第二部分 城市供水系统电气部分Word文档格式.docx
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只有一回电源线路和单台变压器并仅装一台机组，各元件串联连接，其间没有任何横的联系的接线，称为单元接线。
适用于单回路供电线路、单台变压器的二、三级负荷泵站。
图4-1（a）变压器两侧有断路器。
T内部故障时，继电保护装置作用于DF1跳闸；
T二次测母线故障时，继电保护装置作用于QF2跳闸。
图4-1（b）变压器容量小，QS1能切断变压器的空载电流。
图4-1（c）通常用于由35kV供电的小型泵站变电所（35/0.4kV）。
变压器的过电流和内部故障保护有跌落式熔断器完成，低压母线的故障保护由变压器二次测低压断路器完成。
2）线路-变压器扩大单元接线
图4-2线路—变压器扩单元大接线原理图
适用于单回路供电线路、两台（或多台）变压器的二、三级负荷泵站，泵站运行灵活。
图（b）可采用“常用—备用”的运行方式。
2、桥式主接线
桥式结线用于有n回进线和n回出线的情况，通常是二进二出。
桥式结线实际是单母线分段结线中进出线回路数相同，且取消进线或出线断路器时的特殊情况。
将此时的母线联络断路器称为桥断路器。
桥式结线分为外桥式结线和内桥式结线。
（a）内桥接线（b）外桥接线
图4-3桥式主接线原理图
（a）内桥接线适用于故障概率较大的长线路和变压器不需要经常操作的一、二级负荷的泵站。
（b）内桥接线适用于变压器需要经常操作的一、二级负荷的泵站。
二、低压侧主接线基本形式
单母线分段或不分段——（灵活性）
图4-4单母线分段接线原理图
三、主接线上互感器的配置
（一）TA的配置
在各个主电动机和主变回路内应装设TA，以满足测量仪表和继电保护的需要。
由于泵站主电动机回路多属于小接地电流系统，故只需在两相上装有TA，而在主变的高压侧回路，通常在三相上都装有TA。
（二）TV的配置
泵站母线上应装设一组星形/星形/开口三角形接法的TV，供测量仪表、结缘监察和继电保护之用。
若为单母线分段，每段母线上各装一组星形/星形/开口三角形接法的TV。
若需在T高压侧计量收费，则应在高压侧另装一组TV。
第五章继电保护
5.1二次回路的基本概念
5.1.1二次回路的概念
1、一次设备——直接和发配电电路相连接的设备进行能量转换的设备：
发电机、变压器、电动机接通和开断电路的开关设备：
QF、QS、FU、负荷开关限制电流和防止过电压的设备：
电抗器、避雷器
2、二次设备——对一次设备、其它设备的工作进行监测和控制保护的设备用于反映不正常工作状态——继电器、信号装置测量电气参数的设备：
仪表、示波器、录波器控制及自动装置：
控制开关，同期及自动装置连接电路的导体：
控制电缆、小母线、连接线。
3、二次回路
二次设备经导线或控制电缆以一定方式相互连接所成的电路称为二次回路，也叫二次接线。
4、标准图形和符号
表1常用继电保护元件文字符号
中文名称
文字符号
英文名称
旧符号
继电器
K
Relay
J,JC
电流继电器
KA
Currentrelay
LJ
电压继电器
KV
Voltagerelay
YJ
信号继电器
KS
Signalrelay
XJ
时间继电器
KT
Timerelay
SJ
中间继电器
KM
Mediumrelay
ZJ
差动继电器
KD
Differentialrelay
CJ
气体继电器
KG
Gasrelay
RJ
温度继电器
KTE
Temperaturerelay
WSJ
热继电器
KH
Heatingrelay
连接片
XB
Link
LP
合闸线圈
YO
Closingoperationcoil
KQ
跳闸线圈
YR
Openingoperationcoil
TQ
电流表
PA
Ammeter
A
电压表
PV
Volmeter
V
电度表
PJ
Watthourmeter
Wh,varh
5.1.2二次回路图
1）原理图—体现工作原理
特点：
所有回路元件以整体形式绘在一张图上。
画图时：
①不用画出内部接线、引出线端子的编号；
回路的编号。
②直流仅标明电源的极性，不用标出从哪一熔断器引出。
③信号部分在图中仅标出“信号”。
2）展开图
画图时：
①分别按交流电流、电压、直流回路绘出；
