自來水廠35 kV 變電站電氣設(shè)計(jì)

郭 棟，李建濤

（1.天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300190；2.中海營(yíng)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300381）

隨著用水量的急劇增加，自來水廠的供水規(guī)模和工藝處理深度也在提高，因此自來水廠的電氣設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。就自來水廠生產(chǎn)運(yùn)行而言，變配電系統(tǒng)影響著自來水廠的穩(wěn)定運(yùn)行和收益，所以安全、可靠、節(jié)能地進(jìn)行變配電設(shè)計(jì)，是保證自來水廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的必備的條件。

1 自來水廠的電氣特點(diǎn)和電氣設(shè)計(jì)原則

1.1 電氣特點(diǎn)

目前的自來水廠為了增加供水能力、提高供水質(zhì)量、降低運(yùn)行成本及增加收益，改變了以往分散控制的方式，朝著高度集中的自動(dòng)化發(fā)展。自來水廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，既可以節(jié)省人工成本，又可以提高生產(chǎn)的可靠性和安全性，最終實(shí)現(xiàn)自來水廠的優(yōu)質(zhì)高效供水。自來水廠要滿足生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化要求，保障變配電系統(tǒng)能夠?yàn)樽詠硭畯S可靠供電，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.2 電氣設(shè)計(jì)原則

自來水廠電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循如下原則[1]：①要保證變電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，在滿足變配電的現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范同時(shí)，還要進(jìn)一步滿足自來水廠的可靠運(yùn)行要求，采用雙回路供電；②在保證安全可靠的前提下，要考慮節(jié)能，根據(jù)電壓等級(jí)、負(fù)荷大小、設(shè)備容量、設(shè)備型號(hào)等進(jìn)行綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到節(jié)約成本的目的；③根據(jù)工藝和電氣設(shè)備的控制要求，選擇合理的啟停方式，減少電氣設(shè)備本身和對(duì)電網(wǎng)的影響，并減少啟動(dòng)能量的損耗。

2 變配電系統(tǒng)分析

本工程擬在自來水廠內(nèi)新建一座專用變電站（以下簡(jiǎn)稱“本站”），經(jīng)與當(dāng)?shù)仉娏究头贤ㄔO(shè)計(jì)要求，變電站電壓等級(jí)確定為35 kV/6 kV/0.4 kV。自來水廠外線進(jìn)廠電壓等級(jí)為35 kV，送水泵房6 臺(tái)送水泵額定電壓為6 kV，其余用電設(shè)備均為0.4 kV/0.22 kV。

根據(jù)自來水廠工藝設(shè)備用電負(fù)荷分布，在廠內(nèi)設(shè)置一座35 kV 總變配電室，變配電室內(nèi)設(shè)主變壓器室、35 kV 開關(guān)室、6 kV 開關(guān)室、6 kV 配電室、6 kV 電容補(bǔ)償室、控制室和值班室等。

35 kV 側(cè)采用單母線分段接線方式，從廠外2 個(gè)不同的變電站各引一路35 kV 電源供電，2 路電源同時(shí)工作，互為備用。變電站內(nèi)設(shè)2 臺(tái)4 000 kVA/35 kV/6.3 kV有載調(diào)壓油浸變壓器，帶動(dòng)自來水廠全部用電負(fù)荷運(yùn)行。6 kV 側(cè)采用單母線分段接線，出線10 回。

35 kV 變電站6 kV 側(cè)的2 段母線分別向進(jìn)水泵房變配電室、本站6 kV 配電室各提供2 路6 kV 電源。所有負(fù)荷的6 kV2 路電源均是互為備用，其中的任何一路電源均能帶100%的負(fù)荷運(yùn)行。

