江門河道綜合治理工程公益泵閘電氣一次設(shè)計(jì)分析

謝悅毅

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司， 廣東 江門 529000)

近幾年來隨著江門市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，西江、潭江流域支流河道的水安全及水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，由于各支流的水污染控制與治理措施滯后，河道排澇能力低、水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)自凈能力逐漸減弱。為了改善流域內(nèi)水環(huán)境，給人民群眾提供一個(gè)良好的居住環(huán)境，亟須對西江、潭江流域重點(diǎn)跨縣河流(水系)進(jìn)行綜合治理，其中包括公益泵閘新建項(xiàng)目。由于公益水每年遇暴雨、漲潮、洪水時(shí)，堤岸兩側(cè)集鎮(zhèn)、村莊及農(nóng)田低洼處容易受淹，且無法外排，加上沿河兩岸受土地約束影響，難以采取堤防達(dá)標(biāo)加固措施。為此，需在公益水河口處新建公益泵閘。該工程實(shí)施完成后，不僅能夠改善公益區(qū)域內(nèi)的水體環(huán)境，而且提高區(qū)域內(nèi)排澇能力。

1工程概況

新建公益泵閘建于公益水河口，屬于潭江臺山段，是一座水閘和泵站結(jié)合的樞紐建筑物。建設(shè)內(nèi)容包括閉口閘和排澇泵站，水閘建在河口處，建設(shè)規(guī)模為56 m，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)的建議，孔數(shù)宜用單數(shù)，則水閘采用7孔×8 m。閘室采用2孔一聯(lián)+3孔一聯(lián)+2孔一聯(lián)的布置方式，每聯(lián)內(nèi)的中墩厚度1.30 m、每聯(lián)之間的閘墩厚度2.00 m，則閘孔總寬度65.20 m(不含邊墩)，比現(xiàn)有河道寬度大3.20 m。 泵站建于公益水閘右側(cè)，原河床處，建設(shè)規(guī)模為48 m3/s，并選用4臺1800QGWZ-125型水泵(φ=+20)，轉(zhuǎn)速n=257 r/min，設(shè)計(jì)流量Q=49.92 m3/s。水泵配套10 kV高壓電動(dòng)機(jī)，電機(jī)裝機(jī)功率3600 kW，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)，泵站等別屬Ⅲ等，為中型泵站。考慮到該工程的用電設(shè)備較多，且都是功率較大的泵組和水閘，為此，本次電氣一次設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求采用10 kV高壓單電源進(jìn)行供電，以確保工程用電正常及合理[1-3]。

2 電氣設(shè)計(jì)方案

2.1 供電電源設(shè)計(jì)

2.1.1 負(fù)荷等級

由于泵閘具有防洪抗?jié)?、調(diào)節(jié)水資源等功能，能夠保障公益鎮(zhèn)內(nèi)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，選擇安全可靠的供電系統(tǒng)及電氣設(shè)備是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?？紤]到該工程的重要性，本次公益泵閘用電負(fù)荷均屬非工業(yè)用電，負(fù)荷等級為三級，為了確保供電的安全與穩(wěn)定性，本次采用10 kV高壓單電源供電。站內(nèi)主要用電設(shè)備容量表1所示。

2.1.2 電源接入方式

該泵公益閘水泵機(jī)組采用10 kV高壓單電源進(jìn)行供電，電源接自附近10 kV農(nóng)網(wǎng)，電源點(diǎn)距本泵閘約1500 m(通道)，確切接入點(diǎn)以當(dāng)?shù)毓╇姴块T出具的正式用電批復(fù)為準(zhǔn)。站用低壓電氣設(shè)備的電壓等級為AC220/380 V，經(jīng)站用主變器降壓后再經(jīng)低壓配電柜分配到各用電設(shè)備。

表1 站內(nèi)主要用電設(shè)備容量

由于泵閘水泵機(jī)組有4臺，且單機(jī)容量均為900 kW，4臺總?cè)萘繛?600 kW，考慮到供電電源接自附近10 kV農(nóng)網(wǎng)架空線路，為減小水泵機(jī)組起動(dòng)時(shí)對附近用戶的影響，一般大功率水泵機(jī)組，可根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姴块T的要求，采用軟起動(dòng)方式的高壓干式調(diào)壓軟起動(dòng)柜進(jìn)行啟動(dòng)，通過在高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)回路中串聯(lián)PLC，以達(dá)到電動(dòng)機(jī)電壓可調(diào)的軟起動(dòng)效果。這種起動(dòng)柜因具有設(shè)計(jì)一體化，體積小，安全性能高，過載能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)范圍大，無諧波污染，免維護(hù)，適用于各種苛刻的環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)，在各類工程中得到了廣泛應(yīng)用，為此，在本次工程電氣設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

