水庫(kù)閘門電氣控制系統(tǒng)的改造

劉海文

羅定市羅光水庫(kù)工程管理處 廣東羅定 527200

摘要：目前，我國(guó)電力系統(tǒng)不斷擴(kuò)大、水力資源開發(fā)力度增強(qiáng)，閘門作為水利樞紐的重要設(shè)備之一，在民生工程中扮演著不可或缺的角色。本文結(jié)合具體的施工改造案例，詳細(xì)闡述了水庫(kù)閘門電氣控制系統(tǒng)改造的內(nèi)容與功能，以期為有關(guān)的建設(shè)工作提供有益的參考與借鑒，進(jìn)而推動(dòng)社會(huì)的和諧健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；閘門；控制系統(tǒng)；改造

引 言：

水庫(kù)閘門電氣元件老化時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作不靈活或誤動(dòng)作等現(xiàn)象。因此，對(duì)閘門電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造對(duì)水庫(kù)閘門在水庫(kù)綜合經(jīng)營(yíng)效益中發(fā)揮作用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍仨毥Y(jié)合運(yùn)行管理中的經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)用等多方面進(jìn)行改進(jìn)和完善，進(jìn)一步提升電氣控制系統(tǒng)的功能，使得整個(gè)工作組運(yùn)行更加穩(wěn)定。

1 電站基本概況

某水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫(kù)、地面開關(guān)站等建筑物組成，電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量250MW的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)組和發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)容量為1000MW，發(fā)電額定水頭為225m。

2 改造背景

電站每2臺(tái)機(jī)組共用1條尾水隧道，共計(jì)2條。為檢修尾水隧道，每條尾水隧道在下水庫(kù)進(jìn)水口裝設(shè)有1臺(tái)閘門及其電氣控制系統(tǒng)。由于設(shè)計(jì)、施工以及元器件可靠性等各方面的因素，閘門電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性較差，每年的閘門活動(dòng)試驗(yàn)均不能順利完成，活動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間至少需1d時(shí)間。暴露出的各類問(wèn)題都嚴(yán)重影響4臺(tái)機(jī)組可靠備用和地下廠房的安全。為此，電站對(duì)下水庫(kù)2套閘門電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 改造前設(shè)備狀況

（1）動(dòng)力回路中起吊機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)YZR三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行中電氣傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)CJ20系列接觸器切換轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速。電氣保護(hù)回路和電氣控制回路完全由按鈕、繼電器進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖和時(shí)間繼電器進(jìn)行延時(shí)控制，并通過(guò)接觸器動(dòng)作驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。啟閉機(jī)使用的是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、調(diào)速方式依賴轉(zhuǎn)子部分串不同阻值的金屬電阻來(lái)消耗部分能量以達(dá)到調(diào)速效果，在低速區(qū)具有穩(wěn)定性差、出力不足的缺點(diǎn)，在高速重載下降時(shí)要有第三方制動(dòng)及拖拽才能保證閘門不下滑，這種制動(dòng)方式要消耗大量能源做制動(dòng)，只有少部分是用來(lái)提升重物。在電機(jī)保護(hù)方面由于采用了第三方的拖拽對(duì)電機(jī)的沖擊較大，在頻繁使用過(guò)程中會(huì)使電機(jī)的溫度過(guò)高，影響電機(jī)的絕緣，加速了電機(jī)的老化過(guò)程。在機(jī)械平衡方面由于制動(dòng)的沖擊力使振動(dòng)加劇，加速了機(jī)械疲勞過(guò)程。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬于能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。低速時(shí)機(jī)械特性軟，造成停止位置不準(zhǔn)，易造成安全事故。

（2）高度和重量控制采用的是高度起重量綜合顯示儀檢測(cè)控制方式，高度起重量綜合顯示儀是常州常新電子衡器廠80、90年代設(shè)計(jì)制造的，功能和可操作性已跟不上現(xiàn)代設(shè)備的操作及功能要求，造成在進(jìn)行閘門啟閉運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)操作困難，故障率高，設(shè)備調(diào)試復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)顯示及設(shè)置不直觀，工作不穩(wěn)定，已不符合電站安全運(yùn)行系統(tǒng)的技術(shù)要求。

4 改造主要內(nèi)容

（1）將原下庫(kù)閘門電氣控制系統(tǒng)內(nèi)數(shù)量及體積較大的接觸器以及轉(zhuǎn)子串電阻，更換為西門子MM440系列45kW變頻器1臺(tái)和10kW、13.6Ω制動(dòng)電阻1臺(tái)，動(dòng)力和控制部分完全分開放置，不僅解決信號(hào)干擾問(wèn)題，還改善了空間狹小、設(shè)備布局擁擠等問(wèn)題。

（2）增加西門子TP177B型顯示屏做為人機(jī)界面，代替原有的高度重量綜合顯示儀和指示燈，使得盤柜面板更為簡(jiǎn)練，面板上的元器件數(shù)量大大減少。在功能上原閘門開度、荷重均由可靠性較差的高度重量綜合顯示儀計(jì)算，且開度和重量的標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜?，F(xiàn)使用操作屏代替高度重量綜合顯示儀，大大簡(jiǎn)化零點(diǎn)和滿量程的標(biāo)定過(guò)程。另外，在操作屏上增加了閘門提升、下落過(guò)程中的運(yùn)行在線狀態(tài)顯示以及報(bào)警事件記錄，不僅保留原有的閘門開度、荷重、輸入電流顯示，還增加了閘門速度、前后差壓、變頻器頻率以及各過(guò)程運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備報(bào)警監(jiān)視，閘門各狀態(tài)一目了然。