根據(jù)全廠用電負(fù)荷的分布及工藝流程，自來廠共設(shè)置2 個(gè)低壓變配電系統(tǒng)，如圖1 所示。其中一個(gè)低壓變配電系統(tǒng)設(shè)置在35 kV 變電站6 kV 配電室，主要負(fù)責(zé)送水泵房、污泥系統(tǒng)、炭吸附脈沖澄清車間、加氯加藥加氨間、顆粒活性炭吸附池、機(jī)修間和傳達(dá)室等系統(tǒng)用電設(shè)備的供配電、控制及保護(hù)。6 kV 配電室設(shè)2 臺(tái)SCB13 型1 250 kVA 干式變壓器。另一個(gè)低壓變配電系統(tǒng)設(shè)置在進(jìn)水泵房變配電室，主要負(fù)責(zé)進(jìn)水泵房、換熱站等系統(tǒng)用電設(shè)備的供配電、控制及保護(hù)。低壓配電室設(shè)2 臺(tái)SCB13 型800 kVA 干式變壓器。2 個(gè)低壓變配電系統(tǒng)的變壓器均為一用一備運(yùn)行，在2段低壓母線基本平均分配用電負(fù)荷，以達(dá)到2 段母線用電負(fù)荷運(yùn)行平衡，通過放射式供配電給工藝用電設(shè)備[2]。

圖1 全廠主接線圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概述

自來水廠規(guī)模為25 萬m3/d，采用“預(yù)氧化劑投加+炭吸附脈沖澄清池+中臭氧+上向流顆?；钚蕴课匠?V 型濾站+污泥處理系統(tǒng)”工藝方案。本文主要論述自來水廠變電站電氣設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括電氣一次、電氣二次等，節(jié)能設(shè)計(jì)貫穿于不同的環(huán)節(jié)。

3.2.1 電氣一次

本站一次設(shè)計(jì)主要包括電氣主接線、短路電流計(jì)算、系統(tǒng)接地方式、無功補(bǔ)償、主要設(shè)備選擇、絕緣配合及過電壓保護(hù)、接地、污穢等級(jí)。

電氣主接線：本站最終主變規(guī)模為2×4 MVA；預(yù)留2 路為Ⅱ期8 MVA 供電電源。35 kV 采用單母線分段接線，母線設(shè)35 kV 進(jìn)線隔離、進(jìn)線開關(guān)、計(jì)量、母線PT（電壓互感器）、主變出線、線路出線各2 回；2 段母線之間設(shè)分段設(shè)備1 組。6 kV 側(cè)采用單母線分段接線，每段設(shè)受總柜、PT 柜、電容器柜、出線柜，線路出線各5 回，2 段母線之間設(shè)分段設(shè)備1 組。35 kV主變出線開關(guān)柜與主變壓器高壓側(cè)之間采用架空軟導(dǎo)線連接，主變與6 kV 總開關(guān)柜之間采用共箱母線連接。

短路電流計(jì)算：依照《某市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)原則》的規(guī)定，本站35 kV 及6 kV 設(shè)備短路水平均按照不小于25 kA、4 s（25 kA 指額定峰值耐受電流峰值，4 s 指額定短路持續(xù)時(shí)間為4 s）設(shè)計(jì)，后期再根據(jù)上級(jí)電源點(diǎn)詳細(xì)計(jì)算。

系統(tǒng)接地方式：本站上級(jí)電源點(diǎn)未定，暫時(shí)按照35 kV 側(cè)為不接地系統(tǒng)，主變35 kV 中性點(diǎn)本期不接地。本站6 kV 出線均為電纜方式。經(jīng)計(jì)算，最大單相短路電容電流約為3.2 A。故本站6 kV 側(cè)中性點(diǎn)按不接地方式設(shè)計(jì)。

無功補(bǔ)償：本站根據(jù)計(jì)算，在每臺(tái)主變壓器6 kV側(cè)裝設(shè)1 組（250+300+450）kVаr 的電容器組，相當(dāng)于主變?nèi)萘康?0%，補(bǔ)償容量可隨用電負(fù)荷的增減進(jìn)行調(diào)整。

主要設(shè)備選擇： 本站變壓器選用SZ11-4 000 kVA/35 kV（阻抗電壓Ud=7%、電壓為35±3×2.5%/6.3 kV）YNd11 三相、雙繞組、有載調(diào)壓、油浸式電力式變壓器。35 kV/6 kV 開關(guān)柜選用KYN 型鎧裝移開式交流金屬封閉開關(guān)柜，內(nèi)設(shè)真空斷路器，柜內(nèi)電流互感器、電壓互感器為干式，避雷器為金屬氧化鋅避雷器。6 kV 電容器組選用成套柜式設(shè)備，每組容量為（250+300+450）kVаr，單星形接線。

