某工業(yè)園區(qū)污水處理廠電氣設計探討

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(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院有限公司, 山西 太原 030001)

0 引 言

污水廠的工程項目有著投資規(guī)模大,工藝構建筑物多,供電負荷等級高,安全生產(chǎn)責任重等諸多特點。結合這些特點,能做到節(jié)省投資、節(jié)省電能,并時刻嚴守電氣安全紅線,才算合理的電氣設計。本文就污水廠變壓器配置及運行方式、污水廠全廠接地形式分析及選擇等方面進行探討。

1 工程概況

該污水廠作為某縣工業(yè)園區(qū)內唯一污水處理設施,承擔著全園區(qū)的工業(yè)廢水和生活污水處理任務,工程規(guī)模為總體3.0萬m3/d,一期1.5萬m3/d。工業(yè)園內有110 kV變電站1座,10 kV供電間隔充足,可為污水廠提供10 kV專線。污水廠電氣總平面圖(右側為一期1#變配電室,左側為二期2#變配電室)如圖1所示。

圖1 污水廠電氣總平面圖

2 高低壓電源及負荷計算

污水處理廠是重要的基礎設施之一,中斷供電后污水廠需要很長時間才能恢復生產(chǎn),故該工程性質屬二級負荷。本工程從附近110 kV變電站引1路10 kV的專用線,架空敷設至污水處理廠。輸電線路長度為500 m,考慮遠期用電,導線型號為JKLYJ-10 kV-3×120型。

經(jīng)詳細計算,本項目廠內近期設備總用電負荷為617.48 kVA,有功功率為568.08 kW,無功功率為238.59 kvar。年電耗為325.68萬kWh/a。其中二級負荷為291 kW。

本項目遠期建設內容是在近期工藝設備基礎上新增一整套工藝設備,新增的設備總用電負荷為624.39 kVA,有功功率為574.44 kW,無功功率為241.26 kvar。新增電耗為330.134萬kWh/a。其中二級負荷為298 kW。

3 變壓器配置

一般污水廠設計中,均認為全廠用電負荷都是二級負荷,為滿足二級負荷供電的規(guī)范要求,需要配置兩臺相同容量的變壓器,一用一備[1-3]。變壓器容量需滿足全廠負荷的供電需求。按此思路,本污水廠應配置兩臺800 kVA變壓器,一臺平時使用,另一臺冷備用。在遇到的多數(shù)情況下,建設方由于投資有限,同時減少容量使用費,實際實施時僅安裝1臺變壓器,備用變壓器不再購置,這就導致當主用變壓器故障或檢修時,沒有備用變壓器可以投入運行,不具備二級負荷供電的可靠性。

對各建、構筑物用電負荷逐一分析后,得出負荷計算中的二級負荷容量,此時可將兩臺變壓器運行方式調整為:正常情況下兩臺變壓器互為備用,同時運行,各帶一半全廠所有負荷;當一臺變壓器檢修或發(fā)生故障時,自動切除所有三級負荷,通過兩進線柜及聯(lián)絡柜之間電氣聯(lián)鎖,實現(xiàn)另一臺變壓器帶全廠二級負荷。這種運行方式下,兩臺變壓器總容量需滿足全廠所有負荷的供電需求,而單臺變壓器容量需滿足全廠所有二級負荷的供電需求。

這種運行方式與一用一備的運行方式相比,通過對污水廠各類用電設備負荷性質的精細化分類,優(yōu)先保障重要負荷供電,與冷備用相比,可以大幅減少兩臺變壓器的總容量,節(jié)約初期投資并節(jié)省實際運行時的變壓器容量占用費,提高變壓器的使用效率,避免變壓器容量浪費。

4 低壓接地系統(tǒng)型式分析及選擇

工程項目的低壓接地形式的選擇直接影響斷路器保護的可靠性、故障設備及人身的安全[4-5]。若接地系統(tǒng)設計不當,后果將難以想象。盡管如此,在看到的許多污水廠項目的電氣設計圖紙,甚至某些大型市政院的圖紙中,接地系統(tǒng)的重要性往往不被電氣設計師重視。設計師缺乏對接地系統(tǒng)的深入理解,導致在設計中出現(xiàn)了接地形式不明、混亂或者不進行接地設計等諸多問題,會給污水廠的安全運行帶來諸多不安全因素。

而此前在網(wǎng)絡上流傳的“小女孩觸碰廠區(qū)門衛(wèi)伸縮門觸電身亡”的新聞,令人非常痛心。針對該新聞,筆者最初時一直有兩點疑問:

(1) 新聞中提到,電動伸縮門經(jīng)檢測,本身并沒有絕緣故障,伸縮門為何會帶電?