（3）原繼電器、端子、接觸器等元器件可靠性差，配線零亂，標(biāo)識(shí)不完整或不正確；圖紙與現(xiàn)場(chǎng)存在較大差距，為消缺維護(hù)帶來(lái)了較大困難。現(xiàn)更換可靠性較高的鳳凰回拉式端子、繼電器和施耐德接觸器，高標(biāo)準(zhǔn)重新布局、接線、標(biāo)識(shí)，重新繪制詳細(xì)圖紙。另外將下庫(kù)閘門電氣控制系統(tǒng)的2面普通盤柜更改為2面800×600×2200威圖標(biāo)準(zhǔn)盤柜，提供具有較好的防潮、防塵性能的工作環(huán)境。

（4）增加機(jī)械鎖錠投、退功能。在原閘門電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)方式下閘門在提至全開位置時(shí)自動(dòng)停止，但由于機(jī)械鎖錠投、退均需要在閘門全開基礎(chǔ)上再提升約20cm，使得每次均需通過(guò)短接回路的方式來(lái)操作鎖錠的投、退，非常不方便、不安全。改造后增加鎖錠投、退操作旋鈕，大大優(yōu)化了操作流程。

（5）增加閘門開啟操作超時(shí)判斷、關(guān)閉操作超時(shí)判斷、高速下落超時(shí)判斷、事故落門快速階段超時(shí)判斷和過(guò)速判斷保護(hù)功能，確保閘門本體安全。

（6）重新編寫PLC程序，荷載和高度信號(hào)的采集、運(yùn)算由PLC代替原來(lái)的荷載儀；對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，更加適合工作人員閱讀習(xí)慣；每一條指令均有明細(xì)的注釋，大大縮短閱讀者的學(xué)習(xí)時(shí)間和加深閱讀者的理解深度。在顯示屏上增加了閘門的詳細(xì)操作說(shuō)明及各功能注釋，即使是學(xué)員或沒(méi)有圖紙的工作人員亦能現(xiàn)場(chǎng)掌握基本功能和正確完成各種基本操作。

5 功能介紹

5.1 手動(dòng)開門操作

將【手動(dòng)、自動(dòng)】選擇開關(guān)SA1置于手動(dòng)位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時(shí)如將手動(dòng)模式【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于啟門位置，如果已經(jīng)平壓，工作制動(dòng)器松閘啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門開始上升，如將【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于中間0位置，啟閉機(jī)停止，閘門停止上升，現(xiàn)地手動(dòng)操作完畢后將選擇開關(guān)SA1置于0位置。

5.2 手動(dòng)關(guān)門操作

將【手動(dòng)、自動(dòng)】選擇開關(guān)SA1置于手動(dòng)位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時(shí)如將【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于閉門位置，工作制動(dòng)器松閘啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門開始下降，如將【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于中間0位置，啟閉機(jī)停止，閘門停止下降，手動(dòng)操作完畢后將選擇開關(guān)SA2置于0位置。

5.3 自動(dòng)開門操作

將【手動(dòng)、自動(dòng)】選擇開關(guān)SA1置于自動(dòng)位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時(shí)如將自動(dòng)模式【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA3置于啟門位置，由PLC自動(dòng)判斷平壓信號(hào)是否平壓，如果平壓，則啟動(dòng)變頻器，工作制動(dòng)器松閘，啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門開始上升，待閘門到達(dá)設(shè)定位置之后，限位開關(guān)及旋轉(zhuǎn)編碼器輸出雙重保護(hù)停止信號(hào)，啟閉機(jī)停止，閘門停止上升，制動(dòng)器復(fù)位。

5.4 自動(dòng)關(guān)門操作

將【手動(dòng)、自動(dòng)】選擇開關(guān)SA1置于自動(dòng)位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時(shí)如將自動(dòng)模式【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA3置于關(guān)門位置，則啟動(dòng)變頻器，工作制動(dòng)器松閘，啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門開始下降，待閘門到達(dá)設(shè)定位置之后，限位開關(guān)及旋轉(zhuǎn)編碼器輸出雙重保護(hù)停止信號(hào)，啟閉機(jī)停止，閘門停止下降，制動(dòng)器復(fù)位。

5.5 平壓控制操作

在非自動(dòng)的情況下，當(dāng)要開啟閘門時(shí)，如果壓差不在允許的范圍之內(nèi)，顯示屏面板上沒(méi)有平壓信號(hào)則必須進(jìn)行充水平壓操作，應(yīng)把【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于充水位置，啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門開始上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)充水設(shè)定20cm位置時(shí)，停止開門輸出，啟閉機(jī)停止，等待充水閥充水。在自動(dòng)的情況下，當(dāng)要開啟閘門時(shí)，如果壓差不在允許的范圍之內(nèi)，則啟閉機(jī)在啟動(dòng)后將閘門提升至20cm（可以設(shè)定）或到達(dá)主令充水位置后，自動(dòng)停止，等待充水閥充水，待充水完成閘門前后平壓后，傳感器將平壓信號(hào)送至控制柜PLC，PLC在得到平壓信號(hào)后自動(dòng)啟動(dòng)啟閉機(jī)，繼續(xù)提升閘門。

5.6 解、投鎖操作

（1）解鎖錠

當(dāng)閘門處在鎖定位置33m時(shí)，將【解/投鎖常規(guī)充水】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于解/投鎖位，【自動(dòng)手動(dòng)】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動(dòng)位置。操作自動(dòng)模式啟門開關(guān)，此時(shí)閘門啟動(dòng)上升至33.2m停止，鎖定由于自重退出。

（2）投入鎖錠

將【解/投鎖常規(guī)充水】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于解/投鎖位，【自動(dòng)手動(dòng)】轉(zhuǎn)換