絕緣配合：絕緣配合如表1、表2 所示。

表1 35 kV 電氣設(shè)備耐受電壓

表2 6.3 kV 電氣設(shè)備耐受電壓

過電壓保護(hù)：本站在35 kV 電源進(jìn)線及母線、6.3 kV 各段母線及出線各裝設(shè)一組氧化鋅避雷器，防止雷電過電壓及操作過電壓。在6.3 kV 電容器組處裝設(shè)專用氧化鋅避雷器，防止操作過電壓。35 kV 避雷器標(biāo)稱放電電流按5 kA 設(shè)計(jì)，2 ms 方波通流不小于600 A；6 kV 避雷器標(biāo)稱放電電流按5 kA 設(shè)計(jì)，2 ms方波通流不小于300 A；絕緣配合系數(shù)不小于1.4。

接地：本站采用綜合接地系統(tǒng)，強(qiáng)弱電設(shè)備工作接地，安全接地及防雷接地共用接地裝置，接地電阻不大于0.5 Ω。室外設(shè)閉合網(wǎng)狀人工接地裝置，由垂直接地極和水平接地極組成。垂直接地極采用角鋼（寬50 mm×厚5 mm×長(zhǎng)2 500 mm），上端打入地下至0.8 m；水平接地體采用鍍鋅扁鋼（寬50 mm×厚5 mm），連接處采用放熱熔焊工藝焊接。室內(nèi)設(shè)環(huán)狀接地干線，沿墻面明敷，接地干線及各設(shè)備接地線均采用鍍鋅扁鋼（寬50 mm×厚5 mm）。

污穢等級(jí)：本站室外污穢等級(jí)應(yīng)為d 級(jí)，統(tǒng)一爬電比距為大于等于43.3 mm/kV；室內(nèi)污穢等級(jí)為с 級(jí)，統(tǒng)一爬電比距為大于等于34.7 mm/kV。35 kV 系統(tǒng)電壓取40.5/kV，6 kV 系統(tǒng)電壓取12/kV。

3.2.2 電氣二次

本站二次設(shè)計(jì)主要包括：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、站用電系統(tǒng)、交流不停電電源系統(tǒng)、計(jì)量。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：本站采用集繼電保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)、控制、遠(yuǎn)動(dòng)功能為一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，站內(nèi)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控“三遙”功能。其操作控制方式采用分層控制方式，同一時(shí)刻只允許（操作員站和測(cè)控裝置面板操作）一種控制方式有效。測(cè)控裝置配置“遠(yuǎn)方/就地”切換開關(guān)選擇控制方式。間隔層設(shè)備設(shè)獨(dú)立于裝置之外的“遠(yuǎn)方/就地”把手及操作把手，遙控控制回路設(shè)壓板，就地操作經(jīng)五防閉鎖控制輸出。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用開放式分層分布結(jié)構(gòu)，由站控層、間隔層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。間隔層與站控層信息通信采用以太網(wǎng)連接，以太網(wǎng)通信介質(zhì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件選擇光纖或屏蔽雙絞線；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用間隔層設(shè)備直接上站控層網(wǎng)絡(luò)，測(cè)控裝置直接與站控層通訊的結(jié)構(gòu)。本站設(shè)微機(jī)監(jiān)控后臺(tái)設(shè)備1 套，完成對(duì)變電站內(nèi)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制；同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)為其他6 kV 變電站的接入預(yù)留接口，接入后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)6 kV 變電站的集中監(jiān)視和控制。

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)：本站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)為中心，采用單套專用獨(dú)立設(shè)備，經(jīng)以太網(wǎng)與保護(hù)測(cè)控裝置通訊，把采集的數(shù)據(jù)送至主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后上傳至供電局調(diào)度端。