(2) 保護電器為何沒有動作?

本節(jié)針對該污水廠特點,從預期接觸電壓角度,分析常用的TN-S及TN-C-S方式在該污水廠中的設計。

經(jīng)分析后,推斷該廠區(qū)應為TN-S接地系統(tǒng)。

嚴格來說,TN-S系統(tǒng)應全廠采用統(tǒng)一接地網(wǎng),且供電電纜應采用五芯電纜(3相線+N+PE),PE線由變電所PE母線起始,引至各單體。此時全廠PE線都是通過變電所接地電阻后與大地連接。在某單體內設備絕緣發(fā)生損壞導致碰殼故障時,故障電流會通過相線、設備外殼、PE線再流回變壓器中性點,假設相線與PE線同截面,分壓相同,此時該設備外殼預期接觸電壓Ud=故障電流Id×整條保護線PE的電阻RP,Ud≈110 V,已遠超人體安全電壓。由于廠區(qū)內建筑物分散布置,特別是門衛(wèi)距離變電所較遠,供電電纜較長,因用電負荷小而導致電纜截面選取過小,此時相?；芈纷杩购艽?故障電流Id很小,無法達到變電所母線及本建筑內各級斷路器速斷保護Iset3值。斷路器不能切斷故障回路,使PE線長期處于帶電運行狀態(tài),進而使全廠內所有電氣設備金屬外殼均產(chǎn)生不同程度的對地電位升高,這樣會使 “門衛(wèi)處金屬伸縮門”帶電,而當人員觸碰故障設備外殼后,非安全電壓會導致流經(jīng)人體的電流進入心室纖維性顫動閾,進而引起人員傷亡。

與之相比,TN-C-S系統(tǒng)特點是各單體供電電纜均采用四芯電纜(3相線+PEN線),特別是每個構建筑物均做總等電位聯(lián)結并與自身自然接地體或人工接地極聯(lián)結,本單體的PE線取自建筑自身的接地極或接地體,全廠接地網(wǎng)不形成統(tǒng)一接地網(wǎng)。在設備絕緣發(fā)生損壞而導致碰殼故障時,故障電流會通過相線、設備外殼、流經(jīng)PE線后分成兩回路:第一個回路通過PEN線流回變壓器中性點,第二回路通過本單體接地電阻后,經(jīng)由大地流入變電所接地電阻,回到變壓器中性點。此時預期接觸電壓Ud=Id2(第二回路故障電流)×RE(設備外殼至本建筑總等電位板之間的PE導體電阻與本建筑接地電阻之和)。經(jīng)多個項目實際核算,此預期接觸電壓可有效降至50 V安全電壓以下,假使本建筑供電電纜也因截面選擇過小而導致速斷保護切斷故障回路不及時,人員觸碰故障設備外殼后,流經(jīng)人體的電流不至超過擺脫閾,保障人員安全。

5 結 語

本文對污水廠設計中的負荷性質進行精細化分類,優(yōu)化了變壓器的配置,避免全廠負荷“一刀切”帶來的變壓器容量浪費,節(jié)省了初期投資和運行費用,提高了變壓器利用率。

對某觸電事故進行深入分析,對比了兩種接地形式在設備絕緣發(fā)生損壞導致碰殼故障時不同的故障回路導致的不同的預期故障電壓的大小;對比了兩種接地形式下斷路器保護的可靠性。最終得出了各單體均做總等電位聯(lián)結的TN-C-S系統(tǒng)在大型廠區(qū)建設中可以有效地保證設備和人身安全;而其由于采用四芯電纜并且無須做統(tǒng)一接地網(wǎng),也能節(jié)省電纜的銅材及接地網(wǎng)的鋼材消耗,故而TN-C-S系統(tǒng)在大型廠區(qū)設計中應優(yōu)先采用。