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【题目】污水厂电气系统的设计与施工探究
【第一章】污水处理厂电气工程建设探析绪论
【2.1 - 2.4】现阶段供电系统状况与主要设计内容
【2.5 - 2.12】污水处理厂电气辅助设计与照明设计
【第三章】污水处理自控、仪表设计
【第四章】污水处理厂电气施工
【总结/参考文献】污水厂电气部分的设计与实现研究总结与参考文献
2.5负荷计算及变配电系统
2.5.1污水处理厂扩建后电源情况本次工程设计规模为 10×104m?/d 污水处理。
根据厂区内各建筑布置及用电设备的分布情况，以及供电方案比较后的最优方案，在厂区内新建 2 处 10kV/0.38kV 变电所，分别设在鼓风机房和提升泵房附属建筑物内。鼓风机房变电所负责鼓风机房、污泥处理间、二沉池、紫外线消毒池等构筑物的配电、控制。
提升泵房变电所负责粗格栅间及提升泵房、细格栅间、初沉池、生化池等构筑物的配电、控制。
2.5.2污水处理厂负荷计算为了更好地完成污水处理厂的电气设计，需要对厂区用电负荷进行详细计算，包括：各用电设备的有功功率 P,无功功率 Q、视在功率 S 及功率因数λ，【公式1】
各建筑单体内用电设备详细的需用系数及功率因数根据全国给排水设计手册及有关电气设计规范选取。工艺设备均按照需用系数法计算，各设备有功功率、无功功率、视在功率等详见负荷计算表 2.1.
根据负荷计算表，计算出鼓风机房变电所的有功功率为 900.1kW,无功功率为 286.6kVAR,视在功率为 945.6kVA,补偿容量为 432kVAR,补偿后功率因数达到 0.976（补偿方式采用低压侧统一补偿方式）。设置两台 800kVA/10/0.38kV干式变压器，两台变压器同时使用，互为备用，变压器负荷率为 58%.在故障状态下，一台变压器满足全部二级负荷用电要求。380V 侧各建筑单体接线方式均采用双电源进线，单母线分段带联络开关的运行方式。
根据负荷计算表，计算出提升泵房变电所的有功功率为 466.2kW,无功功率为 186.1kVAR,视在功率为 502kVA,补偿容量为 160kVAR,补偿后功率因数达到 0.957（补偿方式采用低压侧统一补偿方式）。设置两台 500kVA/10/0.38kV干式变压器，2 台变压器同时使用，互为备用，负荷率为 49%.在故障状态下，一台变压器满足全部二级负荷用电要求。380V 侧各建筑单体接线方式均采用双电源进线，单母线分段带联络开关的运行方式。
根据计算负荷数据，二期增加负荷为 900.1+466.2≈1460kVA.整厂用电负荷总容量为 1460+2850=4310kVA.整个厂区 10kV 侧最大电流为 250A,电力外线满足符合要求。本工程计量在一期总变电所 10kV 中压侧。更换厂区变配电所专用计量箱。本工程主要动力负荷均为 380V/220V 低压负荷。低压控制回路电源均采用 220VAC.
