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(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 山西 太原 030001)

0 引 言

污水廠的工程項(xiàng)目有著投資規(guī)模大,工藝構(gòu)建筑物多,供電負(fù)荷等級(jí)高,安全生產(chǎn)責(zé)任重等諸多特點(diǎn)。結(jié)合這些特點(diǎn),能做到節(jié)省投資、節(jié)省電能,并時(shí)刻嚴(yán)守電氣安全紅線,才算合理的電氣設(shè)計(jì)。本文就污水廠變壓器配置及運(yùn)行方式、污水廠全廠接地形式分析及選擇等方面進(jìn)行探討。

1 工程概況

該污水廠作為某縣工業(yè)園區(qū)內(nèi)唯一污水處理設(shè)施,承擔(dān)著全園區(qū)的工業(yè)廢水和生活污水處理任務(wù),工程規(guī)模為總體3.0萬(wàn)m3/d,一期1.5萬(wàn)m3/d。工業(yè)園內(nèi)有110 kV變電站1座,10 kV供電間隔充足,可為污水廠提供10 kV專線。污水廠電氣總平面圖(右側(cè)為一期1#變配電室,左側(cè)為二期2#變配電室)如圖1所示。

圖1 污水廠電氣總平面圖

2 高低壓電源及負(fù)荷計(jì)算

污水處理廠是重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,中斷供電后污水廠需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)生產(chǎn),故該工程性質(zhì)屬二級(jí)負(fù)荷。本工程從附近110 kV變電站引1路10 kV的專用線,架空敷設(shè)至污水處理廠。輸電線路長(zhǎng)度為500 m,考慮遠(yuǎn)期用電,導(dǎo)線型號(hào)為JKLYJ-10 kV-3×120型。

經(jīng)詳細(xì)計(jì)算,本項(xiàng)目廠內(nèi)近期設(shè)備總用電負(fù)荷為617.48 kVA,有功功率為568.08 kW,無(wú)功功率為238.59 kvar。年電耗為325.68萬(wàn)kWh/a。其中二級(jí)負(fù)荷為291 kW。

本項(xiàng)目遠(yuǎn)期建設(shè)內(nèi)容是在近期工藝設(shè)備基礎(chǔ)上新增一整套工藝設(shè)備,新增的設(shè)備總用電負(fù)荷為624.39 kVA,有功功率為574.44 kW,無(wú)功功率為241.26 kvar。新增電耗為330.134萬(wàn)kWh/a。其中二級(jí)負(fù)荷為298 kW。

3 變壓器配置

一般污水廠設(shè)計(jì)中,均認(rèn)為全廠用電負(fù)荷都是二級(jí)負(fù)荷,為滿足二級(jí)負(fù)荷供電的規(guī)范要求,需要配置兩臺(tái)相同容量的變壓器,一用一備[1-3]。變壓器容量需滿足全廠負(fù)荷的供電需求。按此思路,本污水廠應(yīng)配置兩臺(tái)800 kVA變壓器,一臺(tái)平時(shí)使用,另一臺(tái)冷備用。在遇到的多數(shù)情況下,建設(shè)方由于投資有限,同時(shí)減少容量使用費(fèi),實(shí)際實(shí)施時(shí)僅安裝1臺(tái)變壓器,備用變壓器不再購(gòu)置,這就導(dǎo)致當(dāng)主用變壓器故障或檢修時(shí),沒有備用變壓器可以投入運(yùn)行,不具備二級(jí)負(fù)荷供電的可靠性。

對(duì)各建、構(gòu)筑物用電負(fù)荷逐一分析后,得出負(fù)荷計(jì)算中的二級(jí)負(fù)荷容量,此時(shí)可將兩臺(tái)變壓器運(yùn)行方式調(diào)整為:正常情況下兩臺(tái)變壓器互為備用,同時(shí)運(yùn)行,各帶一半全廠所有負(fù)荷;當(dāng)一臺(tái)變壓器檢修或發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)切除所有三級(jí)負(fù)荷,通過兩進(jìn)線柜及聯(lián)絡(luò)柜之間電氣聯(lián)鎖,實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)變壓器帶全廠二級(jí)負(fù)荷。這種運(yùn)行方式下,兩臺(tái)變壓器總?cè)萘啃铦M足全廠所有負(fù)荷的供電需求,而單臺(tái)變壓器容量需滿足全廠所有二級(jí)負(fù)荷的供電需求。

這種運(yùn)行方式與一用一備的運(yùn)行方式相比,通過對(duì)污水廠各類用電設(shè)備負(fù)荷性質(zhì)的精細(xì)化分類,優(yōu)先保障重要負(fù)荷供電,與冷備用相比,可以大幅減少兩臺(tái)變壓器的總?cè)萘?節(jié)約初期投資并節(jié)省實(shí)際運(yùn)行時(shí)的變壓器容量占用費(fèi),提高變壓器的使用效率,避免變壓器容量浪費(fèi)。

4 低壓接地系統(tǒng)型式分析及選擇

工程項(xiàng)目的低壓接地形式的選擇直接影響斷路器保護(hù)的可靠性、故障設(shè)備及人身的安全[4-5]。若接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng),后果將難以想象。盡管如此,在看到的許多污水廠項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)圖紙,甚至某些大型市政院的圖紙中,接地系統(tǒng)的重要性往往不被電氣設(shè)計(jì)師重視。設(shè)計(jì)師缺乏對(duì)接地系統(tǒng)的深入理解,導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了接地形式不明、混亂或者不進(jìn)行接地設(shè)計(jì)等諸多問題,會(huì)給污水廠的安全運(yùn)行帶來(lái)諸多不安全因素。

而此前在網(wǎng)絡(luò)上流傳的“小女孩觸碰廠區(qū)門衛(wèi)伸縮門觸電身亡”的新聞,令人非常痛心。針對(duì)該新聞,筆者最初時(shí)一直有兩點(diǎn)疑問:

(1) 新聞中提到,電動(dòng)伸縮門經(jīng)檢測(cè),本身并沒有絕緣故障,伸縮門為何會(huì)帶電?

