施海鷗

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

近年來，全球氣候變化和城市市政更新相對滯后，因暴雨致城市內(nèi)澇災(zāi)害的事故頻繁發(fā)生，導(dǎo)致城市交通癱瘓，居民財產(chǎn)損失嚴(yán)重甚至危及生命。數(shù)年來各大城市中心城區(qū)，每次由于突發(fā)暴雨引致城市內(nèi)澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失均超億元。為避免人口密集的各大城市遭受嚴(yán)重內(nèi)澇，內(nèi)澇治理、提高城市道路、下穿隧道的排水能力迫在眉睫，對于城區(qū)雨水排澇泵站提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、完善排水體系、以增強(qiáng)隧道排水對暴雨天的抗洪能力，提高片區(qū)排澇能力、防災(zāi)減災(zāi)等能力非常必要，同時也符合構(gòu)建新發(fā)展格局、打造宜居城市的要求，“十四五”時期我國將進(jìn)入新發(fā)展階段，社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為滿足人民日益增長的對美好生活向往的需求和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。城市管理需要改善人民生活品質(zhì)，增進(jìn)民生福祉，不斷實現(xiàn)人民對美好生活的向往。筆者結(jié)合近期設(shè)計項目及實際工程經(jīng)驗就城市道路小型排澇泵站的電氣系統(tǒng)設(shè)計談?wù)剛€人看法，供同行們設(shè)計參考［1-2］。

1 負(fù)荷等級及供電電源

1.1 負(fù)荷等級

城市道路、下穿隧道的雨水排澇泵站多為小型排水泵站等級，其排水設(shè)施的供電負(fù)荷等級應(yīng)為二級負(fù)荷。特別重要的排水設(shè)施的供電負(fù)荷等級可為一級負(fù)荷［3-4］。

1.2 市政電源

城市道路、下穿隧道雨水排澇泵站電源就近取自市政公共用電，二級負(fù)荷的外部電源進(jìn)線宜由20 kV或10 kV 雙回線路供電；當(dāng)負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時，二級負(fù)荷可由一回20 kV 或10 kV 專用的架空線路供電；但是處在城市主干道、隧道的雨水泵房市政電源多為電纜排管、管溝、管廊敷設(shè)引入，難以滿足架空線路供電。當(dāng)線路自上一級變電所采用電纜引出時必須采用2 根電纜組成的電纜線路，其每根電纜應(yīng)能承受二級負(fù)荷的100%，且互為熱備用。因此宜由兩回線路（由一個城網(wǎng)變電所引來的2 個配出回路）供電，配電變壓器也宜選2 臺（2 臺變壓器可不在同一變電所）；也可采用由2臺變壓器各引一路低壓回路在負(fù)荷端配電箱處切換供電［5］。

1.3 自備后備柴油發(fā)電機(jī)組

鑒于市政公共用電均按照二、三級負(fù)荷供電，且二級負(fù)荷供電的區(qū)域范圍廣泛，一旦停電涉及的停電區(qū)域面積較大［4］，難以滿足二級負(fù)荷供電的最低要求，工程設(shè)計中可以根據(jù)其自身的特點確定其供電方案，為滿足供電可靠性而提高雨水泵站供電標(biāo)準(zhǔn)非常必要。根據(jù)筆者參與的項目經(jīng)驗及后期回訪，總結(jié)在使用中的多個泵站項目后期整治經(jīng)驗，為有效應(yīng)對暴雨天氣期間臨時停電等突發(fā)事件，認(rèn)為采用移動式或固定式柴油發(fā)電機(jī)組作為自備后備電源，對于提高城市道路雨水排澇泵站的供電可靠性切實可行。對于資金充足的項目可采用固定箱式柴油發(fā)電機(jī)組；出于資金及后期維護(hù)考慮，也可以采用移動式柴油發(fā)電機(jī)組，在市電停電時接入泵組配電。自備后備電源與市電電源之間，應(yīng)采取防止并列運(yùn)行的措施。自備后備電源與市電電源之間應(yīng)裝設(shè)可靠的電氣及機(jī)械閉鎖裝置，防止倒送電［6］。自備后備電源配電接接入泵站配電箱內(nèi)如圖1所示，接入預(yù)裝式箱式變電站內(nèi)如圖2所示。

圖1 后備電源接入泵站配電箱內(nèi)Fig.1 The Backup Power Supply is Connected to the Distribution Box of the Pump Station

圖2 后備電源接入預(yù)裝式箱式變電站內(nèi)Fig.2 The Backup Power Supply is Connected to the Prefabricated Box Type Substation

1.4 變電所所址及泵站配電柜位置選擇

根據(jù)城市地形、地貌和城市道路規(guī)劃要求，在泵站位置就近設(shè)置變電所電源點。對多個可選的變電所電源點，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。線路路徑應(yīng)短捷順直，減少與道路的交叉，避免近電遠(yuǎn)供、迂回供電。變電所不得設(shè)在地勢低洼和可能積水的場所。

