水閘工程項目的電氣設備及電氣自動化應用

李盛達

(惠州市潼湖水利工程管理中心，廣東 惠州 516000)

隨著社會發展水平的提高，水利工程的作用不斷凸顯，不僅與社會建設發展息息相關，也決定著人民的生活質量和安全。電氣設備及電氣自動化的應用在水利工程中發揮著至關重要的作用，利用電氣自動化技術操控電氣設備，能更好地保證設備安全可靠運行，確保工程發揮作用。水閘工程項目是水利工程的重要組成部分，現結合惠州市潼湖圍東岸水閘工程，深入探討電氣設備及電氣自動化在水閘工程項目的應用。

1 工程概況

潼湖圍位于惠州市西南部，東江中下游與石馬河交匯處，橫跨惠州、東莞兩市，是一宗以防洪排澇為主，結合灌溉的綜合性工程，圍內集雨面積494km2，保護耕地面積約1.33萬hm2，圍內有陳屋邊水閘、建塘反虹涵、東岸泵站、東岸水閘、堤防等一系列工程，東岸水閘位于潼湖圍的東江堤段上，是潼湖水利工程重要組成部分。

東岸水閘是集防洪、排澇于一體的重要水閘，水閘原為單孔閘，孔口尺寸為6.0m×9.3m，設計排水流量64m3/s，始建于1966年，建成于1969年，1970年投入使用，運行已經超過40a，接近建筑物設計年限，機電及金屬結構超期服役，再加上防洪標準的提高，水閘存在重大安全隱患。為確保工程安全，經潼湖水利工程管理中心委托設計單位對東岸水閘進行安全鑒定，并于2012年4月組織專家對東岸水閘安全鑒定進行評審，經鑒定東岸水閘為“四類閘”，建議報廢并重建水閘。重建后東岸水閘為中型水閘，水閘為單孔閘，孔口尺寸為10m×8m，采用垂直卷揚式提升鋼閘門，設計排水量241.4m3/s。為提高工程現代化管理水平，實現統一運行調度，重建后東岸水閘采用自動化控制方式，既可實現中控室集中控制，也可現地手動控制。

2 東岸水閘的電氣設備及電氣自動化應用

2.1 電氣一次

2.1.1 供電對象及供電負荷等級

在東岸水閘工程項目中，供電對象以水閘啟閉機、現地控制設備及水閘室內外照明設備為主，結合水閘工程實際情況和規模，確定水閘啟閉機供電負荷等級為二級，其余設備等級為三級。結合供電負荷等級要求，提供的是二回交流電源供電。

2.1.2 負荷容量統計

東岸水閘供電對象負荷容量為：工作閘門卷揚式啟閉機，選擇了一臺啟閉機，其配套電動機功率為18.5kW。檢修閘門卷揚式啟閉機，選擇了一臺啟閉機，配套電動機功率為11kW。水閘控制設備功率約為3kW。水閘室內、外照明設備的功率約為1kW。

上述負荷總功率合計為33.5kW，負荷需要系數取0.8，負荷同時系數考慮到工作閘門與檢修閘門啟閉機不同時工作，故同時系數取較低值0.6，功率因數取0.85，設備效率取0.9，則計算負荷總設備容量為21kVA[1]。

2.1.3 供電電源

東岸水閘是一個重建工程，重建站址位于原水閘位置，緊靠東岸泵站。由于東岸泵站采用雙電源，一主一備，主電源接110kV潼湖站10kV備用出線柜F21，備用電源接110kV橋頭站10kV橋永線F24。主電源為專線電源，滿足本工程二級負荷要求。東岸泵站用變壓器容量為400kVA，備用容量>東岸水閘設備總容量。東岸水閘電氣設備電壓為220V/380V，因此，東岸水閘供電電源從東岸泵站站用變壓器0.4kV低壓側配電柜供電，采用一回型號為VV22-3×35+1×16低壓電纜，供電距離約200m。

2.1.4 電氣主接線

根據供電回路的數量和用電負荷的特點，電氣主接線形式為：380V側采用單母線連接，進線設置空氣斷路器，每個供電對象設置單獨的回路，采用放射狀供電：每個啟閉機、自控設備和照明設一個回路[2]。

2.1.5 電動機啟動方式

因為啟閉機最大功率是18.5kW，在啟動時沖擊電流不會給電網帶來較大影響，所以采取直接啟動方式。

2.1.6 防雷接地

配電箱進線設置電力避雷器，防止雷電波侵入，危及人員和設備安全。防雷接地、工作接地、保護接地采用同一接地網系統。接地保護采用TN-C-S。東岸水閘工程防雷接地包括低壓電力設備及現地控制設備，根據規程要求，接地裝置的接地電阻不得超過1歐姆。具體做法如下：接地干線采用50×5mm鍍鋅扁鐵作為接地干線，焊接成5×5m接地網，同時充分利用自然接地體(鋼筋、鋼管、閘門槽等)，焊接形成一個整體接地網[3]。所有電氣設備外殼應可靠接地，金屬外露部分均應作等電位聯結，在接地線上方便之處設置測量端子。實測電阻不滿足接地電阻要求時，加埋人工接地體及外引接地體,直到滿足工程要求為止。

2.2 閘門及啟閉機

2.2.1 工作閘門

東岸水閘工作閘門主要用于防洪，兼作擋內河水。工作閘門共設1孔，孔口凈寬10m，孔口高度8m，內河設計水位8.29m，外江設計水位6.57，校核水位12.20m，閘底板高程1.40m。工作閘門為平板鋼閘門結構，行走支承采用滾輪，單扇閘門重28.2t，單孔門槽重10.0t。