(2) 保護(hù)電器為何沒有動(dòng)作?

本節(jié)針對(duì)該污水廠特點(diǎn),從預(yù)期接觸電壓角度,分析常用的TN-S及TN-C-S方式在該污水廠中的設(shè)計(jì)。

經(jīng)分析后,推斷該廠區(qū)應(yīng)為TN-S接地系統(tǒng)。

嚴(yán)格來(lái)說,TN-S系統(tǒng)應(yīng)全廠采用統(tǒng)一接地網(wǎng),且供電電纜應(yīng)采用五芯電纜(3相線+N+PE),PE線由變電所PE母線起始,引至各單體。此時(shí)全廠PE線都是通過變電所接地電阻后與大地連接。在某單體內(nèi)設(shè)備絕緣發(fā)生損壞導(dǎo)致碰殼故障時(shí),故障電流會(huì)通過相線、設(shè)備外殼、PE線再流回變壓器中性點(diǎn),假設(shè)相線與PE線同截面,分壓相同,此時(shí)該設(shè)備外殼預(yù)期接觸電壓Ud=故障電流Id×整條保護(hù)線PE的電阻RP,Ud≈110 V,已遠(yuǎn)超人體安全電壓。由于廠區(qū)內(nèi)建筑物分散布置,特別是門衛(wèi)距離變電所較遠(yuǎn),供電電纜較長(zhǎng),因用電負(fù)荷小而導(dǎo)致電纜截面選取過小,此時(shí)相保回路阻抗很大,故障電流Id很小,無(wú)法達(dá)到變電所母線及本建筑內(nèi)各級(jí)斷路器速斷保護(hù)Iset3值。斷路器不能切斷故障回路,使PE線長(zhǎng)期處于帶電運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而使全廠內(nèi)所有電氣設(shè)備金屬外殼均產(chǎn)生不同程度的對(duì)地電位升高,這樣會(huì)使 “門衛(wèi)處金屬伸縮門”帶電,而當(dāng)人員觸碰故障設(shè)備外殼后,非安全電壓會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)人體的電流進(jìn)入心室纖維性顫動(dòng)閾,進(jìn)而引起人員傷亡。

與之相比,TN-C-S系統(tǒng)特點(diǎn)是各單體供電電纜均采用四芯電纜(3相線+PEN線),特別是每個(gè)構(gòu)建筑物均做總等電位聯(lián)結(jié)并與自身自然接地體或人工接地極聯(lián)結(jié),本單體的PE線取自建筑自身的接地極或接地體,全廠接地網(wǎng)不形成統(tǒng)一接地網(wǎng)。在設(shè)備絕緣發(fā)生損壞而導(dǎo)致碰殼故障時(shí),故障電流會(huì)通過相線、設(shè)備外殼、流經(jīng)PE線后分成兩回路:第一個(gè)回路通過PEN線流回變壓器中性點(diǎn),第二回路通過本單體接地電阻后,經(jīng)由大地流入變電所接地電阻,回到變壓器中性點(diǎn)。此時(shí)預(yù)期接觸電壓Ud=Id2(第二回路故障電流)×RE(設(shè)備外殼至本建筑總等電位板之間的PE導(dǎo)體電阻與本建筑接地電阻之和)。經(jīng)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)際核算,此預(yù)期接觸電壓可有效降至50 V安全電壓以下,假使本建筑供電電纜也因截面選擇過小而導(dǎo)致速斷保護(hù)切斷故障回路不及時(shí),人員觸碰故障設(shè)備外殼后,流經(jīng)人體的電流不至超過擺脫閾,保障人員安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)污水廠設(shè)計(jì)中的負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行精細(xì)化分類,優(yōu)化了變壓器的配置,避免全廠負(fù)荷“一刀切”帶來(lái)的變壓器容量浪費(fèi),節(jié)省了初期投資和運(yùn)行費(fèi)用,提高了變壓器利用率。

對(duì)某觸電事故進(jìn)行深入分析,對(duì)比了兩種接地形式在設(shè)備絕緣發(fā)生損壞導(dǎo)致碰殼故障時(shí)不同的故障回路導(dǎo)致的不同的預(yù)期故障電壓的大小;對(duì)比了兩種接地形式下斷路器保護(hù)的可靠性。最終得出了各單體均做總等電位聯(lián)結(jié)的TN-C-S系統(tǒng)在大型廠區(qū)建設(shè)中可以有效地保證設(shè)備和人身安全;而其由于采用四芯電纜并且無(wú)須做統(tǒng)一接地網(wǎng),也能節(jié)省電纜的銅材及接地網(wǎng)的鋼材消耗,故而TN-C-S系統(tǒng)在大型廠區(qū)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用。