李盛達(dá)

(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(shè)備設(shè)置及自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，了解水利泵站如何利用電氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)排澇、灌溉功能，也為水利泵站建設(shè)管理提供一些參考。在實(shí)際工作中，通過學(xué)習(xí)和分析水利泵站更新改造工程的電氣設(shè)備及其自動(dòng)化，能夠提高水利工作人員的專業(yè)水平和技術(shù)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(yùn)行，確保工程發(fā)揮實(shí)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(wù)是為圍內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供排澇、灌溉服務(wù)。東岸泵站更新改造后總裝機(jī)容量為5460kW，其中排澇裝機(jī)容量為4800kW，灌溉裝機(jī)容量為660kW。安裝6臺(tái)1700ZXB11.5-4.16型30°斜式軸流水泵，配套電機(jī)為6×800kW，泵站設(shè)計(jì)排水流量為70.2m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.16m。安裝2臺(tái)潛水軸流泵(1200ZDB-100)，電機(jī)功率為2×330kW，灌溉設(shè)計(jì)流量為8.1m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.95m，設(shè)計(jì)灌溉面積9686.67hm2。其余主要設(shè)備有：吊車為葫蘆雙梁橋式起重機(jī)，起重量16/5t，跨度14.3m。排澇防洪閘閘門啟閉機(jī)為3臺(tái)QPQ-2×150kN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。灌溉泵站灌溉防洪閘門由1臺(tái) QPQ-2×100kN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)負(fù)責(zé)啟閉。

東岸泵站綜合利用自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及圖像監(jiān)視和通信技術(shù)，建成一套先進(jìn)的自動(dòng)化控制和監(jiān)視系統(tǒng)，以提高工程的安全性，促進(jìn)泵站科學(xué)化、現(xiàn)代化的管理。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)能監(jiān)控整個(gè)泵站設(shè)備運(yùn)行情況，包括6臺(tái)排澇機(jī)組和2臺(tái)灌溉機(jī)組、直流系統(tǒng)、技術(shù)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(cè)量、雨量等水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2 水利泵站改造工程的電氣一次及二次設(shè)備設(shè)置

2.1 電氣一次設(shè)備

2.1.1 接入電力系統(tǒng)

對(duì)于東岸泵站更新改造工程來說，泵站排水設(shè)計(jì)流量70.2m3/s，灌溉設(shè)計(jì)流量8.1m3/s，總裝機(jī)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(fù)荷等級(jí)為二級(jí)。

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(gè)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(dān)潼湖96.94km2雨水收集區(qū)的排水任務(wù)和1.33萬hm2耕地的灌溉任務(wù)，地位非常重要；②根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50052-2016)規(guī)定，結(jié)合泵站規(guī)模、區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(fù)荷的要求[1]。兩回線路電源接入點(diǎn)如圖1所示。

回路Ⅰ：接惠州110kV潼湖變電站，供電電壓等級(jí)10kV，輸電距離5.0km，使用電纜線路。目前該回路已通過驗(yàn)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(yùn)行供電，線路電源接入點(diǎn)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(shí)施與補(bǔ)償辦理涉及東莞和惠州兩市，組織實(shí)施難度較大，目前該線路建設(shè)仍在協(xié)商當(dāng)中。

2.1.2 電氣主接線

東岸泵站設(shè)計(jì)有兩條10kV電源進(jìn)線、六條排水電機(jī)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(guān)柜選用KYN28A-12型鎧裝移開式交流金屬封閉開關(guān)柜，開關(guān)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(duì)較好，因此，東岸泵站10kV側(cè)為單母線分段接線，設(shè)置母聯(lián)斷路器。泵站設(shè)計(jì)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(fù)荷，保證六臺(tái)排澇水泵和二臺(tái)變壓器穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)線柜開關(guān)閉合，1G08聯(lián)絡(luò)柜開關(guān)閉合，1G15進(jìn)線柜開關(guān)斷開。當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，由備用電源橋頭變電站供電，即1G01進(jìn)線柜開關(guān)斷開，1G08聯(lián)絡(luò)柜開關(guān)閉合，1G15進(jìn)線柜開關(guān)閉合。1G01、1G15進(jìn)線柜開關(guān)實(shí)行自動(dòng)備投，即1G01斷開，1G15自動(dòng)閉合，反之亦然；1G01、1G15進(jìn)線柜開關(guān)、1G08聯(lián)絡(luò)柜開關(guān)之間實(shí)行電氣機(jī)械聯(lián)鎖，即1G01、1G15進(jìn)線柜兩個(gè)開關(guān)閉合時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)不得閉合；1G01或1G15進(jìn)線柜開關(guān)與1G08聯(lián)絡(luò)柜開關(guān)閉合時(shí)，1G15或1G01進(jìn)線柜開關(guān)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(shè)，目前僅單電源供電。

