刘勇

（成都市市政工程设计研究院有限公司，四川成都 610023）

0 引言

本文以笔者参加成都市高新区、天府新区一批排水泵站（提标改造、新建）为例，结合多年泵站电气设计经验及类似项目评审经验，综合运维单位反馈意见等，探索排水泵站电气设计中关于供电电源、负荷计算、设备选型、控制方式等方面的解决思路。

成都市主城区排水泵站主要分为3类：下穿隧道配套泵站、下沉式道路配套泵站、城市低洼区域防涝排水泵站。本次下穿隧道（下沉式道路）配套泵站提标改造工程，分为单纯电气系统改造、电气系统改造加监控系统完善两种类型；区域防涝排水泵站为新建。

由于城市排水泵站中排水泵采用低压电机占绝大多数，本文相关内容均指采用低压电机泵站，不含6/10kV中压电机泵站。

1 供电电源

1.1 负荷分级

本次主城区提标改造的多座排水泵站电源状况基本分为以下4类，如表1所示。除因排水泵功率增加，电源扩容外，为增强供电的可靠性同时兼顾经济性、实施难度，对二、四类电源予以改造。

表1 排水泵站的电源型式

城市排水泵站负荷等级按《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）、《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》（CJJ/T 120—2018）执行，两本标准要求基本一致，即普通的排水泵站按二级负荷考虑，特别重要的排水泵站按一级负荷设计[1-2]。

对类型二，本次改造增加柴油发电机接口，类型四主要为少数建设较早的泵站，由于多种原因暂无法解决双电源及固定柴油发电机，只得在汛期配置移动柴油发电车的方式，但造成运维不便，本次改造拟增加一路市电或设置固定柴油发电机，改造为类型二或类型三。

笔者建议新建排水泵站电气设计中有土建条件设置柴油发电机房时，宜优先采用市电加柴油发电机的供电方案，不具备条件时采用两路市电的供电方案，但此时应预留柴油发电机快速接口，理由如下：①排水不畅、区域积水造成的社会影响大，城市管理部门对防洪排涝比较重视，汛期各排水泵站基本有人值守，具备管理柴油发电机的人员条件。②排水泵站的年运行时间短，集中在汛期短时运行，采用柴油发电机做为备用电源经济上可行。③正常运维的柴油发电机安全、可靠、可控，技术上可行。

1.2 变压器的配置

1.2.1 下穿隧道（下沉式道路）排水泵站

根据成都市主城区下穿隧道（下沉式道路）排水泵站信息调查显示，泵站装机功率大致在66~800kW之间，所配变压器容量约125~1000kVA，总体装机功率不大。受进水管网、结构渗漏水、集水池容积等影响，排水泵在非雨季的启用频率约一天两次至十天一次，一次约几分钟，此类泵站变压器为泵站所有设备供电，非检修时变压器均带电运行。

1.2.2 低洼区域防洪排水泵站

对仅汛期使用防洪排水泵站，负荷季节特征明显，类似于建筑工程中冷水机组等季节性负荷。当低压装机容量较大时，变压器自身的损耗已接近或超过泵站日常用电负荷时，宜单独设排水泵用变压器，另设小容量站用变日常使用，排水泵用变压器平时停用，汛期启用，以降低变压器损耗造成的泵站运行成本。如笔者参与设计的某防洪排水泵站，设200kW灌流泵八台，配2000kVA变压器两台，一用一备，平时停用，汛期启用；泵站另设两天63kVA柜内站用变供泵站日常使用。

2 水泵电机启动方式

水泵电机常见的启动方式有全压启动或降压启动。虽然全压启动最为简单可靠，但综合经济、技术等指标并不是排水泵站的最优选择。

排水泵站负荷单一，使用频率低，采用全压直接启动对变压器、柴油发电机容量要求较高，导致泵站初期投资大，变压器长期负载率低，损耗偏大，泵站运行成本偏高。随着电力电子技术发展，降压电子软启动器以其适应面广、保护功能完善，得到大量应用，笔者认为其对负荷单一的排水泵站较为适合。通过成都市下穿隧道（下沉式道路）配套泵站信息调查显示，排水泵基本采用降压电子软启动，运维单位经过多年的使用，也侧面证实其可靠性，仅在少数早期建设泵站，为节省投资，采用一控二、一控三软启动器，但后期为增强其可靠性，均调整为一控一。