②所有图形符号和文字符号要用国标且同一元件的线图及触点采用相同的文字符号；
③所有开关电器和继电器的触点都按照正常状态画出；
（开关电器在断开位置，继电器的触点在线圈不带电状态）
④每一回路右侧用文字说明作用；
3、安装接线图——为施工图纸。
a、屏面布置图（比例图）
b、屏后接线图（屏内元件连接图，端子排图）
5.2保护的作用、基本原理及要求
5.2.1保护的作用
1、当被保护设备或线路发生故障时，保护装置迅速动作，有选择地将故障元件和电源切开，以减轻故障危害，防止事故蔓延，保证其他部分迅速恢复正常生产。
2、当线路或设备出现不正常运行状态时，保护装置发出信号、减轻负荷或跳闸。
5.2.2保护的基本原理
供配电系统中使用着各种各样的保护装置，尽管它们在结构上各不相同，但基本上都是由测量部分、逻辑部分和执行部分三个部分构成，如框图所示。
图5-1保护装置组成框图
其中测量部分用来反应和转换被保护对象的各种电气参数，经过变换后，送给逻辑部分，和整定值进行比较，作出逻辑判断，当判别出被保护对象有故障时，起动执行部分，发出操作指令，使断路器跳闸。
供配电系统发生故障时，相对于正常运行状态，很多电气量都要发生明显变化。
例如：
在短路回路中电流会突然增大；
故障相的相电压或相间电压会下降，而且离故障点愈近，电压下降愈多，甚至降为零；
电压和电流间的相位角会发生变化；
测量阻抗（保护安装处电压和电流相量的比值）会发生变化；
电气元件两侧电流关系发生变化；
出现负序和零序分量等。
利用供电系统故障时运行参数和正常运行时参数的差别可以构成各种不同原理的保护装置。
5.2.3对保护装置的基本要来
1、选择性
2、速动性
3、灵敏性
（1）对于过电流保护，灵敏系数
（2）对于欠电压保护，灵敏系数
4、可靠性
5.3主电动机保护
5.3.1主电动机的故障形式
定子绕组的相间短路、单相接地、匝间短路等是中压电动机最常见的故障。
它们可能导致电动机严重损坏，并引起电网电压下降，应尽快切除这些故障。
过负荷是电动机主要的不正常运行状态。
引起过负荷的原因是电动机所带机械负荷过大或机械部分故障、供电网络电压过低及～相断线等。
长时间过负荷运行，将使电动机温升超过允许值，造成绝缘老化，甚至烧毁。
鉴于上述情况，对于中压电动机的定子绕组及其引出线，一般应装设电流速断保护；
对于易发生过载的电动机应根据负载特性，装设带时限作用于信号或跳闸的过负荷保护；
另外，还可装设低电压保护。
当电压短时降低时，应在一定时限内切除次要电动机，以保证重要电动机的自起动再运行；
在中性点不接地系统中当电动机单相接地电容电流大于10A时，应装设单相接地保护作用于跳闸。
此外，电动机常用热继电器、感应式继电器、半导体继电器及直接反应电动机绕组温度的温度继电器、直接反应电动机轴温的温度继电器等，作为电动机过流及过负荷保护。
1电动机的纵差动保护
图5-2电动机纵差动保护原理接线图
在电动机两端各装一组型号、变比相同的电流互感器，将它们的二次侧按环流法连接。
正常运行或外部故障时，流过继电器的电流为：
继电器不动作。
若电动机绕组及引入线相间短路，流过继电器的电流为：
继电器反应短路电流而动作，跳开断路器，切除故障。
2单相接地保护
图5-3电动机单相接地保护
电动机单相接地保护接线见图6-6。
保护由一个具有环形导磁体的零序电流互感器TA、电流继电器KA、中间继电器KM及信号继电器KH组成。
3同步电动机的失步保护
5.3变频启动和软启动方式在供水站中的使用
在供水站中最常用的就是三相异步电机，在民用和工业工程电动设备中，由于其电机启动特性,这些电动机直接连接供电系统（硬启动），将会产生高达电机额定电流5~7倍的浪涌（冲击）电流，使供电系统和串联的开关设备过载。
另一方面,直接启动,也会产生较高的峰值转矩，这种冲击不但会对驱动电动机产生冲击,而且也会使机械装置受损；
还会影响接在同一电网上其他电气设备正常工作。
1 软启动原理及特性
异步电机启动性能主要有两个指标：
启动电流倍数和启动转矩倍数，软启动器在启动时通过改变加在电机上的电源电压,以减小启动电流、启动转矩。
电动机传统启动方式有自耦减压、Y/△减压等方式,其共同特点是控制线路简单,启动转矩不可调并有二次冲击电流，对负载有冲击转矩。
软启动可以有效地降低电动机的启动电流，其启动电流仅为标准电机硬启动电流的50%,是高效电动机硬启动电流的20%。
