雨水泵站电气、自控设计要点探讨

雨水泵站电气、自控设计要点探讨

张洁

中国市政工程西北设计研究院有限公司甘肃兰州730000

摘要：主要阐述了雨水泵站电气、自控设计要点，并对泵站电气、自控系统的设计进行分析。

关键词：雨水泵站；电气；自控；设计

引言

作为城市市政建设和管理工程的重要公用基础设施，雨水泵站担负着城市排水防涝的重任，是城市文明的重要标志。随着人民生活水平的不断提高，公用排水需求增大，排水泵站的数量随之增多，其分布范围也逐渐扩大，从而增加了城市公用设备管理维护人员的工作强度。当遇到暴雨天气时，市区往往会出现大面积积水，不仅影响了居民生活，而且给工业生产和经济活动带来了困难，甚至造成巨大损失。因此，应改进雨水泵站的电气设计水平，实行全自动化的管理模式，从而保证泵站的工作质量，降低不必要的损失。

一、雨水泵站供配电

1．负荷调查与计算

泵站的供配电设计工程首先要确定泵站的用电负荷，应根据泵站的规模、工艺特点、泵站总用电量（包括动力设备用电和照明用电）等计算泵站负荷，所以设计前对这些因素必须进行调查。

泵站规模的调查应根据城市雨水、污水系统专业规划和有关排水系统所规定的范围、设计标准，工艺设计经综合分析计算后确定了泵站的近期规模，泵站站址应根据排水系统的特点，结合城市总体规划和排水工程专业规划确定。

2．供电电源

选择供电电源不仅与负荷容量有关，与供电距离、供电线路的回路数有关。输送距离长，为降低线路电压损失，宜提高供电电压等级。供电线路回路多，则每回路的送电容量相应减少，可以降低供电电压等级。用电设备负荷波动大，宜由容量大的电网供电，也就是要提高供电电压的等级。用电单位所在地点的电网情况也是影响电压的因素。

3．无功功率补偿

补偿无功功率，经常采用两种方法，一种是同步电动机超前运行，一种是采用电容器补偿。同步电动机价格高，操作控制复杂，本身损耗也较大，不仅采用小容量同步电动机不经济，即使容量较大而且长期连续运行的同步电动机也逐步为异步电动机加电容器补偿所代替。特殊操作工人往往担心同步电动机超前运行会增加维修工作量，经常将设计中的超前运行同步电动机作滞后运行，丧失了采用同步电动机的优点，因此一般无功功率补偿不宜选用同步电动机。

4．操作电源

一般来说，交流操作电源只能供给变、配电所在正常情况下断路器控制、信号和继电保护自动装置的用电。在事故情况下，特别是变、配电所发生短路故障时，交流操作电源的电压降急剧下降，难以保证变、配电所的继电保护装置和信号系统及自动化系统正常工作。因此，特大、大、中型泵站变电所宜采用直流操作电源。对于采用交流操作电源的变、配电所，如要求在事故情况下能保证系统和自动装置正常工作，则应配备能自动投入的低压备用电源。

5．短路电流计算与继电保护

当电力系统中发生短路故障时，将破坏系统的正常运行和损坏电路元件。为消除或减轻短路所造成的后果，应根据短路电流正确选择和效验电器设备，进行继电保护整定计算和选择限制短路电流的元件。短路电流计算时所采用的接线方式，应为系统在最大及最小运行方式下导体和电器安装处发生短路电流的正常接线方式，而不考虑临时的变化接线方式（例如，只在切换操作过程中并列的母线）。

继电保护设计在满足要求的基础上力求接线简单，避免有过多的继电器和其他元件，以减少保护元件引起的其他故障。

对继电保护的基本要求：

1）可靠性：继电保护装置在故障出现时，应能可靠的动作。其可靠性可以用拒动率和误动率来衡量，拒动率及误动率愈小，则保护的可靠性愈高。

2）选择性：动作于跳闸的继电保护装置应有选择性。短路故障时仅将于故障有关的部分从供电系统中切除，而让其他无故障部分仍保持正常运行，使停电范围尽量缩小。

3）灵敏性：是指继电保护装置在保护范围内对故障的反应能力，用灵敏系数来量度。设计时要求保护系统应满足规定的灵敏系数。

4）速动性：继电保护装置应迅速地将故障设备从电网上切除，以减轻故障的破坏程度，缩小故障范围和提高供电系统的稳定性。

6．照明

泵站正常照明是指在正常情况下使用的固定安装的人工照明。应急照明是指在正常照明因故熄灭后，应急情况下继续工作及人员疏散用的照明。应急照明包括备用照明、安全照明和疏散照明三种。

7．接地

泵站的接地系统采用联合接地的方式，工作、保护及防雷接地合用一个接地系统，工频接地电阻值按≤1Ω设计。整个接地电阻由人工接地体及自然接地体组成，并尽可能利用自然接地体。主要利用水工建筑物底板的钢筋网，在底板钢筋网敷设由接地扁钢组成的网格与钢筋网焊接。这些水工建筑物包括进、出水池、主泵房、安装间及变电站等，同时利用闸门门槽、拦污栅等金属件接地。在变压器中性点及避雷器接地处附近打垂直接地极。

二、雨水泵站自动化系统

根据雨水泵站对电气自动化系统的要求，应设计的自动化系统配置主要包括水泵电气控制系统、数字化监控中心系统、现场数据采集及监控工作站系统、系统功能等。设计的这些系统彼此关联，并受数字化监控中心系统的统一监控管理。

1．水泵的电气控制系统

根据雨水泵站的电气现场控制要求，将所有电机运行设备设置手动和自动2种控制方式，并设置自动转换开关。在安装调试和设备检修时，使用开关的手动方式，可实现对高、低压柜的控制；正常使用时，采用自动控制方式，根据工艺流程可采用PLC进行自动控制。