市政公共用電的變電所選型優(yōu)先選用南方電網(wǎng)典型成套標(biāo)準(zhǔn)預(yù)裝式箱式變電站，優(yōu)先選擇緊湊型、全密封、全絕緣、防水型免維護(hù)結(jié)構(gòu)、有安全可靠的防護(hù)性能。外殼應(yīng)滿足正常戶外使用條件，優(yōu)先選擇不銹鋼或防腐外殼材料。箱體外殼防護(hù)等級不低于IP68要求。選址設(shè)置在綠化帶、大型安全島等不影響車行視線、城市景觀、且有遮擋處。

雨水排澇泵站地處本區(qū)域的最低洼處。為避免泵站被淹、其控制柜短路水泵無法正常運(yùn)作，提高泵站供電可靠性，泵站的配電柜、控制柜不應(yīng)設(shè)置在雨水排澇泵站內(nèi)，應(yīng)就近在地面層、路面綠化帶或地面地勢較高處設(shè)置，采用小型成套箱式泵房用低壓配電房，地面層箱式泵站控制用房可滿足雨天值守條件、防汛值守人員安全需要。由此地面層箱式泵站控制饋線柜直接出線至泵站的泵組電機(jī)接線端子排，泵站內(nèi)不再另設(shè)影響水泵啟動的控制柜［7］。

2 配電系統(tǒng)

2.1 泵組配電

雨水泵站預(yù)裝箱式變電所內(nèi)變壓器的容量應(yīng)根據(jù)泵站的總計算負(fù)荷以及機(jī)組啟動、運(yùn)行方式確定，變壓器負(fù)載率為72%～85%，推薦采用能效等級Ⅱ級、單臺容量不宜大于630kVA的干式變壓器。

雨水泵站內(nèi)排水工藝專業(yè)有調(diào)速要求的水泵組設(shè)備均采用變頻控制。無變頻要求且單臺水泵功率超過15 kW 的建議采用軟啟動方式。其余小功率設(shè)備，排水工藝專業(yè)無特殊運(yùn)行要求時，均采用全壓直接啟動方式，電動機(jī)起動壓降控制在系統(tǒng)額定電壓的10%以內(nèi)［8］。

2.2 自備后備柴油發(fā)電機(jī)組選型

可按照穩(wěn)定負(fù)荷計算柴油發(fā)電機(jī)組容量；也可按最大的單臺電動機(jī)或成組電動機(jī)啟動的需要計算柴油發(fā)電機(jī)組容量；對于移動式柴油發(fā)電機(jī)組還可以按啟動電動機(jī)時母排容許電壓降計算柴油發(fā)電機(jī)組容量，可參考下式［9］執(zhí)行：

式中：Sc3為按啟動電機(jī)時母線容許電壓降計算發(fā)電機(jī)容量（kVA）；Pn為電動機(jī)總負(fù)荷（kW）；Xd"為電動機(jī)的暫態(tài)電抗，一般取0.25；△E為應(yīng)急負(fù)荷中心母線允許的瞬時電壓降，一般△E取0.25～3.00；K為電動機(jī)的啟動倍數(shù)；C為按電動機(jī)啟動方式確定的系數(shù)，全壓啟動：C=1.00；Y-△啟動：C=0.67；自耦變壓器啟動：50%抽頭C=0.25；65%抽頭C=0.42；80%抽頭C=0.64。公式適用于柴油發(fā)電機(jī)與應(yīng)急負(fù)荷中心距離很近的情況，選用的機(jī)組應(yīng)裝設(shè)快速自啟動裝置。

對于全壓啟動的電動機(jī)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的容量配合，如表1所示。

表1 按電源容量估算的允許全壓啟動的電動機(jī)最大功率Tab.1 Maximum Power of Motor Allowed to Start at Full Voltage Estimated According to Power Supply Capacity

3 線路敷設(shè)

3.1 線路路由

應(yīng)根據(jù)城市道路網(wǎng)規(guī)劃，與道路走向相結(jié)合，強(qiáng)電線路應(yīng)設(shè)在道路東南側(cè)，并保證地下電纜線路與城市其它市政公用工程管線間的安全距離；在滿足安全的條件下，選擇電纜較短的路徑；應(yīng)避開電纜易遭受機(jī)械性外力、過熱、化學(xué)腐蝕和白蟻等危害的場所；應(yīng)避開地下巖洞、水涌和規(guī)劃挖掘施工的地方；應(yīng)便于敷設(shè)、安裝和維護(hù)。

3.2 電纜選擇

供電電纜選用銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜和電線；對處于地下水位較高環(huán)境、可能浸泡在水內(nèi)的電纜，應(yīng)采用防水外護(hù)套或防水型電纜；電纜線路土建設(shè)施如不能有效保護(hù)電纜時，應(yīng)選用鎧裝電纜或穿金屬管或HDPE管保護(hù)。

