水電站無電纜供電清污液壓抓斗電控系統的開發與研究

胡美玲

摘 要：主要介紹了一種新型水電站清污機電氣控制系統。該電氣控制系統將變頻技術、無線通信技術和視頻監控技術有機地結合在一起，實現了清污機無電纜入水供電和無線遙控操作，并且可以實時監控液壓清污抓斗的水下工作情況。

關鍵詞：水電站；清污機；電控系統；變頻技術

中圖分類號：TV644+.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.075

清污機的作用是清理攔污柵上的污物。攔污柵布置在水電站的進水口處，用于攔阻可能進入引水道的雜物，比如樹枝、雜木、水草、生活垃圾等，以保護水輪機、閘門及管道等設備的正常運行。大量雜物堆積在攔污柵上會壓壞攔污柵，并且使水頭損失嚴重，進而造成水資源的浪費，減少發電量。目前，水電站清理方法有人工清污、機械清污和提柵清污。其中，人工清污工作極其繁重，效率低下；提柵清污會導致水輪機組停機，影響發電。最好的清污方法是在進水口處設置攔污柵清污機。這樣既能有效地清除黏附于攔污柵上的雜物及懸浮在攔污柵處的漂浮物，又能對水輪機等設備的持續、正常運轉起到重要的作用。

清污機在水電站的應用非常廣泛。常用的清污機械裝置為抓斗形式，清污抓斗又分機械和液壓兩種形式。機械式清污抓斗對傾斜式攔污柵的清污效果較好；液壓式清污抓斗對垂直式攔污柵的清污效果良好，是目前常采用的形式。然而，液壓式清污機在入水工作時，其供電電纜要隨抓斗入水，并隨起升動作收放，為液壓抓斗提供動力。水電站液壓式抓斗水下工作供電電纜的收放采用電纜卷筒形式，但會經常出現電纜斷芯的情況，影響清污機的正常工作，造成水電站水頭的損失，減少了發電量。

該項目的目的是解決目前液壓式清污抓斗經常出現的供電電纜斷芯問題和抓斗在水下工作，操作人員無法監控抓斗的水下工作情況的問題，從而提高液壓式清污抓斗的工作效率，提升其安全性、可靠性，使清污機的應用更加廣泛，為水電站創造更好的經濟效益。

1 主要關鍵技術——水下無纜供電系統

1.1 電源電氣系統的技術參數和特性要求

水下電源的容量為7.5 kW，主負載為5.5 kW三相異步電動機，提供380 V/50 Hz電源為5.5 kW三相異步電動機供電，電機啟動方式為變頻啟動。

提供一回路DC12 V電源為遙控接收器供電，容量為20 W，并長期供電。

提供一回路220 VAC電源為電磁閥等設備供電，容量約為300 W，三相電源達到50 Hz額定工作狀態后延時2～3 s，由逆變變壓器輸出220 V/50 Hz電壓，為電磁閥等設備供電。逆變變壓器的輸出功率為300 W。在接收到三相異步電動機停機信號后，關閉

三相變頻逆變電源，同時關閉逆變變壓器輸出的220 V/50 Hz電壓。

三相異步電動機的啟動方式為變頻啟動，持續工作時間為20 s左右。每次充電完成后，三相異步電動機能在額定功率下工作1 h，空載運行時間不小于8 h。

各柜體外形尺寸（長×寬×高）：

主機：500 mm×376 mm×550 mm；電池柜：1 400 mm×376 mm×550 mm；充電柜：500 mm×500 mm×600 mm。

1.2 電源電氣系統基本構成和功能介紹

水下電源由逆變電源柜、電池柜、充電器柜組成。逆變電源柜、電池柜放置于密封艙內，隨艙下水；充電器柜置于地面。

逆變電源柜由11 kVA/7.5 kW三相變頻逆變電源、560 VDC/24 VDC高頻開關電源、24 VDC/12 VDC高頻開關電源、控制板、觸摸屏、380 V/220 V逆變變壓器等部件組成，提供380 V/50 Hz電源為5.5 kW三相異步電動機供電，電機啟動方式為變頻啟動。560 VDC/24 VDC高頻開關電源、24 VDC/12 VDC高頻開關電源提供24 VDC、12 VDC電源為遙控接收器等長期供電；控制板為水下電源提供系統控制。逆變器在接收到啟動回路信號后開始變頻啟動三相異步電動機，三相電源達到50 Hz額定工作狀態后延時2～3 s，由逆變變壓器輸出220 V/50 Hz電壓，為電磁閥等設備供電。逆變變壓器的輸出功率為300 W。在接收到三相異步電動機停機信號后，關閉三相變頻逆變電源，同時關閉逆變變壓器輸出的220 V/50 Hz電壓。三相異步電動機的啟動方式為變頻啟動，持續工作時間為20 s左右。

