城市排水泵站電氣設計相關問題探討

劉勇

（成都市市政工程設計研究院有限公司，四川成都 610023）

0 引言

本文以筆者參加成都市高新區、天府新區一批排水泵站（提標改造、新建）為例，結合多年泵站電氣設計經驗及類似項目評審經驗，綜合運維單位反饋意見等，探索排水泵站電氣設計中關于供電電源、負荷計算、設備選型、控制方式等方面的解決思路。

成都市主城區排水泵站主要分為3類：下穿隧道配套泵站、下沉式道路配套泵站、城市低洼區域防澇排水泵站。本次下穿隧道（下沉式道路）配套泵站提標改造工程，分為單純電氣系統改造、電氣系統改造加監控系統完善兩種類型；區域防澇排水泵站為新建。

由于城市排水泵站中排水泵采用低壓電機占絕大多數，本文相關內容均指采用低壓電機泵站，不含6/10kV中壓電機泵站。

1 供電電源

1.1 負荷分級

本次主城區提標改造的多座排水泵站電源狀況基本分為以下4類，如表1所示。除因排水泵功率增加，電源擴容外，為增強供電的可靠性同時兼顧經濟性、實施難度，對二、四類電源予以改造。

表1 排水泵站的電源型式

城市排水泵站負荷等級按《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）、《城鎮排水系統電氣與自動化工程技術標準》（CJJ/T 120—2018）執行，兩本標準要求基本一致，即普通的排水泵站按二級負荷考慮，特別重要的排水泵站按一級負荷設計[1-2]。

對類型二，本次改造增加柴油發電機接口，類型四主要為少數建設較早的泵站，由于多種原因暫無法解決雙電源及固定柴油發電機，只得在汛期配置移動柴油發電車的方式，但造成運維不便，本次改造擬增加一路市電或設置固定柴油發電機，改造為類型二或類型三。

筆者建議新建排水泵站電氣設計中有土建條件設置柴油發電機房時，宜優先采用市電加柴油發電機的供電方案，不具備條件時采用兩路市電的供電方案，但此時應預留柴油發電機快速接口，理由如下：①排水不暢、區域積水造成的社會影響大，城市管理部門對防洪排澇比較重視，汛期各排水泵站基本有人值守，具備管理柴油發電機的人員條件。②排水泵站的年運行時間短，集中在汛期短時運行，采用柴油發電機做為備用電源經濟上可行。③正常運維的柴油發電機安全、可靠、可控，技術上可行。

1.2 變壓器的配置

1.2.1 下穿隧道（下沉式道路）排水泵站

根據成都市主城區下穿隧道（下沉式道路）排水泵站信息調查顯示，泵站裝機功率大致在66~800kW之間，所配變壓器容量約125~1000kVA，總體裝機功率不大。受進水管網、結構滲漏水、集水池容積等影響，排水泵在非雨季的啟用頻率約一天兩次至十天一次，一次約幾分鐘，此類泵站變壓器為泵站所有設備供電，非檢修時變壓器均帶電運行。

1.2.2 低洼區域防洪排水泵站

對僅汛期使用防洪排水泵站，負荷季節特征明顯，類似于建筑工程中冷水機組等季節性負荷。當低壓裝機容量較大時，變壓器自身的損耗已接近或超過泵站日常用電負荷時，宜單獨設排水泵用變壓器，另設小容量站用變日常使用，排水泵用變壓器平時停用，汛期啟用，以降低變壓器損耗造成的泵站運行成本。如筆者參與設計的某防洪排水泵站，設200kW灌流泵八臺，配2000kVA變壓器兩臺，一用一備，平時停用，汛期啟用；泵站另設兩天63kVA柜內站用變供泵站日常使用。

2 水泵電機啟動方式

水泵電機常見的啟動方式有全壓啟動或降壓啟動。雖然全壓啟動最為簡單可靠，但綜合經濟、技術等指標并不是排水泵站的最優選擇。

排水泵站負荷單一，使用頻率低，采用全壓直接啟動對變壓器、柴油發電機容量要求較高，導致泵站初期投資大，變壓器長期負載率低，損耗偏大，泵站運行成本偏高。隨著電力電子技術發展，降壓電子軟啟動器以其適應面廣、保護功能完善，得到大量應用，筆者認為其對負荷單一的排水泵站較為適合。通過成都市下穿隧道（下沉式道路）配套泵站信息調查顯示，排水泵基本采用降壓電子軟啟動，運維單位經過多年的使用，也側面證實其可靠性，僅在少數早期建設泵站，為節省投資，采用一控二、一控三軟啟動器，但后期為增強其可靠性，均調整為一控一。