当排水泵站与其他建（构）筑合建，如规模较大的地下道路时，排水泵在整个负荷容量中占比不高时，有条件直接启动应优先采用直接启动，更为简单可靠。

采用软启动器时建议装设外置旁路接触器，当软启故障时，如有必要可切除故障的软启动器，电机直接启动，旁路接触器可按AC-3工作制选用。软启动器应带过热、过载、缺相等保护功能，该功能在旁路时应仍能维持。

3 变压器高低压侧保护定值协调性

当排水泵总容量接近变压器容量时，应核算变压器高压侧断路器整定值与低压侧断路器整定值的匹配性，避免越级跳闸。通常变压器低压侧出口断路器整定值由设计单位或用户确定，常按有利于设备运行整定，而高压侧通常由供电部门确定，常按有利于故障切除，一般变压器最大的负荷电流。当低压侧整定值不当时，会造成变压器高负载或满载时越级跳闸。

4 控制与保护

4.1 液位计的选择

给水排水工程中常用的液位计有电容式液位计、静压式液位计、超声波液位计、雷达液位计。

电容式液位计不受真空、压力、温度等环境条件的影响，可测量强腐蚀性、高温高压介质、密闭容器的液位[3]，常用于石化、冶金、造纸等行业液位测量。

静压式液位计分为杆式、缆式，杆式适合液面扰动大及腐蚀性液体液位测量，缆式适合深井[3]。城市排水泵站由于用电原因，集水池尺寸均较为紧凑，水泵运行对水面影响大；汛期水池中常用漂浮物，泡沫等，将缆式静压液位计装于防波管中，测量误差小，运行可靠，是城市排水泵站较理想的液位测量装置。

超声波液位计由于汛期集水池中有固体漂浮物或泡沫，会造成超声波液位计的可靠性降低，同时价格相对于偏高，在排水泵站中应用不多。

雷达液位计由于价格高在排水泵站中应用少。

早期建设的排水泵站部分采用浮球（筒）液位计，由于集水池中偶有塑料袋、棉麻或人工纤维等杂物卡堵在浮筒和导管之间，造成浮筒浮动困难导致液位计失效，此类液位计在排水泵站中已基本淘汰。

综上比较，静压式液位计是城市排水泵站中比较适合的液位计。

笔者参与改造的排水泵站中，泵站虽已实现手自动运行，但部分泵站现场无水位显示装置，给调试、运维带来诸多不变。建议当泵站旁有可编程逻辑控制器（programmable logic controller,PLC）触摸屏时，可将液位信号在触摸屏显示，否则应选用带显示功能的分体式液位计，将液位显示装置设置于便于观察巡检的位置。

4.2 控制器的选择

早期建设的排水泵站有的采用液位控制器、电机保护器对排水泵进行自动控制，但由于其通用性、拓展性不强、通信协议不一，在排水泵站的提升改造中已基本被PLC控制器替代，PLC优势如下。

（1）产品模块化、标准化、通用性强，工作稳定可靠、拓展、替换方便[4]，可降低运维单位成批量管理的泵站运维成本。

（2）接口丰富，可监测水位、电机状态、重要供电回路开关状态、电流电压参数、大型水泵电机轴温绕组温度、大型泵组的振动监测、泵房的环境监测等。

（3）便于组网、集中管理，以及强大的组态软件定制开发。采用有线/无线方式集中组网，上传设备状态，分析设备故障原因，通过人工智能（artificial intelligence,AI）算法实现有损部件的使用寿命预测，合理安排备品备件，实现前瞻性维护。对设备状态变化的趋势性分析，提出设备运行的优化策略等，对城市泵站群的高效管理极为有利。

如本次改造的天府新区泵站，在隧道、下沉式道路低点设置电子水尺，实时监测隧道积水状况，其信号接入PLC，驱动入口处可变情报板，实现积水监测与报警，联动路口交通信号灯。