4 接地與防雷系統(tǒng)

低壓配電系統(tǒng)的接地型式采用TN-S制。

采用聯(lián)合接地方式，電氣/信息設(shè)備的功能性接地、保護(hù)性接地以及建筑物防雷接地共用一組接地系統(tǒng)，接地電阻≤1Ω。采用人工接地裝置，人工接地裝置以水平接地體為主，垂直接地極為輔的方式構(gòu)成，水平接地體選用φ16 熱鍍鋅圓鋼，垂直接地極選用L50×50×5（長度為2.5 m）熱鍍鋅角鋼，沿預(yù)裝箱式變電站設(shè)置一圈。

預(yù)裝箱式變的戶內(nèi)電氣設(shè)備的外殼（支架、電纜外皮、鋼框架、鋼門窗等較大金屬構(gòu)件和突出屋面的金屬物）均要可靠接地，金屬屋面和鋼筋混凝土屋面的鋼筋應(yīng)與變電站的接地網(wǎng)可靠連接，其接地系統(tǒng)應(yīng)符合《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范：GB/T 50065—2011》的要求。

在預(yù)裝箱式變的高壓室電源進(jìn)線柜配置金屬氧化鋅避雷器作為防雷電侵入波保護(hù)。低壓母線上設(shè)電涌保護(hù)器，有效防止雷電對電氣系統(tǒng)的損害。在PLC 等控制設(shè)備電源進(jìn)線處裝設(shè)電源型浪涌保護(hù)器，監(jiān)測設(shè)備信號線裝設(shè)信號型浪涌保護(hù)器。

5 智能化系統(tǒng)

5.1 通信系統(tǒng)

雨水排澇泵站自控系統(tǒng)按照無人值守、定期巡查的方式設(shè)置，應(yīng)按雨水泵站工藝要求運(yùn)行監(jiān)視及控制信號均接入地面層箱式泵站控制柜中，柜內(nèi)配套PLC 自動控制系統(tǒng)，可顯示水泵啟停狀態(tài)、故障狀態(tài)、根據(jù)超聲波/雷達(dá)液位計或雨量計監(jiān)測泵池液位、監(jiān)測水泵參數(shù)（水壓、流量等）實現(xiàn)水泵的自動啟、停功能、具有信息采集、處理、運(yùn)算功能。柜內(nèi)設(shè)置GPRS 無線通信系統(tǒng)，可以與市政水務(wù)管理部門聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)控功能；具有手動、自動兩種控制方式。手動由控制柜上的控制按鈕實現(xiàn)，自動控制由自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)。手/自動控制轉(zhuǎn)換由控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)。

也可租用通信運(yùn)營商光纖的方式連接，通過通信運(yùn)營商的光纖系統(tǒng)，將信號傳輸至市政水務(wù)管理部門。

在雨水排澇泵站內(nèi)、外或隧道內(nèi)設(shè)置高清紅外網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控攝像頭，視頻信號通過光纖網(wǎng)絡(luò)實時傳輸圖像至地面層箱式泵站控制柜中，方便管理運(yùn)維部門遠(yuǎn)程操作時能觀察泵房的相關(guān)情況，也可通過通信運(yùn)營商的光纖系統(tǒng)，將視頻信號傳輸至市政水務(wù)管理部門，作為安防及設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控［10］。

5.2 防汛預(yù)報告警系統(tǒng)

采用GPRS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)，實現(xiàn)對城區(qū)“雨情”的實時發(fā)布、“澇情”及時預(yù)警。

在雨水排澇泵站外隧道涉水區(qū)設(shè)置電子水尺、液位傳感器，在泵站內(nèi)設(shè)置的液位計及液位開關(guān)等液位檢測儀表，當(dāng)液位計發(fā)出超高報警水位信號，或隧道內(nèi)面臨水淹危險時，地面層箱式泵站控制柜應(yīng)通過設(shè)置有線、無線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備向水務(wù)管理部門、交通管理部門發(fā)出報警信號，以便相關(guān)部門采取相應(yīng)的應(yīng)急搶險預(yù)案［11］，其信息化示意如圖3所示。

6 結(jié)語

城市防內(nèi)澇是一項系統(tǒng)工程，在保障雨水排澇泵站供電可靠、運(yùn)行安全方面建議如下：①采用自備柴油發(fā)電機(jī)組或預(yù)留移動柴油發(fā)電機(jī)組電源接入接口；②泵站配電控制柜設(shè)置在地面層或高處；③設(shè)置防汛預(yù)報告警系統(tǒng)；④利用互聯(lián)網(wǎng)+等數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)市政智慧水務(wù)綜合信息化管理與監(jiān)控。