软启动的限流特性可有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击力矩以及对配电网络的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作；
对频繁启停的电动机，可有效控制电动机的温升，延长电动机的寿命。
目前使用较为广泛、工程中常见软启动器是晶闸管（SCR）软启动。
SCR软启动原理：
在三相电源和电机间串入三相联晶闸管,利用SCR移相控制原理（见图5-5），改变其触发角，启动时电机端电压随SCR的导通角从零逐渐上升，就可调节输出电压，电机转速逐渐增大，直至达到满足启动转矩的要求而结束启动过程；
软起动器的输出是一个平稳的升压过程（且可具有限流功能），直到SCR全导通，电机在额定电压下工作；
此时旁路接触器接通（避免电机在运行中对电网形成谐波污染，延长SCR寿命）,电机进入稳定运行状态；
停车时先切断旁路接触器，,然后由软启动器内SCR导通角由大逐渐减小，使三相供电电压逐渐减小，电机转速由大逐渐减小到零，停车过程完成。
图5-5SCR移相控制电压波形图
SCR软启动器在设计上采用了电流电压矢量传感动态监控技术，不改变电机原有的运行特性；
采用锁相环技术和单片机，根据压控振荡器锁定三相同步信号的逻辑关系设计出的一种可控硅触发系统，控制输出脉冲的移相,通过对电流的检测，控制输出电压按一定线性加至全压，限制起动电流,实现电机的软起动。
软启动从技术特性、可靠性及操作使用方面均优越于常规的自耦变压器降压起动和（Y/△）转换起动装置，无冲击电流、起动参数可调、有软停机功能、轻载功能等明显的技术优势，它克服了自耦降压起动设备接触器易烧坏，体积庞大，和负载相匹配及电动机转矩很难控制等缺点；
消除了因（Y/△）电压切换瞬间出现的二次冲击电流尖峰，避免了电动机在起动时的冲击电流对电网电压的影响。
是常规的自耦变压器降压起动和Y/△转换起动装置的较理想替代产品
软启动利用其特性，采用如下四种起停方式：
（1）电压斜坡软启动：
启动电机时，软启动器的电压快速升至U1,然后在设定时间t内逐渐上升，电机随着电压上升不断加速，达到额定电压和额定转速时，启动过程完成。
（2）限流启动：
启动电机时，软启动器的输出电压迅速增加,直到输出电流达到限定值，保持输出电流不大于该值，电压逐步升高，使电动机加速,当达到额定电压、额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流,启动过程完成。
该方式用于某些需快速启动的负载电机。
（3）斜坡限流启动：
启动电机时,输出电压在设定时间内平稳上升，同时输出电流以一定的速率增加，当启动电流增至限定值Im时,保持电流恒定，直至启动完成。
适用于泵类及风机类负载电机。
（4）软停车:
在该方式下停止电机时，电机的输出电压由额定电压在设定的软停时间内逐步降低至零，停车过程完成;
常用于水泵负载，它成功地解决了传统停车过程中的“水锤”现象。
软启动器上一般可以自带电机的保护:
缺相保护、相序保护、启动过流保护、运行过载保护及电机长时间不能启动保护等。
软启动器的保护功能动作时，其控制面板会直接显示故障信号（数字式可显示故障代码）。
软启动器面板上通常设有可调控制参数：
软启动时间、启动初始电压、启动电流限制、软停时间、软停级落电压（泵停止功能）、脉动突跳启动（针对突变负载）功能,实际运行可根据工程中设备电机具体情况结合软启动器说明设定或选用。
图5-6是一种典型软启动器控制电机运行接线图。
设计旁路接触器KM考虑以下几个方面：
不带旁路可引入电流闭环控制在负载较轻或空载时自动降低电机激磁电流，使无功电流下降，提高功率因数实现节能,空载时可节能近40%（可以有效解决“大马拉小车”状态下电机的电能浪费问题）；
但不是所有负载都应不带旁路，对于满载状态节能效果并不显著，所以对于经常满载的使用场合建议设计旁路；
带旁路设计时，SCR仅在启停时使用,运行时SCR停用,可使SCR寿命延长;
另外从散热角度考虑，可以减小软启动体积。
软启动器还可以内置一拖多专用程序控制器选件，安装于软起动器内部,实现时间控制、联锁、互锁功能，可控制多台电机的分别起动。
电机可不分先后任意起动，自动避免二台以上电机同时起动。