2.1.3 變壓器

泵站設(shè)一臺(tái)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(shè)備及照明設(shè)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(dǎo)體系統(tǒng)采用三相四線制，低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)方式采用TN-S系統(tǒng)。站用電的主要負(fù)荷為：防洪閘門、管養(yǎng)樓、格柵清污機(jī)、檢修設(shè)備、橋式起重機(jī)、泵房及廠房照明、電動(dòng)葫蘆、抓斗式清污機(jī)、電機(jī)加熱器、勵(lì)磁裝置、檢修滲漏排水泵、技術(shù)供水泵、消防供水泵、UPS設(shè)備、直流系統(tǒng)等設(shè)備。采用綜合系數(shù)法計(jì)算泵站用電負(fù)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(shè)備運(yùn)行需求，另設(shè)有一臺(tái)100kW柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用電源。

泵站還設(shè)一臺(tái)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(jī)組用電要求。

2.1.4 電動(dòng)機(jī)

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

設(shè)計(jì)時(shí)排澇泵組可選用異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，以下對(duì)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行定性比較。

異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低造價(jià)，維護(hù)、運(yùn)行方便。缺點(diǎn)是需要裝設(shè)電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，因當(dāng)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(huì)發(fā)生漏油事故，對(duì)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(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)高，電機(jī)起動(dòng)電流較小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，必要時(shí)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(qiáng)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多了滑環(huán)、碳刷及勵(lì)磁系統(tǒng)，運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜，整體造價(jià)比異步電動(dòng)機(jī)高約10%。

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

2.1.5 防雷及接地

配電裝置的防雷配置應(yīng)符合相關(guān)法規(guī)和規(guī)范的要求。在10kV進(jìn)線電源側(cè)安裝氧化鋅避雷器組，以保護(hù)主要電氣設(shè)備在各種運(yùn)行模式下免受雷擊波的影響。每個(gè)斷路器柜中安裝三相組合過電壓保護(hù)器，以防止過電壓危及電機(jī)等電氣設(shè)備。泵站建筑物按三類建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置直擊雷防護(hù)裝置。屋面采用避雷帶保護(hù)，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(diǎn)不接地系統(tǒng)，結(jié)合泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的要求，泵站配有接地網(wǎng)，充分利用泵站基礎(chǔ)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(shè)備等均應(yīng)與接地網(wǎng)連接，以保護(hù)人身和設(shè)備安全[3]。

2.2 電氣二次設(shè)備

2.2.1 繼電保護(hù)

保護(hù)裝置采用微機(jī)保護(hù)裝置，10kV進(jìn)線及分段母線、10kV電動(dòng)機(jī)、1000kVA及400kVA變壓器等10kV設(shè)備的保護(hù)裝置安裝在相應(yīng)的10kV高壓開關(guān)柜上。根據(jù)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》及《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》配置。泵站的保護(hù)配置如下：

1)10kV進(jìn)線(母線)保護(hù)配置：定時(shí)限電流速斷保護(hù)、低電壓保護(hù)、單相接地保護(hù)。

2)電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置： 電流速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、失步保護(hù)、失磁保護(hù)。

3)變壓器保護(hù)配置：電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、單相接地保護(hù)。

2.2.2 直流系統(tǒng)

泵站配備一套220V直流系統(tǒng)，用于保護(hù)、操作、信號(hào)裝置供電和應(yīng)急照明。直流裝置選用高頻開關(guān)電源設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)高頻充電的智能監(jiān)控。

2.2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)

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

3 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

東岸泵站采用“計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、簡(jiǎn)化常規(guī)控制為輔”的監(jiān)控方式。自動(dòng)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(shè)備、閘門及啟閉機(jī)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(yù)留功能，以便將來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(luò)交換機(jī)采用工業(yè)級(jí)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(jí)監(jiān)控層LCU采用雙絞線連接，保證信號(hào)的可靠傳輸?，F(xiàn)地控制單元包括1—8號(hào)泵組現(xiàn)地控制單元(1—4LCU，2臺(tái)泵組設(shè)1套LCU)、公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元(5LCU)、防洪閘門現(xiàn)地控制單元(6LCU)及技術(shù)供水現(xiàn)地控制單元(7LCU) ，共7套現(xiàn)地控制單元。每個(gè)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(jī)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(yùn)行監(jiān)視及預(yù)警、自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)、人機(jī)聯(lián)系、運(yùn)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(shè)管理中，通過運(yùn)用電氣技術(shù)發(fā)揮工程效益，促進(jìn)水利工程管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化，能夠更好保證水利工程運(yùn)行效率和安全，更好地滿足社會(huì)發(fā)展要求。泵站作為重要的水利工程，使用電氣設(shè)備及自動(dòng)化技術(shù)，能夠更好操控泵站設(shè)備運(yùn)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(shè)與管理水平，促進(jìn)我國水利事業(yè)健康發(fā)展。