自來水廠35 kV 變電站電氣設計

郭 棟，李建濤

（1.天津市華淼給排水研究設計院有限公司，天津 300190；2.中海營設計集團有限公司，天津 300381）

隨著用水量的急劇增加，自來水廠的供水規模和工藝處理深度也在提高，因此自來水廠的電氣設計非常關鍵。就自來水廠生產運行而言，變配電系統影響著自來水廠的穩定運行和收益，所以安全、可靠、節能地進行變配電設計，是保證自來水廠安全穩定運行的必備的條件。

1 自來水廠的電氣特點和電氣設計原則

1.1 電氣特點

目前的自來水廠為了增加供水能力、提高供水質量、降低運行成本及增加收益，改變了以往分散控制的方式，朝著高度集中的自動化發展。自來水廠實現自動化，既可以節省人工成本，又可以提高生產的可靠性和安全性，最終實現自來水廠的優質高效供水。自來水廠要滿足生產工藝和生產設備的自動化要求，保障變配電系統能夠為自來水廠可靠供電，并獲得良好的經濟效益和社會效益。

1.2 電氣設計原則

自來水廠電氣設計中應該遵循如下原則[1]：①要保證變電系統設計的可靠性，在滿足變配電的現行設計標準及設計規范同時，還要進一步滿足自來水廠的可靠運行要求，采用雙回路供電；②在保證安全可靠的前提下，要考慮節能，根據電壓等級、負荷大小、設備容量、設備型號等進行綜合考慮，優化設計，以達到節約成本的目的；③根據工藝和電氣設備的控制要求，選擇合理的啟停方式，減少電氣設備本身和對電網的影響，并減少啟動能量的損耗。

2 變配電系統分析

本工程擬在自來水廠內新建一座專用變電站（以下簡稱“本站”），經與當地電力公司客服溝通設計要求，變電站電壓等級確定為35 kV/6 kV/0.4 kV。自來水廠外線進廠電壓等級為35 kV，送水泵房6 臺送水泵額定電壓為6 kV，其余用電設備均為0.4 kV/0.22 kV。

根據自來水廠工藝設備用電負荷分布，在廠內設置一座35 kV 總變配電室，變配電室內設主變壓器室、35 kV 開關室、6 kV 開關室、6 kV 配電室、6 kV 電容補償室、控制室和值班室等。

35 kV 側采用單母線分段接線方式，從廠外2 個不同的變電站各引一路35 kV 電源供電，2 路電源同時工作，互為備用。變電站內設2 臺4 000 kVA/35 kV/6.3 kV有載調壓油浸變壓器，帶動自來水廠全部用電負荷運行。6 kV 側采用單母線分段接線，出線10 回。

35 kV 變電站6 kV 側的2 段母線分別向進水泵房變配電室、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%的負荷運行。

根據全廠用電負荷的分布及工藝流程，自來廠共設置2 個低壓變配電系統，如圖1 所示。其中一個低壓變配電系統設置在35 kV 變電站6 kV 配電室，主要負責送水泵房、污泥系統、炭吸附脈沖澄清車間、加氯加藥加氨間、顆粒活性炭吸附池、機修間和傳達室等系統用電設備的供配電、控制及保護。6 kV 配電室設2 臺SCB13 型1 250 kVA 干式變壓器。另一個低壓變配電系統設置在進水泵房變配電室，主要負責進水泵房、換熱站等系統用電設備的供配電、控制及保護。低壓配電室設2 臺SCB13 型800 kVA 干式變壓器。2 個低壓變配電系統的變壓器均為一用一備運行，在2段低壓母線基本平均分配用電負荷，以達到2 段母線用電負荷運行平衡，通過放射式供配電給工藝用電設備[2]。

圖1 全廠主接線圖

3 設計實例

3.1 工程概述

自來水廠規模為25 萬m3/d，采用“預氧化劑投加+炭吸附脈沖澄清池+中臭氧+上向流顆粒活性炭吸附池+V 型濾站+污泥處理系統”工藝方案。本文主要論述自來水廠變電站電氣設計的內容。

3.2 設計內容

設計內容主要包括電氣一次、電氣二次等，節能設計貫穿于不同的環節。

3.2.1 電氣一次

本站一次設計主要包括電氣主接線、短路電流計算、系統接地方式、無功補償、主要設備選擇、絕緣配合及過電壓保護、接地、污穢等級。

電氣主接線：本站最終主變規模為2×4 MVA；預留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35 kV 進線隔離、進線開關、計量、母線PT（電壓互感器）、主變出線、線路出線各2 回；2 段母線之間設分段設備1 組。6 kV 側采用單母線分段接線，每段設受總柜、PT 柜、電容器柜、出線柜，線路出線各5 回，2 段母線之間設分段設備1 組。35 kV主變出線開關柜與主變壓器高壓側之間采用架空軟導線連接，主變與6 kV 總開關柜之間采用共箱母線連接。

短路電流計算：依照《某市電網規劃設計技術原則》的規定，本站35 kV 及6 kV 設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 指額定短路持續時間為4 s）設計，后期再根據上級電源點詳細計算。

系統接地方式：本站上級電源點未定，暫時按照35 kV 側為不接地系統，主變35 kV 中性點本期不接地。本站6 kV 出線均為電纜方式。經計算，最大單相短路電容電流約為3.2 A。故本站6 kV 側中性點按不接地方式設計。

無功補償：本站根據計算，在每臺主變壓器6 kV側裝設1 組（250+300+450）kVаr 的電容器組，相當于主變容量的20%，補償容量可隨用電負荷的增減進行調整。