一台电机起动后延时时间没到,其他电机也不能起动。
2变频启动原理
变频启动即电机转速由零到额定转速的启动过程，根据交流同步电动机转速计算式，改变同步电动机的转速n，可通过改变电源频率f的方法实现。
变频启动装置就是利用变频的方法，实现水泵机组启动时，电机转速由零至额定转速的启动。
变频启动装置的基本构成：
三相全控整流桥和逆变桥组成的交—直—交电流型变频器、和电网及机端电压匹配的变压器、限流电抗器、平波电抗器及相应的高压开关设备。
变频启动装置原理接线如图5-7所示。
图5-6软启动器典型控制原理图
图5-7变频启动原理图
启动电机时，电网侧整流器将恒频、恒压的交流电变成电压可调的直流电，然后通过电机侧逆变器逆变成和电机转速相对应的频率和电压.逆变器输出的可变频率的电流送至定子绕组，和此同时，电站的励磁系统对被启动机组供给励磁电流，已励磁的转子和定子电流产生的旋转磁场相互作用，使转子产生转动力矩而启动。
在变频启动装置中，晶闸管变频器的换流（也称换相）是一个很重要的问题，换流的可靠性很大程度上决定了电机的启动性能.整流器是利用网侧线电压自然换流的，而逆变器在低速时采用电流断续换流，高速时采用反电势自然换流。
第六章水厂自动化系统
6.1水厂的控制系统组成
6.1.1水厂简介
一般水厂都包括三个部分，即:
取水车间、制水车间和送水车间。
下面以某水厂作为例子讲解。
取水车间：
取水车间的功能是从自然界（河流、湖泊或地下）中抽取原水，就是取得供水厂生产的原料。
某水厂的取水车间位于攀枝花市区金沙江边的深井内。
制水车间：
制水车间的功能是经过一系列的净化消毒过程将取水车间取得的原水生产成适合工业及日常生活使用的自来水。
该水厂的制水车间位于取水点附近，经制水车间净化消毒处理过的自来水被送至附近的清水池。
送水车间：
攀枝花市位于金沙江畔，是典型的山区城市，水厂用户分布在金沙江两侧的山上，这决定了其供水系统的复杂性。
根据实际的地理环境，该水厂采用两级接力送水。
一级送水车间（以下简称送水泵站）位于取水点附近，
其功能是将清水池中的水送至地势较低处的用户和加压水池。
加压水池位于距取水点4公里的山腰，二级送水站（以下称其为加压泵站）就位于加压水池旁边，其功能是将加压水池中的自来水送至地势较高处的用户和公园水池。
水厂示意图如图6—1所示。
6.1.2控制系统的组成
该水厂担负着整个攀枝花市东区工业、生活用水的供给任务，是攀枝花市的命脉所在。
随着城市规模的扩大，攀枝花市对水厂生产能力已不能满足城市的供水要求，迫切需要提高产量，因此进行此次改扩建工程。
水厂的泵站控制系统原来采用旧式的继电器控制系统，每个泵站都有一继电器控制盘。
操作人员根据各水池的水位人工判断是否启动或停止一水泵，然后通过各泵站继电器控制盘上的按钮启停水泵。
加药系统也由人工判断加药量的大小，通过人工调节加药阀门来控制。
这种控制方式己经远远落后于现在的技术，不能满足实际生产的需要。
图6-1攀枝花市炳草岗水厂示意图
图6—2系统网络拓扑示意图
本工程要求实现全厂的高度自动化，实现各生产现场的无人值守，整个水厂在正常情况下可以无人干预运行，在中央控制室即可实现水厂的现场运行参数的监视及控制。
本工程根据以上要求，利用目前先进、成熟的网络技术构成了水厂的自控网络:
1、采用10/100兆工业以太网络作为主网络。
2、采用光纤为网络通讯媒体并构成光纤环网，使之具有冗余功能。
3、采用全双工的光交换机，构成全双工光纤以太环网。
4、配有以太网通讯模块的PLC可直接链入光纤以太环网中，成为以太网络节点。
5、选择具有智能UO现场总线通讯功能的PLC作为现场控制器。
水厂自控网络拓扑图见图6-2所示。
由图6-2可见：
该自控网络属于光纤以太网和现场总线相结合的多层网络，主控制层为10/100兆全双工光纤工业以太环网；
网络中所有的PLC控制器、PC机和光交换机均遵循TCP/IP协议。
全厂共设深井站、加药站、送水站、加压站四个PLC子站及一个中央控制室。
各PLC子站及中央控制室皆为高速工业以太网的节点，它们之间可以通过以太网交换数据，光纤环网的冗余功能保证了以太网通讯的可靠性。
通过工业以太网，中央控制室可以向各PLC站下达控制指令、修改系统运行参数、读取现场数据等;
也可以实现各PLC站之间的数据传送。
