水利泵站更新改造工程的电气设备及其自动化

李盛达

(惠州市潼湖水利工程管理中心，广东 惠州 516000)

结合潼湖围东岸泵站更新改造工程情况，通过探讨东岸泵站的电气设备设置及自动化监控系统，了解水利泵站如何利用电气技术实现排涝、灌溉功能，也为水利泵站建设管理提供一些参考。在实际工作中，通过学习和分析水利泵站更新改造工程的电气设备及其自动化，能够提高水利工作人员的专业水平和技术含量，提高水利泵站工程管理水平，保证水利泵站安全可靠运行，确保工程发挥实效。

惠州市潼湖围水利工程地处潼湖镇上村至东莞市桥头镇一带，横跨惠州、东莞两市，位于惠州市西南部，东江中下游与石马河交汇处。东岸泵站是潼湖水利工程的骨干工程之一，位于东岸涌入东江处的东江堤段上，其任务是为围内工农业生产提供排涝、灌溉服务。东岸泵站更新改造后总装机容量为5460kW，其中排涝装机容量为4800kW，灌溉装机容量为660kW。安装6台1700ZXB11.5-4.16型30°斜式轴流水泵，配套电机为6×800kW，泵站设计排水流量为70.2m3/s，设计扬程为4.16m。安装2台潜水轴流泵(1200ZDB-100)，电机功率为2×330kW，灌溉设计流量为8.1m3/s，设计扬程5.95m，设计灌溉面积9686.67hm2。其余主要设备有：吊车为葫芦双梁桥式起重机，起重量16/5t，跨度14.3m。排涝防洪闸闸门启闭机为3台QPQ-2×150kN卷扬式启闭机。灌溉泵站灌溉防洪闸门由1台 QPQ-2×100kN卷扬式启闭机负责启闭。

东岸泵站综合利用自动化控制、计算机网络及图像监视和通信技术，建成一套先进的自动化控制和监视系统，以提高工程的安全性，促进泵站科学化、现代化的管理。自动化监控系统能监控整个泵站设备运行情况，包括6台排涝机组和2台灌溉机组、直流系统、技术供水系统、高低压配电系统，还包括防洪闸、东岸水闸和上、下游水位测量、雨量等水文监测点。

2.1 电气一次设备

2.1.1 接入电力系统

对于东岸泵站更新改造工程来说，泵站排水设计流量70.2m3/s，灌溉设计流量8.1m3/s，总装机容量5460kW，泵站规模属大(2)型。根据泵站的规模和重要性，确定供电负荷等级为二级。

通过全面分析，单回路电源不能满足本工程的要求，需要采用两回线路供电，主要有3个原因：①东岸泵站是潼湖综合水利工程的骨干工程之一，承担潼湖96.94km2雨水收集区的排水任务和1.33万hm2耕地的灌溉任务，地位非常重要；
②根据《供配电系统设计规范》(GB50052-2016)规定，结合泵站规模、区域经济发展程度和区域供电条件，宜采用双回线路供电；
③原有的35kV架空特高压输电线路，部分线路走廊布置在省道S120中间绿化带，来往车辆较多，容易碰撞杆塔造成停电故障，供电可靠性不能满足二次负荷的要求[1]。两回线路电源接入点如图1所示。

回路Ⅰ：接惠州110kV潼湖变电站，供电电压等级10kV，输电距离5.0km，使用电缆线路。目前该回路已通过验收并投入使用。

回路Ⅱ：将原有35kV架空专用输电线路降为10kV运行供电，线路电源接入点为110kV东莞桥头变电站，输电距离4.5km。该线路大部分位于东莞桥头镇，线路改造引发的征地拆迁实施与补偿办理涉及东莞和惠州两市，组织实施难度较大，目前该线路建设仍在协商当中。

2.1.2 电气主接线

东岸泵站设计有两条10kV电源进线、六条排水电机馈线电路和两条变压器馈线电路(详见图2)，采用单母线分段接线，10kV高压开关柜选用KYN28A-12型铠装移开式交流金属封闭开关柜，开关采用真空断路器。

单母线分段投资略高，但灵活性、可靠性相对较好，因此，东岸泵站10kV侧为单母线分段接线，设置母联断路器。泵站设计10kV双电源供电，采用一主一备供电方式，任一电源均能满足全部的负荷，保证六台排涝水泵和二台变压器稳定运行。正常情况下，潼湖变电站作为主用电源，桥头变电站作为备用电源，即1G01进线柜开关闭合，1G08联络柜开关闭合，1G15进线柜开关断开。当主电源发生故障时，由备用电源桥头变电站供电，即1G01进线柜开关断开，1G08联络柜开关闭合，1G15进线柜开关闭合。1G01、1G15进线柜开关实行自动备投，即1G01断开，1G15自动闭合，反之亦然；
1G01、1G15进线柜开关、1G08联络柜开关之间实行电气机械联锁，即1G01、1G15进线柜两个开关闭合时，联络开关不得闭合；
1G01或1G15进线柜开关与1G08联络柜开关闭合时，1G15或1G01进线柜开关不得闭合。但由于备用电源桥头变电站至东岸泵站线路仍未完成建设，目前仅单电源供电。