2.6主要电气设备清单表
根据设备用电情况，举例污水处理厂主要配电间的设备及动力线缆、控制线缆等电气设备清单。
2.7低压系统控制回路保护方式的比较及选择
在低压系统中，电机回路需要在过电流或者短路的情况下保护，需要在低压回路中设置相关保护元器件组合。
在 0.4kV 的低压回路系统中，380V 低压回路的保护方式包括：电机过负荷的保护方式、电流短路的保护方式、接地系统的保护方式、低电压的保护方式等等。在对电机回路保护方面通常有两种方式可以选择：第一种是传统的采用断路器、接触器及热继电器的组合进行保护；另一种是断路器、接触器及电动机保护器的组合进行保护。近些年在工业工程中，尤其是在用电设备如水泵、风机、电动阀门等较多的项目中组合使用。
第一种组合方式的优点：对于常用的电机额定容量小于 37kW 的设备电机，通常采用空气断路器、低压交流接触器及热过载继电器的组合方式来实现以上所述的保护及控制；此方式最大优点是热继电器价格方面有比较明显的优势。
第一种组合方式的缺点：传统接触器、继电器的组合，只能实现简单的通断，信号传输到控制柜内需要硬接线点对点传输，线缆敷设量较大，人工施工工期较长，后期调试需要控制柜供货厂家根据原理图进行调试，且只能传输启动及停止信号。
第二种组合方式的优点：断路器、接触器及电动机保护器的组合进行保护的。电动机保护器最大的优点在于可以给电机全面的保护控制。当电机出现三相不平衡、过电压、欠电压、欠电流、过电流、断相、短路、漏电、接地、定子转子偏心、绕组老化均予以报警信号或保护控制。并且在控制信号方面，可编程控制柜远程控制设备的启动、停止，及接收设备的运行信号，仅通过一根通讯总线即可完成，并且多台设备可以串联一根通讯总线实现数据及信号的传输，节省了很多点对点的硬接线费用、接线人工费用及后期设备调试费用。
第二种组合方式的缺点：电动机保护器相比较热继电器，缺点是价格较高。综上所述，电机回路保护方案选择第二种方案，即断路器、接触器及电动机保护器的组合进行保护。对于常用的电机额定容量大于 37kW 的设备电机，由于单机容量负荷电流较大，并且采用电动机保护器的保护方式极其容易出现误动作等现象的发生。因此采用空气断路器、低压交流接触器及软启动控制机或低压变频器的方式，来进行低压操作和保护来实现电机过负荷保护、电流短路、以及对低压设备的保护、控制等功能。图 2.3 为污水处理厂 GGD 型低压配电柜的保护方式。
2.8用电设备的控制方式
在污水处理厂中，为了实现现代电气专业所推崇的安全可靠、智能管理等操作目标，污水处理厂内对于用电设备，设计上选取手动与自动控制相结合的控制方式。即实现设备现场就地按钮箱控制的方式与在控制室内通过可编程控制柜远程集中控制的方式相结合。
当电气安装完成后，进入用电设备安装及单机调试及运行后期，当设备出现问题需要停工设备检修时，即可在设备现场通过就地手动按钮箱手动控制的方式启动停止设备，来实现设备的维修；污水处理厂联动调试运行时，可以采用控制室可编程控制柜集中自动控制的方式来实现操作；当水厂正式投产后，用电设备正式投入运行后，在控制室内，操作人员可以在可编程控制柜以自动控制的方式控制生产车间的各种用电设备；当工作人员在生产车间巡视设备运行情况时，当发现现场有紧急情况需要启动或者通知用电设备时，可以在设备旁的现场按钮箱通过手动自动转换开关，调节到手动模式，即可在现场按钮箱上手动操作，触碰停止按钮，以实现停止运行设备的目的。设备现场的按钮箱上设计会配备一个手动自动转换开关，通过手动或者自动模式，来实现可编程控制柜的远程控制和现场控制两种模式。可编程控制柜的自动控制通常设计 HMI 触摸屏的控制操作页面来进行相关的控制操作。现场手动控制通过现场的就地按钮箱按钮来实现启动、停止、手动、自动等操作。
2.9电力电缆选择与敷设路径
变电后的有效电能通过电力电缆、电线等传输介质，传输到到末端用电设备。污水处理厂电气设计中，当电缆在室内敷设时，设计上通常选用的动力电缆形式为：交联聚乙烯绝缘材质。当电缆在室内敷设时，设计上通常选用的动力电缆形式为：交联聚乙烯铠装材质。