2.1.3 電氣主接線

泵閘電氣主接線一般是根據(jù)泵閘型式、規(guī)模、裝機(jī)容量、電壓等級、運(yùn)行方式及負(fù)荷性質(zhì)等來設(shè)計(jì)，為此，泵閘還需新建一座戶內(nèi)型開關(guān)站，內(nèi)設(shè)高、低壓配電室。根據(jù)江門市供電部門要求，公益泵閘高壓開關(guān)站10 kV側(cè)采用單母線接線，按一進(jìn)一計(jì)五出四補(bǔ)償配置，水泵機(jī)組采用放射式供電。

而站用0.4 kV側(cè)為單母線接線，同時(shí)，根據(jù)各站日常管理檢修用電容量計(jì)算，計(jì)劃安裝一臺200 kVA站用變，在站用變低壓側(cè)配置有參考計(jì)量柜、無功補(bǔ)償柜、配電柜。為此，站用低壓電氣設(shè)備采用放射式、樹干式及混合式接電方式。這種供電方式不僅操作簡單，方便集中控制，同時(shí)還能夠保障供電的可靠性，即使一路電源在出現(xiàn)故障，也不會影響到其他電源的正常使用，具有較高的負(fù)荷供電可靠性。

2.2 主要電氣設(shè)備設(shè)計(jì)

2.2.1 短路計(jì)算

因暫無電力系統(tǒng)短路及輸電線路資料，計(jì)算時(shí)系統(tǒng)按200 MVA考慮，系統(tǒng)電抗為XC=0.5，輸電線路按10 km考慮，取基準(zhǔn)容量Sj=100 MVA，Uj=10.5 kV，Ij=5.5 kA。本泵閘主接線標(biāo)識、各元件電抗的標(biāo)幺值表及短路電流計(jì)算表分別如圖1、表2及表3所示。

表2 各元件電抗的標(biāo)幺值

2.2.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的計(jì)算

當(dāng)由無限大電源容量的系統(tǒng)供電時(shí)，假定電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行前的母線電壓等于網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓，即為Um=10 kV。因暫無電力系統(tǒng)短路及輸電線路資料，計(jì)算時(shí)供電變壓器容量ST按30 MVA考慮，供電線路長度l按5 km考慮。則起動(dòng)時(shí)母線電壓下降的計(jì)算如式(1)、式(2)：

(1)起動(dòng)回路的額定輸入容量Ss t：

Ss t M=ks tSr M

(1)

(2)母線電壓相對值us t m：

Qfh=0.6(ST-SrM)

(2)

式中：Ss tM為電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量，MVA；X1為電纜線路電抗，取0.091 Ω；kst為電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)電流倍數(shù)，取5倍；SrM為電動(dòng)機(jī)額定容量，取1.29 MVA；Skm為母線短路容量，MVA，取200 MVA；Qfh為預(yù)接負(fù)荷的無功功率，MVA。經(jīng)計(jì)算Sst=6.25 MVA,ustm=0.97。

圖1 泵閘主接線標(biāo)識

表3 短路電流計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，本工程電動(dòng)機(jī)可采用直接起動(dòng)方式啟動(dòng)，由于本工程供電電源接自公用電網(wǎng)，其他的接入負(fù)荷等級未明，基于此，本工程為了減小水泵機(jī)組起動(dòng)時(shí)對附近用戶的影響，一般大功率水泵機(jī)組，當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求采用軟起動(dòng)方式啟動(dòng)。

2.2.3 主要電氣設(shè)備選用設(shè)計(jì)

(1)站用變壓器選用。 一直以來，在選擇站用變壓器的容量時(shí)，一般會遵從一臺站變退出運(yùn)行時(shí)，另外一臺能夠承擔(dān)重要占用負(fù)荷的原則。為此，本工程變壓器容量的計(jì)算根據(jù)泵閘總負(fù)荷、水泵電機(jī)組設(shè)備以及運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算。得出站用變壓器的容量<400 kVA，考慮到公益泵閘工程的重要性與選擇原則，本次站用變壓器額定容量采用160 kVA，額定電壓選用10(10.5)±2×2.5%/0.4 kV，阻抗電壓確定Ud%=4，連接組別為D，yn11。

(2)高、低壓配電裝置。 在公益泵閘電氣設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同容量的變壓器選擇不同的開關(guān)設(shè)備，結(jié)合本工程變壓器額定容量是160 kVA，為此，工程高壓配電裝置的隔離開關(guān)采用GW9-10/630A，氧化鋅避雷器選用YH5WS-17/50FT，中置柜選KYN28-12，高壓干式調(diào)壓軟起動(dòng)柜采用KYN28-12(內(nèi)裝有啟動(dòng)器、斷路器及保護(hù)裝置、儀表等)，高壓電容補(bǔ)償柜采用TBB10-320(內(nèi)裝有高壓電容、真空接觸器及保護(hù)裝置、儀表等)；而低壓配電裝置的低壓配電柜選用GGD3、GJD2型，低壓配電箱選擇XL-21、XM、XK1，氧化鋅避雷器選YH5W-0.28/1.5 kV。