故建议排水泵站采用PLC控制，根据泵站的重要程度、监控设备数量、组网需求等因素综合确定PLC的性能参数选型指标。

4.3 水泵电机保护

笔者参与泵站改造设计及泵站评审项目中，部分项目水泵电机的保护欠完善，以下3种保护常被忽视。

4.3.1 潜水电机漏液报警

潜水泵长期浸泡水中，需在接线室、定子室设置湿度传感器，一旦水分超标，需及时停机、输出故障信号。通常需排水专业在设计文件（或招标文件）中予以明确“由潜水泵厂家配套潜泵电机保护装置”，电气专业核实潜泵电机保护装置的输出信号种类，及相关控制逻辑，将保护信号接入潜水泵控制相关回路，作用于报警及停机。

4.3.2 中大型电机绕组、轴温监测

当水泵电机功率较大时，为了显示水泵轴承的实时温度状况，需在电动机定子铁心绕组A、B、C三相分别嵌设一只温度传感器，作为超温时停机的检测元件。一般采用PT100热电阻传感器，但其信号不能直接接入PLC标准模拟量输入（analog input,AI）模块，可采用以下3种方式接入：①选用可接PT100的PLC专用模块。②增加变送器，信号转换后再接入PLC标准AI模块。③选用选用专门的温度巡检仪接入热电阻信号，再由温度巡检仪接入PLC。测温元器件的需求由工艺专业在排水泵设计、招标文件中明确，电气、自控专业配合，完成中大型电机绕组、轴温测温监控。

4.3.3 低液位停机保护

正常情况排水泵站根据水位自动运行，但在液位计故障或信号失效时，可能会导致水泵低水位空转，为避免这种情况，建议设置液位开关，水位过低时，液位信号直接作用于停机。

5 水泵控制柜一二次元器件设置

一搬下穿隧道（下沉式道路）配套泵站水泵电机总功率不大，基于用地、景观等考虑，采用箱变供电较为普遍，变压器容量一般超过800kVA时[5]，更大容量的变压器应考虑设置变配电房。

笔者建议当采用箱变供电时，水泵控制的一次元器件（断路器，接触器，软启动器等）可设置于就地控制柜中。泵站设置变配电房时，室内环境较好且便于运维，建议水泵控制的一次元器件设置于低压柜中，现场设置的就地控制箱。但无论一次元器件设置于何处，水泵旁应设置就地控制装置。

6 水泵厂家配套控制柜的约束性要求

泵站改造项目中，部分水泵控制柜常由厂家配套，当缺乏设计文件或招标文件约束时，控制柜元器件组成，柜内主回路、控制与保护功能不太规范。

笔者建议，设计单位应按规范对厂家配套的控制柜提出约束性要求，如外观类：柜体材质尺寸，防护等级，按钮、指示灯、手/自动转换开关安装位置，测量表计等；柜内元器件组成类：隔离电器、短路保护、进线浪涌保护、电机控制器、通讯接口等，以确保功能完整，使用安全。

7 组态软件要求

目前多数的排水泵站由PLC控制，基本可以实现泵站内设备的监控。但总体来说，功能较单一，距离智慧化运维尚有差距。建议在设计时，根据泵站的重要程度，投资等综合评估，对数据采集、系统开发、快速组态、应用场景、数据库等做出有一定控制性要求，并结合地区运维管理需求，尽可能标准化，通用化，如平时、汛期多台水泵的运行分析，轮换控制策略，通过设备故障分析实现前瞻性维护，实现设备健康状态可视化等，让排水泵站成为智慧排水乃至智慧水务的有机组成部分。

8 结语

建议排水泵站备用电源有条件时选择柴油发电机，水泵启动采用一控一外置旁路电子软启动器，变压器负载率较高时需统筹高低压侧保护的协调性，液位计选用带液位显示的缆式静压液位计，控制器选用PLC，水泵电机应按规范设置相应的电机保护装置，应设置水泵就地控制装置，对厂家配套设备或需集成商二次开发的软件应有较完善的约束性要求。