電池柜內置圣陽牌鉛酸免維護蓄電池，容量為26 Ah，41只串聯；電池額定電壓為492 VDC，可以滿足三相異步電動機每次下水的工作要求。

充電柜內置560 VDC/3 A高頻隔離式充電器，每次充電完成后能在額定功率下工作1 h，空載運行時間不小于8 h。

通過觸摸屏可檢測和顯示一定時間內的運行記錄和故障記錄。

1.3 電源電氣系統的工作原理

電源電氣系統的工作原理如圖1所示。

2 其他關鍵技術

2.1 水下無線控制系統

常規清污機控制采用有線控制，需要考慮電纜的布置和收放問題。該控制方案采用無線遙控清污機開展水下工作。隨著社會的不斷發展，智能設備不斷涌現，遙控器的運用范圍越來越廣。由于無線遙控器的控制距離遠、抗干擾性強，已被廣泛應用于生活的各個方面。該研究項目使用的無線遙控器，采用AT89C5l作為控制核心，并采用專用編碼解碼電路，具有體積小、價格低的優點，可以實現清污機水下遙控工作的全部功能。

2.2 水下無線視頻監控系統

無線視頻監控系統是一種簡單易用的小型遠程數字監控系統。水下監視系統采用耐高壓水下攝像機，操作簡單，產品耐腐蝕，可長時間用于高壓水環境中；外殼采用優質不銹鋼材料，抗壓能力可達到4 040 hPa，最深可安裝在水下200 m，可以看清1～2 m遠的物體，使用安全、方便。該系統水下部分主要由高清淅攝像機、不銹鋼外罩及固定支架、高亮度射燈、信號電纜等組成。上部分由主機顯示器、電源等組成。全套設備可隨時隨地打開使用，不受任何惡劣天氣的影響。運用水下無線視頻監控系統，操作人員可以在操作室內清楚地觀察到水下的清污情況，有利于清污工作的順利進行，提高工作效率。此外，當遇到意外情況時，操作人員可以及時停機，排除故障。

該系統綜合成本低、性能穩定，只需一次性投資，無需挖溝埋管，不受地理環境和工作內容的限制；而采用有線視頻監控系統的施工周期很長，甚至根本無法實現水下監控。采用無線視頻監控系統擺脫了線纜的束縛，具有安裝周期短、維護方便、擴容能力強、迅速收回成本的優點。因此，水下無線視頻監控系統可以被廣泛應用于水電站的水下設備監視中，特別適用于水電站清污作業的過程監視和自動錄像中。

3 電控系統的主要技術創新點

3.1 實現清污抓斗不需電纜就能清污的功能

液壓式清污抓斗的電源采用蓄電池和變頻技術相結合的供電方案，解決了供電電纜隨清污抓斗入水收放速度難以控制、水下污物不規則、電纜經常斷芯的問題。

3.2 實現清污抓斗的水下無線遙控功能

液壓式清污抓斗工作控制信號的發送采用無線通用技術，解決了采用控制電纜方式因電纜斷芯而使清污抓斗無法動作的問題。由于無線遙控技術遇水后信號不斷衰減，因此，目前水下的遙控距離為30 m。

3.3 實現清污抓斗的水下無線視頻監控

無線視頻監控系統可將視頻信號以無線方式傳送至接收器，操作人員可以在操作室內清楚地看到水下液壓式清污抓斗的清污狀況。

4 結束語

該研究項目解決了水下無電纜供電系統的供電技術、水下無線控制和水下無線視頻監控等問題，研制、開發出一套適用于目前液壓式清污抓斗電機容量的系統成品，并將其應用于清污機項目。液壓式抓斗電控系統的成功研制，大大提高了清污機的工作效率，使液壓抓斗式清污機的應用更加廣泛，從而為水電站創造更好的經濟效益。

參考文獻

[1]周志敏.新型電源實用技術系列書 UPS供電系統設計與工程應用實例[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]石明衛.無線通信原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[3]郭鴻雁.現代視頻技術[M].北京：北京師范大學出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