设计时选择线缆线径时，应运用公式计算电缆电压损失。线路的电缆电压损失计算公式： △U=I×RL:线路长度 ;S:电缆截面； A:导体材质系数（铜为 77,铝约 46）；P:线路负荷。电阻率 ρ 铜为 0.0172（？Ω？ m）铝为 0.028（？Ω？ m）电流 I=P/1.732×U×COSφ电阻 R= P*L /电缆截面电压降 △ U=IR<5%U 即满足要求。电缆的铺设路径通常为：在室内从低压配电柜内出线，经过电缆沟及电缆托盘相结合的方式最终通过热镀锌钢管及金属软管连接的方式，最终与设备电机可靠接线。路灯照明采用铠装电缆直接埋地敷设。图 2.4 为电力电缆电缆沟内敷设。
2.10照明设计
2.10.1照明设计的范围及种类
照明是建筑物内必须配置的一项设计，建筑物通过合理的照明照度，可以在保证节能的前提下，在合理的照明照度下完成生产任务。
污水处理厂的照明一般由生产厂房、附属建筑用房及综合办公楼组成。照明设计通常包含建筑物内设计、建筑物外设计以及特殊特定场所（如加氯间）的照明设计。污水处理厂建筑物内照明包含高压配电间照明、低压配电间照明、变压器室照明、水泵间照明、泥处理间照明、格栅间照明、鼓风机房照明、警卫室照明等。
污水处理厂按照建筑结构的形式，可以分为单层建筑和多层建筑。单层建筑如配电间、机修间、警卫室等；多层建筑如粗细格栅间、鼓风机房等。污水处理厂的楼房层数不是很多，但是根据生产要求楼房的单层高度较高，比如泵房间、格栅间等，设备较高，多采用弯杆壁灯的形式，对于跨度较大的池体，弯杆壁灯可以保证日常工作照明，但是一旦池体内需要检修，弯杆壁灯的照度就达不到照度要求了。通常此种情况下，设计师会在适当的位置添加大功率的探照灯，便于池内设备维修、清洗、更换之用。
2.10.2照明设计的电压等级及照度
照明的电压等级采用220/380V三相五线制系统。
照明照度通过具体生产、工作用房的用途，根据建筑照明设计标准[10]要求，合理计算个生产、工作用房的照明种类及数量。污水处理厂的照明种类：污水处理厂照明系统简单可以划分为正常工作照明、事故应急照明两大类。重要配电场所及污水处理厂综合办公楼等主要出入口应设置应急照明。灯具选择上均应选用节能型灯具。在特定的环境下，如潮湿环境场所及强酸强碱的环境下，采用密闭型 I 类灯具，灯具配线均应包括 PE 接地保护线。办公室、值班室、控制室及配电室等功能用房内均需要增设安全型插座，并根据工程具体情况适当考虑空调用电插座。低压配电间照度为 200lx,控制室照度为 300lx,办公室照度为 300lx,泵房间照度为 100lx.机修仓库为 100lx.
照明灯具及线路：照明线路均采用铜芯塑料线，普通照明回路穿阻燃塑料管暗敷设，应急照明穿钢管暗敷设。
2.10.3照明设计程序
照明设计前应该遵循程序进行设计，需要知道建筑平面、高度等基本参数方可进行下一步的选型设计。
照明设计的程序包括以下几个方面的内容：
（1）根据污水处理厂的布置情况，收集照明设计中需要的技术资料和根据现场的建筑形式、结构的形式、装饰的造型、给排水管道及通风管道的安装位置及高度、门窗的位置、及窗户的高度等。
（2）根据污水处理厂内各建筑物的具体情况，提出各建筑物的照明设计方案，根据各房间的照度值进行计算，确定各房间的灯具种类及布置形式及具体数量。
（3）绘制施工图纸，编制照明灯具数量规格明细表，并交由经济预算人员编制工程量清单。
2.11污水处理厂电气辅助设计
2.11.1污水处理厂避雷设计
生活中雨天会有雷电，而建筑的最高处或尖端最容易遭到雷电的袭击。关于避雷设计，首先要掌握一个基本概念--雷暴日。雷暴日指的是某地区一年中有雷电放电的天数，一天中只要能听到大于一次的雷声就算一个雷暴日。通过调研，本次污水厂建设所在城市延吉市的年雷暴日为 36.7 天/年。
计算雷击次数及计算防雷类别，参照建筑物防雷设计规范[8]要求，结合避雷公式计算。
年预计雷击次数： N = k×Ng×Ae其中： 校正系数 k = 1.0年雷暴日：Td建筑物的雷击大地的年平均密度： Ng = 0.1×Td等效面积：Ae（实际面积向外扩大后的面积）经过污水处理厂内所有新建构筑根据防雷计算，均为三类防雷建筑物，各单体采取相应防雷保护措施。设计考虑到直接雷击以及感应雷过电压对建筑物及电气设备装置的危害，在污水处理厂区内针对各种雷击对各单体采取防雷保护措施。