主要設備選擇： 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、有載調壓、油浸式電力式變壓器。35 kV/6 kV 開關柜選用KYN 型鎧裝移開式交流金屬封閉開關柜，內設真空斷路器，柜內電流互感器、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 電氣設備耐受電壓

表2 6.3 kV 電氣設備耐受電壓

過電壓保護：本站在35 kV 電源進線及母線、6.3 kV 各段母線及出線各裝設一組氧化鋅避雷器，防止雷電過電壓及操作過電壓。在6.3 kV 電容器組處裝設專用氧化鋅避雷器，防止操作過電壓。35 kV 避雷器標稱放電電流按5 kA 設計，2 ms 方波通流不小于600 A；6 kV 避雷器標稱放電電流按5 kA 設計，2 ms方波通流不小于300 A；絕緣配合系數不小于1.4。

接地：本站采用綜合接地系統，強弱電設備工作接地，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。室外設閉合網狀人工接地裝置，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。室內設環狀接地干線，沿墻面明敷，接地干線及各設備接地線均采用鍍鋅扁鋼（寬50 mm×厚5 mm）。

污穢等級：本站室外污穢等級應為d 級，統一爬電比距為大于等于43.3 mm/kV；室內污穢等級為с 級，統一爬電比距為大于等于34.7 mm/kV。35 kV 系統電壓取40.5/kV，6 kV 系統電壓取12/kV。

3.2.2 電氣二次

本站二次設計主要包括：計算機監控系統、遠動系統、繼電保護、自動裝置、站用電系統、交流不停電電源系統、計量。

計算機監控系統：本站采用集繼電保護、測量、信號、控制、遠動功能為一體的綜合自動化系統，站內實現遙測、遙信、遙控“三遙”功能。其操作控制方式采用分層控制方式，同一時刻只允許（操作員站和測控裝置面板操作）一種控制方式有效。測控裝置配置“遠方/就地”切換開關選擇控制方式。間隔層設備設獨立于裝置之外的“遠方/就地”把手及操作把手，遙控控制回路設壓板，就地操作經五防閉鎖控制輸出。系統網絡結構采用開放式分層分布結構，由站控層、間隔層及網絡設備構成。間隔層與站控層信息通信采用以太網連接，以太網通信介質根據現場安裝條件選擇光纖或屏蔽雙絞線；網絡設備采用間隔層設備直接上站控層網絡，測控裝置直接與站控層通訊的結構。本站設微機監控后臺設備1 套，完成對變電站內所有設備的實時監視和控制；同時監控系統為其他6 kV 變電站的接入預留接口，接入后，可實現對6 kV 變電站的集中監視和控制。

遠動系統：本站遠動系統以遠動主機為中心，采用單套專用獨立設備，經以太網與保護測控裝置通訊，把采集的數據送至主機數據庫，經規約轉換后上傳至供電局調度端。

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

自動裝置：本站設置35 kV 分段開關自投、6.3 kV分段開關自投和低頻低壓減載裝置。

站用電系統：站內設50 kVA 站用變壓器臺，其電壓等級為6±2×2.5%/0.4 kV，分別設在6 kV 側2 段母線上，作為全站的照明、動力、儲能等交流電源。站用低壓側采用2 段單母線接線，正常運行時2 段母線分列運行，2 路所用電源線經雙電源轉換開關后接至站用電低壓母線。站用電容量按滿足全站用電負荷選擇，并滿足一臺變帶全站負荷，重要的用電負荷采用雙回路供電方式[3]。

交流不停電電源系統：本站配置容量為5 kVA 的電力專用UPS（不間斷電源）供站內監控系統、微機五防系統等重要設備用電。引入1 路直流電源、2 路交流電源。逆變電源不單獨設電池組，與站內直流系統共用蓄電池。交流不停電電源系統單獨組屏。

計量：本站在35 kV 側設計量柜，內設專用計費CT（電源互感器）、PT，計量裝置接線方式為三相三線制，在二次設備室設一面計量屏，屏內設計量表計及負控裝置，計量用電能表有功精度采用0.2S 級。本站6 kV 出線設考核計量，表計采用精度為0.5 級的多功能電度表（測有功電度），裝于開關柜上。

3.3 設計特色

在自來水生產的過程中，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濟工作的重點，也是響應國家節能政策的要求。自來水廠為了能夠經濟合理的運行，必須從節能降耗做起，主要采取以下節能措施：①主變壓器的選擇。主變壓器是35 kV 變電站中最重要的設備，它的功率損耗占整個電力損耗的20%～50%，因此，合理選擇主變壓器是節能降損的關鍵環節和重點工作，設計優先選用高效節能型。②無功補償。無功功率補償關鍵點在于補償點和補償容量的合理選擇，如果選擇不正確，會造成過補償而適得其反。所以，在變電站設計之前就應該先調查清楚變電站的綜合負荷結構情況。通常來說，一般都是采用分散補償與就地補償相結合、集中補償與分散補償相結合、供電企業補償與用戶補償相結合的方式。③變電站位于用電負荷中心，可節省電纜敷設長度并降低壓降減少線損。④配電設計時保持三相負荷平衡。

4 結束語

在自來水廠生產運行中，電氣系統的穩定運行起到了關鍵的作用，本文主要對自來水廠35 kV 變電站的電氣一次、電氣二次設計進行了設計分析，并給出了相關環節的設計內容。在以后的設計中，應積極響應國家“雙碳”政策，設計出更加節能型的變配電系統。