2.2.2 檢修閘門

工作閘門下游設置檢修閘門，用于工作閘門檢修期間擋內河水。檢修閘門孔口共1孔，尺寸為凈寬10m，擋水水位取內河設計水位5.0m，加0.5m超高確定，底檻高程1.4m，則門葉高4.1m。檢修閘門為平板鋼閘門，行走支承采用滾輪，單扇閘門重13.6t。

2.2.3 啟閉機

根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》對水閘啟閉力進行計算，工作閘門閉門力為-106.28kN，啟門力為445.63kN，閘門可依靠自重閉門，不需另外增加閉門力；檢修閘門閉門力為-78.50kN，啟門力為129.53kN，閘門可依靠自重閉門，不需另外增加閉門力。工作閘門和檢修閘門可供選用的啟閉機型式有螺桿啟閉機、液壓啟閉機、卷揚啟閉機，以下對三種啟閉機的優缺點作簡要分析。

1)螺桿啟閉機：

優點：構造簡單，體積小，造價低廉，維修方便。多用于中小型平面閘門，在螺桿長細比許可的范圍內能夠對閘門施加閉門力作用，多用于閘門不能靠自重閉門的場合。

缺點：因螺桿式啟閉機體未設減速裝置，所以啟閉能力受到限制，常用的噸位較小。螺桿式啟閉機宜因設計不周、安裝不準確或操作不當而將螺桿壓彎，影響閘門的啟閉。另外，因機座及啟閉臺大梁錨固不牢，在閉門力過大時，容易將機體本身甚至將啟閉臺大梁整個抬起。

2)液壓啟閉機：

優點：結構緊湊，重量輕，體積小；承載能力大，能夠遠距離傳遞動力；緩沖性能好，傳動平穩；液壓傳動與電氣控制相結合，便于實現自動化。

缺點：對工作環境要求較高，啟閉機室必須保持清潔干燥，防止油液污染。加工成本高，造價高；密封質量較差時，液壓油容易滲漏，雙吊點啟閉機吊點同步性相對較差，某些液壓啟閉機在失去電力的情況下無法啟閉。

3)卷揚啟閉機：

優點：由于卷揚啟閉機通過減速裝置減速，速比大，且通過滑輪組倍率放大作用，可以獲得較大的啟門力，適用于較大孔口尺寸和水頭的閘門。鋼絲繩纏繞在繩鼓上，因此，卷揚啟閉機的行程不受限制，便于開啟具有較大行程的閘門或深孔閘門。鋼絲繩的受力方向可以適當擺動，也可以通過附加埋置的轉向滑輪，改變其受力方向。因此閘門與啟閉機的配合，具有較大的靈活性。在采用電動時，啟閉的速度較快，適用于經常啟閉和事故閘門的閘門。另外，卷揚啟閉機造價比螺桿啟閉機高，但比液壓啟閉機低。

缺點：由于鋼絲繩只能承受拉力，故只能用于開啟閘門，閘門必須靠自重關閉。卷揚啟閉機沒有自鎖作用，不論采用手搖或電動，必須附有可靠的制動裝置。若閘門在啟閉過程中停留，必須依靠制動或鎖錠，否則會因自重而墜落，不夠安全[4]。另外，鋼絲繩及滑輪組如長期在水中工作，鋼絲繩易生銹蝕，維護困難。

通過以上比較可知，工作閘門和檢修閘門不需閉門力，三種啟閉機均滿足使用要求，螺桿啟閉機造價雖低，但結構過于簡陋，可靠性差；液壓啟閉機技術性能好，傳動平穩，但造價高，運行管理麻煩；卷揚啟閉機技術性能較好，造價適中，運行管理相對簡單。因此，東岸水閘選用卷揚啟閉機，工作閘門采用QPQ-2×25t型雙吊點卷揚啟閉機，額定起重量2×25t，額定起升高度13.0m。檢修閘門采用QPQ-2×12.5t型雙吊點卷揚啟閉機，額定起重量2×12.5t，額定起升高度13.0m。

2.3 電氣自動化控制

東岸水閘坐落于東岸泵站左側，由惠州潼湖水利工程管理中心管理。東岸泵站采用自動控制方式，為提高工程現代化管理水平，實現統一運行調度，東岸水閘采用自動控制方式，既可在中控室集中控制，也可現地手動控制。水閘的1孔工作閘門設1套現地控制單元，布置于水閘啟閉機室內。現地控制單元主要由PLC數據采集控制單元組成，通過PLC控制單元采集閘門開度、配電回路開/關狀況及有關電量等信息。現地控制單元通過RS485通信接口與東岸泵站中控室傳輸信號，并接受中控室遠程控制[5]。自動化控制原理圖見圖2。

圖2 自動化控制原理圖

3 結 語

總而言之，文章結合惠州市潼湖圍東岸水閘工程案例，對水閘工程項目的電氣設備及電氣自動化應用進行分析，電氣設備及電氣自動化應用是當前水利工程建設發展的重要因素，通過結合案例實際，選取適宜的電氣設備及自動化控制系統，有效提升其電氣化水平及自動化控制系統，確保了水閘工程安全正常高效的運行，促進現代水利工程項目的科學化、現代化，為水利行業發展提供有力的技術支持。