2.11.2污水处理厂接地设计
建筑物通过雷击通过避雷带过避雷针经建筑物内主筋引下至建筑大地板内主筋，最终将闪电传向大地。
污水处理厂内粗格栅间、细格栅间、鼓风机房等建筑在屋面设置接闪带，防止直接雷击。进、出建筑物的供配电线路、控制回路的通信网络端口以及室外4~20mA 的数字量的信号、模拟量的信号、设备的进线端口和设备的出线端口，设计中按照要求应设置防雷过电压保护装置。污水处理厂的变电所和配电间内，高压、低压母线均应设置相应的避雷装置。在厂区内敷设的电力电缆和控制电缆，需要在接线端处设置相应的防止过电压的电气装置，其接地装置应与厂区的接地系统可靠相连。
污水处理厂内各建筑物、构筑物的接地网利用柱内主筋及大地网内钢筋可靠焊接，引出至厂区的接地线与原厂区接地网连接，采用热镀锌扁钢，规格为 40×4mm.使污水处理厂连成环网，使全水厂形成统一接地网。电气系统、自控系统、仪表系统、通信系统、防雷系统等，共同使用一套 TN-C-S 接地系统。即采用了综合接地的接地形式。确保污水处理厂内整个接地系统处于等电位连接状态。各建筑单体内需要设置总等电位连接端子箱以及局部等电位连接端子箱。防雷、接地、电气工作接地以及控制系统工作接地共用的接地电阻应该小于 1 欧姆。接地安装完成后，通过万用表实际测量，若达不到设计的电阻要求，应该在厂区内或建筑物附近设置人工接地体。所有用电设备以及不带电的柜体的金属外壳部分和用电设备的金属外壳均应与接接地线可靠连接。变压器应设置工作接地。给排水的金属管道、采暖通风的金属管道以及室外构筑物的裸露的金属构件、配件以及电气设备的非带电金属壳体，均应与接地网可靠连接，图2.6 为建筑物接地跨接。
2.12污水处理厂电气防火设计
建筑火灾与其他类型的火灾比较，火势蔓延非常迅速、扑救比较困难、并且在人员密集的地方，容易造成人员伤亡。经济损失严重是火灾的另一大特点。污水处理厂内的电气防火设计，首先根据建筑规划总图，根据爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范[11]进行设计。
在鼓风机房、送水泵房等生产设计现场的配电箱，以及各单体的配电间内的低压配电柜，设计上宜采取隔热、防腐等相关的保护措施。
（1）、按照污水处理厂的供电设计规范，污水处理厂厂区内设10kV总变电站，分别向厂区内各建筑物、构筑物供电，其防火措施。
（2）、污水处理厂10kV变电站以及各构筑物低压配电间内消防设施均应采用化学灭火装置。
（3）、有爆炸危险的操作环境下，电气设备及照明回路均需要采取相应的防火防爆处理，电气回路导线应选用绝缘铜芯线，穿热镀锌金属管沿墙暗敷设，明敷设的金属管应在其管外侧涂刷防火漆。
（4）、在有爆炸危险的场所内（如加氯间），电气设备及照明线路应该在布置上及防护上采取相应防火防爆措施。防止化学腐蚀、机械外力等因素的影响。供应的用电设备应符合防腐蚀、防日照、防风沙、防雨雪、防潮等各种环境。其电气结构应该满足国家标准的电气规范的相关规定，不可以降低防范爆规等级及防爆性能的强制性要求。
（5）、污水处理厂供电负荷等级为二级负荷，进线电源为双回路供电。一旦意外发生火灾时，UPS不间断电源供电应具有安全可靠性，UPS根据安装在不同的位置，选用的容量也不尽相同。在重要的功能区域，如变配电所、控制室等位置，还应该设置故障应急照明灯，应急照明应自带镍镉电池。消防应急照明电压和普通照明一样，采用220/380V三相五线系统。厂区内所有涉及防火区域的应急配线回路，均应采用低烟无卤阻燃电线或低烟无卤耐火电线穿热镀锌钢管明敷设或暗敷设，明敷设的金属管应在其管外侧涂刷防火漆。配电间、泵房内设置应急照明，选用自带蓄电池形式，应急时间大于180min.
（6）、变配电室的门，应选用外开式的防火隔热门，高压配电室与低压配电室之间的门应向两个不同方向开启，防止关键时刻同时开启出现磕碰及互相阻挡等情况。配电间内的耐火等级，不应低于二级。
2.13本章小结
本章通过对污水处理厂电气设计的介绍，从设计方面介绍了污水处理厂电气工程的几个方面：设计依据、用电状况、设计内容、供电形势、负荷计算及配电系统、低压控制保护形势、控制方式、照明部分、接地及防雷部分、防火设计及计算书等进行了简单的介绍和大致的概括。