2．现场数据采集及监控工作站

为了采集水位探测器和红外对射探测器输送过来的信号，在现场配置一台可编程的控制器，通过内置程序可以实现水泵的现场液位联动控制。可编程控制器输出的信号和现场图像信号接入现场数字监控工作站，可以处理图像、水位和防盗报警信号，并通过宽带网络将数据传输到监控中心。

3．系统功能

3.1泵站控制系统通过模拟屏、操作终端、MMI操作界面等显示设备对泵站运行进行监视。运行监视范围应包括下列内容：

1）进水池液位及进水池超高、超低液位报警，信号由泵站就地控制器采样，进水池液位作为开泵条件之一。

2）非压力井形式的出水池液位及超高、超低液位报警，信号由泵站就地控制器采样。

3）水泵状态监视，包括水泵运行模式、工作电流、运行状态及各种故障报警，信号由泵站就地控制器采样，运行过程中出现异常情况，应立即发出报警信号。

4）电动格栅除污机、输送机、压榨机的状态监视，包括运行模式及运行状态，信号由泵张就地控制器采集。运行过程中出现异常情况（设备电气故障和机械故障），应立即发出报警信号。

5）电动闸门、阀门的状态监视，包括运行模式及运行状态，信号由泵站就地控制器采集。运行过程中出现异常情况（设备电气故障及机械故障），应立即发出报警信号。

6）当泵站工艺设计和管理要求设置电磁流量计时，应监视单泵瞬时流量、累积流量机故障信号，信号由泵站就地控制器采集。累积流量作为泵站计量的依据。

7）当工艺要求设置调蓄池时，应监视调蓄池液位，信号由就地控制器采样。

8）对于潜水泵以外的大型水泵管道应有压力变送器对进水压力和出水压力进行监视，以保证水泵的正常运行。信号由泵站就地控制器采样。

9）UPS电源工作状态进行采样，以确定是市电供电还是UPS供电。

10）按管理要求及泵站分布点设置雨水泵站的雨量计进行雨量监视，信号应纳入监控系统。

3.2泵站应有就地逻辑控制功能，提供设备运行的联动、连锁和控制，控制对象包括：

1）当进水池液位高于某一设定值时，且相应设备状态满足连锁要求，符合开泵条件，应启动水泵的运行。

2）当格栅前后液位差大于某一值时，应启动电动格栅除污机、输送机、压榨机的运行。

3）水泵控制与有关闸门、阀门状态必须连锁，当需要开启水泵时，首先要控制相应闸门、阀门开启和关闭。

4）水泵辅助运行设备控制应包括冷却水控制系统和密封水控制系统。

5）自然通风条件差的地下式水泵间应设机械通风，并应对其风机状态进行监视和控制。对于泵房间集水坑应设排水设备，并应有监视和控制。

6）泵站格栅井及污水井敞开部分，有臭气逸出影响周围环境，应配置臭气收集和除臭设备，对除臭设备工作状态进行监视和控制。

3.3本条主要介绍泵站电力监测范围的相关内容。

1）高压配电装置和低压配电装置进行开关的状态和跳闸报警，信号由泵站就地控制器采集。

2）电源状态和备用电源的切换控制，信号由泵站就地控制器采集。

3）高压母线和低压母线的电量监视。高压配电装置宜设综合测控单元，低压进线柜宜设智能综合电量变送器，通过现场总线或通信口与泵站就地控制器连接，信号由泵站就地控制器采集。

4）宜监视变压器三相绕组的温度，并设高温报警，信号由泵站就地控制器采集。

5）主要馈线的电量监视包括主泵电动机电流和补偿电容器电流；馈线的状态监视为各馈线开关的合/跳闸信号，以上信号均由泵站就地控制器采集。

3.4泵站自动化系统除控制有关的设备外，监控范围还应包含环境和安全监控功能：

1）泵站对可能产生有毒、有害气体地方应设硫化氢（H₂S）检测仪，并监视其浓度和报警，对易燃、易爆气体场所设甲烷探测器，以检测可燃气体的浓度。信号由泵站就地控制器采集。

2）泵站应根据环保要求确定是否进行水质监视，对于实行水质监视的泵站应装设检测仪表，信号应纳入监控系统。

3）对于无人值守泵站宜装设视频图像监视，包括摄像机和监视器，周边围墙设红外线周界防卫系统，信号应纳入监控系统，由泵站就地控制器采集。

4）泵站应按消防要求设火灾报警控制系统，加强设备监控，确定各设备室的防火等级。装备消防设施和灭火器材。

4．防雷与接地

自动化控制系统所安装的电源、仪表以及其他设备应在电磁、静电和暂态电压以及其他可能出现的特殊情况下安全运行，并且有足够的防止过电压及抗雷电措施，有效防御雷电灾害。

控制系统建立一个接地电阻不大于1Ω的接地系统，作为各接地装置的统一接地体（当采用单独接地时的接地电阻≤4Ω）。接地排敷设至控制设备安装点，并留有端接排，用于设备至接地排之间的连接。

结语

雨水泵站电气自动化控制系统的设计，实现了对雨水泵站的数字化集中监控，有利于提高泵站的管理水平，这对于有效节约资源、改善城市景观、降低工作强度和减少噪音影响等起到了重要的作用。

参考文献

[1]《城镇排水系统电气与自动化工程技术规程》(CJJ120-2008).

[2]《大型泵站设备设施运行规程》（DG/TJ08-2045-2008）.

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[5]《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)；

[6]《城市电力规划规范》（GB/T50293-2014）.

[7]《工业与民用配电设计手册》第四版.

[8]《给水排水设计手册8电气与自控》第二版.