當排水泵站與其他建（構）筑合建，如規模較大的地下道路時，排水泵在整個負荷容量中占比不高時，有條件直接啟動應優先采用直接啟動，更為簡單可靠。

采用軟啟動器時建議裝設外置旁路接觸器，當軟啟故障時，如有必要可切除故障的軟啟動器，電機直接啟動，旁路接觸器可按AC-3工作制選用。軟啟動器應帶過熱、過載、缺相等保護功能，該功能在旁路時應仍能維持。

3 變壓器高低壓側保護定值協調性

當排水泵總容量接近變壓器容量時，應核算變壓器高壓側斷路器整定值與低壓側斷路器整定值的匹配性，避免越級跳閘。通常變壓器低壓側出口斷路器整定值由設計單位或用戶確定，常按有利于設備運行整定，而高壓側通常由供電部門確定，常按有利于故障切除，一般變壓器最大的負荷電流。當低壓側整定值不當時，會造成變壓器高負載或滿載時越級跳閘。

4 控制與保護

4.1 液位計的選擇

給水排水工程中常用的液位計有電容式液位計、靜壓式液位計、超聲波液位計、雷達液位計。

電容式液位計不受真空、壓力、溫度等環境條件的影響，可測量強腐蝕性、高溫高壓介質、密閉容器的液位[3]，常用于石化、冶金、造紙等行業液位測量。

靜壓式液位計分為桿式、纜式，桿式適合液面擾動大及腐蝕性液體液位測量，纜式適合深井[3]。城市排水泵站由于用電原因，集水池尺寸均較為緊湊，水泵運行對水面影響大；汛期水池中常用漂浮物，泡沫等，將纜式靜壓液位計裝于防波管中，測量誤差小，運行可靠，是城市排水泵站較理想的液位測量裝置。

超聲波液位計由于汛期集水池中有固體漂浮物或泡沫，會造成超聲波液位計的可靠性降低，同時價格相對于偏高，在排水泵站中應用不多。

雷達液位計由于價格高在排水泵站中應用少。

早期建設的排水泵站部分采用浮球（筒）液位計，由于集水池中偶有塑料袋、棉麻或人工纖維等雜物卡堵在浮筒和導管之間，造成浮筒浮動困難導致液位計失效，此類液位計在排水泵站中已基本淘汰。

綜上比較，靜壓式液位計是城市排水泵站中比較適合的液位計。

筆者參與改造的排水泵站中，泵站雖已實現手自動運行，但部分泵站現場無水位顯示裝置，給調試、運維帶來諸多不變。建議當泵站旁有可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）觸摸屏時，可將液位信號在觸摸屏顯示，否則應選用帶顯示功能的分體式液位計，將液位顯示裝置設置于便于觀察巡檢的位置。

4.2 控制器的選擇

早期建設的排水泵站有的采用液位控制器、電機保護器對排水泵進行自動控制，但由于其通用性、拓展性不強、通信協議不一，在排水泵站的提升改造中已基本被PLC控制器替代，PLC優勢如下。

（1）產品模塊化、標準化、通用性強，工作穩定可靠、拓展、替換方便[4]，可降低運維單位成批量管理的泵站運維成本。

（2）接口豐富，可監測水位、電機狀態、重要供電回路開關狀態、電流電壓參數、大型水泵電機軸溫繞組溫度、大型泵組的振動監測、泵房的環境監測等。

（3）便于組網、集中管理，以及強大的組態軟件定制開發。采用有線/無線方式集中組網，上傳設備狀態，分析設備故障原因，通過人工智能（artificial intelligence,AI）算法實現有損部件的使用壽命預測，合理安排備品備件，實現前瞻性維護。對設備狀態變化的趨勢性分析，提出設備運行的優化策略等，對城市泵站群的高效管理極為有利。

如本次改造的天府新區泵站，在隧道、下沉式道路低點設置電子水尺，實時監測隧道積水狀況，其信號接入PLC，驅動入口處可變情報板，實現積水監測與報警，聯動路口交通信號燈。

