格柵間、雨水調(diào)蓄池等構(gòu)(建)筑物,應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的氣體監(jiān)測和報(bào)警裝置?！?/p>

GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]指出:發(fā)生爆炸需同時(shí)滿足可燃?xì)怏w濃度在爆炸極限以內(nèi)并存在足以點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫?？紤]到城市中心用地緊張、征地困難,且部分調(diào)蓄池產(chǎn)生的可燃?xì)怏w較少或可通過除臭設(shè)備及時(shí)收集并處理,建議在產(chǎn)生硫化氫、甲烷、氨氣并會(huì)集聚形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的區(qū)域進(jìn)行電氣防爆設(shè)計(jì),不會(huì)或極難形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的場所可設(shè)置相應(yīng)的氣體監(jiān)測和報(bào)警裝置。

6 設(shè)備選型與節(jié)能

6.1 主要設(shè)備選型

設(shè)備選型應(yīng)遵循技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則,主要設(shè)備選型為:10 kV開關(guān)柜采用金屬鎧裝中置式開關(guān)柜;10/0.4 kV配電變壓器采用非晶合金干式變壓器;變電所內(nèi)低壓開關(guān)柜采用固定分隔式開關(guān)柜;電纜橋架采用節(jié)能防腐型;在戶內(nèi)以及構(gòu)筑物中敷設(shè)的電纜采用阻燃銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜,在戶外直接埋地敷設(shè)的電纜需增加鋼帶鎧裝;腐蝕環(huán)境中的電氣設(shè)備應(yīng)選用防腐型,電氣箱體外殼采用玻璃纖維加強(qiáng)聚碳酸脂防腐外殼;爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中的電氣設(shè)備應(yīng)采用隔爆型。

6.2 電氣節(jié)能

調(diào)蓄池工程可采用的主要電氣節(jié)能措施為:變電所選址深入負(fù)荷中心,節(jié)約電力電纜的用量,減少配電線路的損耗;選用非晶合金干式變壓器,減少變壓器損耗;采用在變電所380 V側(cè)設(shè)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置集中補(bǔ)償,補(bǔ)償后計(jì)量功率因數(shù)達(dá)0.95以上,功率因數(shù)提高可以減少線路損耗,達(dá)到節(jié)能目的;對(duì)于水泵、風(fēng)機(jī)等大功率設(shè)備,結(jié)合工藝對(duì)控制的需求,按需采用變頻驅(qū)動(dòng)調(diào)速技術(shù),使得設(shè)備運(yùn)行在最佳高效的工況點(diǎn),達(dá)到節(jié)能效果;照明設(shè)計(jì)時(shí),各建筑物的照明功率密度值嚴(yán)格執(zhí)行GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[6]中的規(guī)定,減少能耗;照明燈具的選用充分貫徹辦公場所采用高效節(jié)能的LED節(jié)能燈具,室外構(gòu)筑物照明采用庭院燈,光源采用LED。所有燈具單燈功率因數(shù)要求達(dá)0.9以上,以減少照明線路損耗;照明回路三相配電干線的各相負(fù)荷分配平衡,減少中性線損耗等。

7 結(jié) 語

實(shí)踐證明,調(diào)蓄池工程能有效提高城市排水防澇并控制面源污染,合理的電氣設(shè)計(jì)是調(diào)蓄池項(xiàng)目穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行的重要保障。但在城市建設(shè)用地緊張及地塊條件復(fù)雜的情況下,如何精準(zhǔn)地對(duì)調(diào)蓄池防爆區(qū)域進(jìn)行劃分,減少土地面積的征用并降低設(shè)備防護(hù)的投資,仍需要更進(jìn)一步地研究與探索。