2.1.3 变压器

泵站设一台SCB11-400/0.4站用变压器，接10kV电压Ⅱ段母线，其容量能满足泵站辅助设备及照明设施的用电要求。站用电源接线采用单母线，站用电压采用400/220V，带电导体系统采用三相四线制，低压配电系统接地保护方式采用TN-S系统。站用电的主要负荷为：防洪闸门、管养楼、格栅清污机、检修设备、桥式起重机、泵房及厂房照明、电动葫芦、抓斗式清污机、电机加热器、励磁装置、检修渗漏排水泵、技术供水泵、消防供水泵、UPS设备、直流系统等设备。采用综合系数法计算泵站用电负荷约为392.86kVA，因此站用变压器容量为400kVA。为满足紧急情况下的抢修及站用重要设备运行需求，另设有一台100kW柴油发电机作为应急备用电源。

泵站还设一台SCB11-1000/0.4灌溉主变压器，接10kV电压Ⅰ段母线，其容量满足灌溉机组用电要求。

2.1.4 电动机

东岸泵站排水泵机组单机容量为800kW，电机的额定电压为10kV。灌溉水泵机组单机容量为330kW，潜水电机采用的是0.38kV电压等级。

设计时排涝泵组可选用异步电动机和同步电动机，以下对两种方案的优缺点进行定性比较。

异步电动机优点是结构简单，低造价，维护、运行方便。缺点是需要装设电容器组进行无功补偿，因当前高压电容器质量存在不稳定的问题，尤其是油浸式电容器，会发生漏油事故，对泵站消防不利[2]。此外，电容器组占地面积大，不利于厂房布置。

同步电动机优点是功率因数高，电机起动电流较小，对电网冲击小，必要时还可向电网发无功，可提高系统的稳定性，过载能力及抗系统干扰性强。缺点是结构复杂，多了滑环、碳刷及励磁系统，运行维护较复杂，整体造价比异步电动机高约10%。

综合以上分析，虽然同步电机整体造价稍高，但从运行可靠性、稳定性考虑，排涝泵组选用TXZ800-24/2150同步电动机。灌溉泵组选用YQGN740L1-12异步电动机。

2.1.5 防雷及接地

配电装置的防雷配置应符合相关法规和规范的要求。在10kV进线电源侧安装氧化锌避雷器组，以保护主要电气设备在各种运行模式下免受雷击波的影响。每个断路器柜中安装三相组合过电压保护器，以防止过电压危及电机等电气设备。泵站建筑物按三类建筑物防雷标准设置直击雷防护装置。屋面采用避雷带保护，构造柱内两根避雷带≥Φ16，主筋引至接地网。

泵站10kV配电系统为中性点不接地系统，结合泵站监控系统设备的要求，泵站配有接地网，充分利用泵站基础加固作为自然接地体，人工接地体采用≥50×5的热浸镀锌扁钢，金属外壳、管道、闸门等所有设备等均应与接地网连接，以保护人身和设备安全[3]。

2.2 电气二次设备

2.2.1 继电保护

保护装置采用微机保护装置，10kV进线及分段母线、10kV电动机、1000kVA及400kVA变压器等10kV设备的保护装置安装在相应的10kV高压开关柜上。根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》及《泵站设计规范》配置。泵站的保护配置如下：

1)10kV进线(母线)保护配置：定时限电流速断保护、低电压保护、单相接地保护。

2)电动机保护配置：
电流速断保护、过负荷保护、低电压保护、失步保护、失磁保护。

3)变压器保护配置：电流速断保护、过电流保护、单相接地保护。

2.2.2 直流系统

泵站配备一套220V直流系统，用于保护、操作、信号装置供电和应急照明。直流装置选用高频开关电源设备，由65AH镉镍电池充电屏和直流馈电屏组成。通过在直流馈线上安装智能充电模块，可以实现对高频充电的智能监控。

2.2.3 励磁系统

东岸泵站排涝机组为同步电动机，机组励磁系统采用他励方式，励磁电源从站用变压器低压侧取得，系统的起励方式为为交流起励。励磁系统采用静止式三相全控桥可控硅励磁系统。

东岸泵站采用“计算机监控为主、简化常规控制为辅”的监控方式。自动化监控系统主要监控泵站的泵组、高低压变配电装置、站内辅助设备、闸门及启闭机等，采用分层分布式的开放式结构，监控系统分为三层，分别为调度中心层、集中监控层、现地控制单元层(LCU)。其中调度中心层为预留功能，以便将来实现远程集中调度[4]。集中监控层采用100Mbps以太网结构，网络交换机采用工业级产品，保证数据、图形和语音信息的高速可靠传输。集中监控层与现地级监控层LCU采用双绞线连接，保证信号的可靠传输。现地控制单元包括1—8号泵组现地控制单元(1—4LCU，2台泵组设1套LCU)、公用设备现地控制单元(5LCU)、防洪闸门现地控制单元(6LCU)及技术供水现地控制单元(7LCU) ，共7套现地控制单元。每个现地控制单元LCU均以PLC为控制核心，采用彩色触摸屏作为人机界面。

监控系统具有以下功能：数据采集和处理、安全运行监视及预警、自动控制与调节、人机联系、运行管理、历史数据记录、系统自诊断、软件编辑等功能。

总而言之，在水利工程建设管理中，通过运用电气技术发挥工程效益，促进水利工程管理的科学化、现代化，能够更好保证水利工程运行效率和安全，更好地满足社会发展要求。泵站作为重要的水利工程，使用电气设备及自动化技术，能够更好操控泵站设备运行，提高工程的安全性、可靠性，充分发挥工程效益，也有利于提高泵站工程建设与管理水平，促进我国水利事业健康发展。