故建議排水泵站采用PLC控制，根據泵站的重要程度、監控設備數量、組網需求等因素綜合確定PLC的性能參數選型指標。

4.3 水泵電機保護

筆者參與泵站改造設計及泵站評審項目中，部分項目水泵電機的保護欠完善，以下3種保護常被忽視。

4.3.1 潛水電機漏液報警

潛水泵長期浸泡水中，需在接線室、定子室設置濕度傳感器，一旦水分超標，需及時停機、輸出故障信號。通常需排水專業在設計文件（或招標文件）中予以明確“由潛水泵廠家配套潛泵電機保護裝置”，電氣專業核實潛泵電機保護裝置的輸出信號種類，及相關控制邏輯，將保護信號接入潛水泵控制相關回路，作用于報警及停機。

4.3.2 中大型電機繞組、軸溫監測

當水泵電機功率較大時，為了顯示水泵軸承的實時溫度狀況，需在電動機定子鐵心繞組A、B、C三相分別嵌設一只溫度傳感器，作為超溫時停機的檢測元件。一般采用PT100熱電阻傳感器，但其信號不能直接接入PLC標準模擬量輸入（analog input,AI）模塊，可采用以下3種方式接入：①選用可接PT100的PLC專用模塊。②增加變送器，信號轉換后再接入PLC標準AI模塊。③選用選用專門的溫度巡檢儀接入熱電阻信號，再由溫度巡檢儀接入PLC。測溫元器件的需求由工藝專業在排水泵設計、招標文件中明確，電氣、自控專業配合，完成中大型電機繞組、軸溫測溫監控。

4.3.3 低液位停機保護

正常情況排水泵站根據水位自動運行，但在液位計故障或信號失效時，可能會導致水泵低水位空轉，為避免這種情況，建議設置液位開關，水位過低時，液位信號直接作用于停機。

5 水泵控制柜一二次元器件設置

一搬下穿隧道（下沉式道路）配套泵站水泵電機總功率不大，基于用地、景觀等考慮，采用箱變供電較為普遍，變壓器容量一般超過800kVA時[5]，更大容量的變壓器應考慮設置變配電房。

筆者建議當采用箱變供電時，水泵控制的一次元器件（斷路器，接觸器，軟啟動器等）可設置于就地控制柜中。泵站設置變配電房時，室內環境較好且便于運維，建議水泵控制的一次元器件設置于低壓柜中，現場設置的就地控制箱。但無論一次元器件設置于何處，水泵旁應設置就地控制裝置。

6 水泵廠家配套控制柜的約束性要求

泵站改造項目中，部分水泵控制柜常由廠家配套，當缺乏設計文件或招標文件約束時，控制柜元器件組成，柜內主回路、控制與保護功能不太規范。

筆者建議，設計單位應按規范對廠家配套的控制柜提出約束性要求，如外觀類：柜體材質尺寸，防護等級，按鈕、指示燈、手/自動轉換開關安裝位置，測量表計等；柜內元器件組成類：隔離電器、短路保護、進線浪涌保護、電機控制器、通訊接口等，以確保功能完整，使用安全。

7 組態軟件要求

目前多數的排水泵站由PLC控制，基本可以實現泵站內設備的監控。但總體來說，功能較單一，距離智慧化運維尚有差距。建議在設計時，根據泵站的重要程度，投資等綜合評估，對數據采集、系統開發、快速組態、應用場景、數據庫等做出有一定控制性要求，并結合地區運維管理需求，盡可能標準化，通用化，如平時、汛期多臺水泵的運行分析，輪換控制策略，通過設備故障分析實現前瞻性維護，實現設備健康狀態可視化等，讓排水泵站成為智慧排水乃至智慧水務的有機組成部分。

8 結語

建議排水泵站備用電源有條件時選擇柴油發電機，水泵啟動采用一控一外置旁路電子軟啟動器，變壓器負載率較高時需統籌高低壓側保護的協調性，液位計選用帶液位顯示的纜式靜壓液位計，控制器選用PLC，水泵電機應按規范設置相應的電機保護裝置，應設置水泵就地控制裝置，對廠家配套設備或需集成商二次開發的軟件應有較完善的約束性要求。