现场层是PLC的智能IO现场总线。
各PLC站和某些现场设备如高压电机控制柜的多功能保护器之间以PROFIBUS总线通讯连接;
现场的触摸操作屏之间以MPI通讯连接。
通过下层现场总线，PLC站向连接在总线上的设备发送控制命令、读取设备数据。
1、中央控制室的系统组成
中控室配有2台监控操作计算机、2台打印机、UPS、投影仪等设备。
2台监控操作计算机是中央控制室的主体。
它们通过自身安装的以太网网卡以及一台光交换模块接入工业以太网和各PLC现场控制站相连。
每台监控操作计算机都安装一台打一印机。
两台监控操作计算机的视频输出送到视频分配器，视频分配器的输出送到投影仪，调节视频分配器可以选择一台计算机的屏幕画面显示到投影仪上。
如图6-3所示。
图6-3中央控制室系统组成图
监控操作计一算机都装有WINDOWSNT4操作系统和WinCC64KTagRuntime控制软件，在WinCC的基础上做进一步的组态开发，完成水厂数据的技术统计和系统的控制，为操作员提供人机界面，用于下达操作和控制指令等。
2台监控操作计算机采用双机热备形式，设置一致，独立工作，互为备用，完成中控室控制、显示、报警、报表、管理于一体。
通过上述配置，调度人员能及时掌握为实现水厂优化管理而需要的各管理对象的状态和控制参数，并能把所有数据整理存档，以便绘制曲线、打印报表和历史查询使用。
2、控制软件功能
●实时监控功能
1、数据采集
实时采集生产及设备的各种状态、水质参数。
采集周期可进行调整设定，保持现场仪表的就地显示一致，并在同时刷新。
2、流程画面
整个水处理系统运行状态总貌，多层次显示每个工艺单元、每个工艺设备，单个调节回路，顺控回路;
上位机通讯状态、PLC网络通讯状态、每个PLC单元FO模版通讯状态、高压供配电系统的运行状态和电量参数等画面，并在画面中以多种形式显示相关参数和状态。
对于生产重要参数，通过棒图、线壮图、数字等形式显示当前趋势及历史趋势。
监控计算机在显示画面时，均可在画面左上角用表格显示进厂、出厂水质参数、流量等重要生产指标，使值班人员随时且及时地了解全厂生产运行状态。
3、人机界面
人机界面采用开放系统的图形窗口技术，全汉化、模块化设计，支持三维图形，具有联机帮助功能，便于操作。
含有大型图库，使用界面友好、美观。
4、工况状态
通过数字、指示灯、图形等形式实时显示个工艺设备工况状态，并将相关工况状态显示在一起，便于生产操作、维护和管理。
5、参数设置
可通过填数字，滚动条托拽等形式设置时间、PID、报警上下限、工艺参数、调节回路输出等参数，以满足水质、水流量、设备、工况等的变化。
6、远程控制
设手动、自动转换开关，在手动位置可通过鼠标操作各工艺设备的启、停、阀门的开启、关闭。
现场设备相应连锁条件才可进行远程控制，每个远程控制都有确认提示，以确保现场设备安全。
●实时报警
1、报警显示
实时以不同颜色灯闪烁，语音及报警窗口画面等形式显示现场设备及网络通讯报警信息、。
并能及时将报警信息送之中控室所警屏报警。
在任何画面均可实时显示报警信息，包括报警名称、报警设定值、报警值、报警时间、报警级别、恢复时间、报警确认等信息。
报警确认后有记录。
报警窗口可通过滚动条的托拽显示全厂所有报警信息，并按先后顺序排队。
报警存在、恢复、确认使用不同颜色表示。
2、报警打印和事故追忆
报警发生后，可实时打印报警窗口中信息，以利于故障分析和处理:
可通过报警事故追忆查询当日发生的所有报警信息。
.运行报表
1、对于实时采集的生产数据、设备状态、电能消耗，可采用定时（可调）或按数据变化大小两种方式存入管理工作站历史数据库，并形成生产运行报表。
历史数据的存贮至少可达1年。
2、产生班、日、周、月、季、年数据报表等。
3、产生班、日、周、月报警报表，以供生产管理、设备事故预防维护、备品备件采购时参考。
4、对于外部产生或遗漏的信息，相关人员可在管理工作站上输入和编辑。
所有报表应便于查询，便于打印，存贮期至少一年，以供生产查询。
●数据分析
产生重要数据、参数实时曲线及历史曲线，以利于生产分析。
根据设备运行状态和检测参数、报警记录，分析产生重点工艺、设备的分析诊断。
●系统安全
分经理级、工程师级、操作员级三级操
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