繼電保護(hù)：為了提高管理水平和供電系統(tǒng)的可靠性，本工程的35 kV、6 kV 高壓系統(tǒng)的繼電保護(hù)均采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置。本站變、配電設(shè)備保護(hù)安裝方式全部采用微機(jī)保護(hù)，主變保護(hù)集中組屏安裝于二次設(shè)備室內(nèi)，其余保護(hù)裝置就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)。本站設(shè)置保護(hù)配置為35 kV 進(jìn)線保護(hù)、主變壓器保護(hù)、35 kV線路保護(hù)、35 kV 分段斷路器保護(hù)、6.3 kV 線路保護(hù)、6.3 kV 電容器組出線及電容器組保護(hù)、6.3 kV 分段斷路器保護(hù)。

自動(dòng)裝置：本站設(shè)置35 kV 分段開關(guān)自投、6.3 kV分段開關(guān)自投和低頻低壓減載裝置。

站用電系統(tǒng)：站內(nèi)設(shè)50 kVA 站用變壓器臺(tái)，其電壓等級(jí)為6±2×2.5%/0.4 kV，分別設(shè)在6 kV 側(cè)2 段母線上，作為全站的照明、動(dòng)力、儲(chǔ)能等交流電源。站用低壓側(cè)采用2 段單母線接線，正常運(yùn)行時(shí)2 段母線分列運(yùn)行，2 路所用電源線經(jīng)雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)后接至站用電低壓母線。站用電容量按滿足全站用電負(fù)荷選擇，并滿足一臺(tái)變帶全站負(fù)荷，重要的用電負(fù)荷采用雙回路供電方式[3]。

交流不停電電源系統(tǒng)：本站配置容量為5 kVA 的電力專用UPS（不間斷電源）供站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)五防系統(tǒng)等重要設(shè)備用電。引入1 路直流電源、2 路交流電源。逆變電源不單獨(dú)設(shè)電池組，與站內(nèi)直流系統(tǒng)共用蓄電池。交流不停電電源系統(tǒng)單獨(dú)組屏。

計(jì)量：本站在35 kV 側(cè)設(shè)計(jì)量柜，內(nèi)設(shè)專用計(jì)費(fèi)CT（電源互感器）、PT，計(jì)量裝置接線方式為三相三線制，在二次設(shè)備室設(shè)一面計(jì)量屏，屏內(nèi)設(shè)計(jì)量表計(jì)及負(fù)控裝置，計(jì)量用電能表有功精度采用0.2S 級(jí)。本站6 kV 出線設(shè)考核計(jì)量，表計(jì)采用精度為0.5 級(jí)的多功能電度表（測(cè)有功電度），裝于開關(guān)柜上。

3.3 設(shè)計(jì)特色

在自來水生產(chǎn)的過程中，電能占各種消耗性能源的80%，所以降低電能消耗即是自來水廠經(jīng)濟(jì)工作的重點(diǎn)，也是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能政策的要求。自來水廠為了能夠經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行，必須從節(jié)能降耗做起，主要采取以下節(jié)能措施：①主變壓器的選擇。主變壓器是35 kV 變電站中最重要的設(shè)備，它的功率損耗占整個(gè)電力損耗的20%～50%，因此，合理選擇主變壓器是節(jié)能降損的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點(diǎn)工作，設(shè)計(jì)優(yōu)先選用高效節(jié)能型。②無功補(bǔ)償。無功功率補(bǔ)償關(guān)鍵點(diǎn)在于補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償容量的合理選擇，如果選擇不正確，會(huì)造成過補(bǔ)償而適得其反。所以，在變電站設(shè)計(jì)之前就應(yīng)該先調(diào)查清楚變電站的綜合負(fù)荷結(jié)構(gòu)情況。通常來說，一般都是采用分散補(bǔ)償與就地補(bǔ)償相結(jié)合、集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合、供電企業(yè)補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合的方式。③變電站位于用電負(fù)荷中心，可節(jié)省電纜敷設(shè)長(zhǎng)度并降低壓降減少線損。④配電設(shè)計(jì)時(shí)保持三相負(fù)荷平衡。

4 結(jié)束語

在自來水廠生產(chǎn)運(yùn)行中，電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵的作用，本文主要對(duì)自來水廠35 kV 變電站的電氣一次、電氣二次設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并給出了相關(guān)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。在以后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)積極響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策，設(shè)計(jì)出更加節(jié)能型的變配電系統(tǒng)。