(3)導(dǎo)線及電纜。 公益泵閘工程的電纜一般包括高壓電纜和低壓電纜兩種，這些電纜一般都是具有阻燃型交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套的，在設(shè)計(jì)時(shí)，高壓電力電纜可選用FY-YJV22-8.7/15 kV型，能用于10 kV進(jìn)線、出線到變壓器的高壓；而低壓電力電纜可選YJV-0.6/1 kV型、ZR-VV-0.6/1 kV型或ZR-VV22-0.6/1 kV型，可適用于0.4 kV的低壓配電回路；低壓導(dǎo)線選用ZR-BVV-450/750V型，控制電纜采用ZR-KVVP-450/750V型。

本工程擬安裝的主要電氣設(shè)備見表4。

表4 主要電氣設(shè)備情況

2.3 繼電保護(hù)及防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)繼電保護(hù)相關(guān)規(guī)范要求，公益泵閘工程的電源進(jìn)線是電纜進(jìn)線，考慮到電源接自附近10 kV 農(nóng)網(wǎng)架空線路，為此，在設(shè)計(jì)繼電保護(hù)時(shí)應(yīng)遵循相關(guān)要求，具體如下：

(1)10 kV開關(guān)站內(nèi)成套高壓開關(guān)柜應(yīng)選擇裝設(shè)真空斷路器，配有微機(jī)型綜合繼電保護(hù)裝置、并自帶有通信端口，具有電流速斷、過流、過負(fù)荷等保護(hù)功能的高壓開光柜。

(2)高壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇真空斷路器保護(hù)，配置有微機(jī)型電動(dòng)機(jī)綜合繼電保護(hù)裝置,并自帶有通信端口，具有過負(fù)荷、過流、短路、低電壓、過熱及啟動(dòng)時(shí)間過長等保護(hù)的裝置。

(3)基于高壓電容器組投切均是通過無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置來控制主回路真空接觸器的合分來實(shí)現(xiàn)，為此，應(yīng)選擇配置有微機(jī)型電容器保護(hù)裝置，并自帶有通信端口，具有電流速斷、過流保護(hù)、過壓保護(hù)及失壓保護(hù)等功能。

(4)低壓側(cè)則可以選擇塑殼開關(guān)做過流保護(hù)，以防止發(fā)生短路或接地故障時(shí)，塑殼開關(guān)可以自動(dòng)跳閘，切除故障線路或設(shè)備，以確保工程用電安全。

2.3.2 防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

公益泵閘的接地系統(tǒng)采用聯(lián)合接地的方式，其防雷和接地共用一個(gè)接地系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄妆┤諗?shù)據(jù)，本工程水工建筑物均是按三類防雷建筑物設(shè)計(jì)防雷措施，為此，本工程采用防直擊雷和雷電波侵入措施。

(1)防直擊雷。 為了防止直擊雷所產(chǎn)生的損害，在設(shè)計(jì)泵閘天面時(shí)，可采用避雷帶做接閃器，并與天面鋼筋形成不大于20 m×20 m或24 m×16 m的網(wǎng)格；天面上所有金屬物均與防雷裝置可靠連接；安裝在建筑物立面的無金屬外殼的電氣設(shè)備不應(yīng)布置在避雷網(wǎng)之外；利用建筑物邊柱內(nèi)的主筋做引下線，利用建筑物基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋網(wǎng)做接地裝置。

(2)防雷電波入侵。為了防止雷電侵入波引起的過電壓，需將進(jìn)入建筑物的電力電纜、金屬管線均與接地裝置可靠連接；并在10 kV高壓柜內(nèi)均裝設(shè)有氧化鋅避雷器；在站用低壓總電源箱處裝設(shè)浪涌保護(hù)器。

(3)接地系統(tǒng)。利用水工建筑物礎(chǔ)鋼筋作為接地裝置，將泵閘與防洪閘啟閉室的接地網(wǎng)連通，所有防雷與強(qiáng)、弱電系統(tǒng)均共用接地裝置，接地電阻值按不大于1 Ω進(jìn)行設(shè)計(jì)，為此，本工程配電系統(tǒng)接地形式采用TN-S系統(tǒng)，使所有外露可導(dǎo)電部分均與PE線能夠安全可靠連接。

3 結(jié) 語

西江、潭江流域支流河道綜合治理工程能夠改善河流水環(huán)境，提高水體質(zhì)量。而公益泵閘工程的電氣一次設(shè)計(jì)作為保證工程順利開展實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要按照相關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使工程電氣設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、可靠性，以確保工程用電的合理、安全。這對提升公益泵閘防洪排澇能力具有十分重要的作用。