水庫閘門電氣控制系統的改造

劉海文

羅定市羅光水庫工程管理處 廣東羅定 527200

摘要：目前，我國電力系統不斷擴大、水力資源開發力度增強，閘門作為水利樞紐的重要設備之一，在民生工程中扮演著不可或缺的角色。本文結合具體的施工改造案例，詳細闡述了水庫閘門電氣控制系統改造的內容與功能，以期為有關的建設工作提供有益的參考與借鑒，進而推動社會的和諧健康發展。

關鍵詞：水庫；閘門；控制系統；改造

引 言：

水庫閘門電氣元件老化時，運行過程中會出現動作不靈活或誤動作等現象。因此，對閘門電氣控制系統進行升級改造對水庫閘門在水庫綜合經營效益中發揮作用具有十分重要的現實意義?；诖耍仨毥Y合運行管理中的經驗，從設計、施工、運用等多方面進行改進和完善，進一步提升電氣控制系統的功能，使得整個工作組運行更加穩定。

1 電站基本概況

某水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫、地面開關站等建筑物組成，電站裝有4臺單機容量250MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機組和發電電動機組，總裝機容量為1000MW，發電額定水頭為225m。

2 改造背景

電站每2臺機組共用1條尾水隧道，共計2條。為檢修尾水隧道，每條尾水隧道在下水庫進水口裝設有1臺閘門及其電氣控制系統。由于設計、施工以及元器件可靠性等各方面的因素，閘門電氣控制系統穩定性和可控性較差，每年的閘門活動試驗均不能順利完成，活動試驗時間至少需1d時間。暴露出的各類問題都嚴重影響4臺機組可靠備用和地下廠房的安全。為此，電站對下水庫2套閘門電氣控制系統進行改造。

3 改造前設備狀況

（1）動力回路中起吊機構采用兩臺YZR三相異步電動機驅動，運行中電氣傳動系統通過CJ20系列接觸器切換轉子串電阻的方法啟動和調速。電氣保護回路和電氣控制回路完全由按鈕、繼電器進行邏輯聯鎖和時間繼電器進行延時控制，并通過接觸器動作驅動運行。啟閉機使用的是轉子串電阻調速、調速方式依賴轉子部分串不同阻值的金屬電阻來消耗部分能量以達到調速效果，在低速區具有穩定性差、出力不足的缺點，在高速重載下降時要有第三方制動及拖拽才能保證閘門不下滑，這種制動方式要消耗大量能源做制動，只有少部分是用來提升重物。在電機保護方面由于采用了第三方的拖拽對電機的沖擊較大，在頻繁使用過程中會使電機的溫度過高，影響電機的絕緣，加速了電機的老化過程。在機械平衡方面由于制動的沖擊力使振動加劇，加速了機械疲勞過程。繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速屬于能耗型轉差調速，能耗大，機械特性軟，調速范圍小，平滑性差。低速時機械特性軟，造成停止位置不準，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年代設計制造的，功能和可操作性已跟不上現代設備的操作及功能要求，造成在進行閘門啟閉運行試驗過程中出現操作困難，故障率高，設備調試復雜，設備運行參數顯示及設置不直觀，工作不穩定，已不符合電站安全運行系統的技術要求。

4 改造主要內容

（1）將原下庫閘門電氣控制系統內數量及體積較大的接觸器以及轉子串電阻，更換為西門子MM440系列45kW變頻器1臺和10kW、13.6Ω制動電阻1臺，動力和控制部分完全分開放置，不僅解決信號干擾問題，還改善了空間狹小、設備布局擁擠等問題。

（2）增加西門子TP177B型顯示屏做為人機界面，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練，面板上的元器件數量大大減少。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算，且開度和重量的標定過程復雜?，F使用操作屏代替高度重量綜合顯示儀，大大簡化零點和滿量程的標定過程。另外，在操作屏上增加了閘門提升、下落過程中的運行在線狀態顯示以及報警事件記錄，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程運行時間、設備報警監視，閘門各狀態一目了然。

（3）原繼電器、端子、接觸器等元器件可靠性差，配線零亂，標識不完整或不正確；圖紙與現場存在較大差距，為消缺維護帶來了較大困難?，F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，高標準重新布局、接線、標識，重新繪制詳細圖紙。另外將下庫閘門電氣控制系統的2面普通盤柜更改為2面800×600×2200威圖標準盤柜，提供具有較好的防潮、防塵性能的工作環境。

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

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

（6）重新編寫PLC程序，荷載和高度信號的采集、運算由PLC代替原來的荷載儀；對程序進行了優化，更加適合工作人員閱讀習慣；每一條指令均有明細的注釋，大大縮短閱讀者的學習時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操作說明及各功能注釋，即使是學員或沒有圖紙的工作人員亦能現場掌握基本功能和正確完成各種基本操作。

5 功能介紹

5.1 手動開門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于手動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將手動模式【啟門、閉門】選擇開關SA2置于啟門位置，如果已經平壓，工作制動器松閘啟閉機啟動，閘門開始上升，如將【啟門、閉門】選擇開關SA2置于中間0位置，啟閉機停止，閘門停止上升，現地手動操作完畢后將選擇開關SA1置于0位置。

5.2 手動關門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于手動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將【啟門、閉門】選擇開關SA2置于閉門位置，工作制動器松閘啟閉機啟動，閘門開始下降，如將【啟門、閉門】選擇開關SA2置于中間0位置，啟閉機停止，閘門停止下降，手動操作完畢后將選擇開關SA2置于0位置。

5.3 自動開門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于自動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將自動模式【啟門、閉門】選擇開關SA3置于啟門位置，由PLC自動判斷平壓信號是否平壓，如果平壓，則啟動變頻器，工作制動器松閘，啟閉機啟動，閘門開始上升，待閘門到達設定位置之后，限位開關及旋轉編碼器輸出雙重保護停止信號，啟閉機停止，閘門停止上升，制動器復位。

5.4 自動關門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于自動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將自動模式【啟門、閉門】選擇開關SA3置于關門位置，則啟動變頻器，工作制動器松閘，啟閉機啟動，閘門開始下降，待閘門到達設定位置之后，限位開關及旋轉編碼器輸出雙重保護停止信號，啟閉機停止，閘門停止下降，制動器復位。

5.5 平壓控制操作

在非自動的情況下，當要開啟閘門時，如果壓差不在允許的范圍之內，顯示屏面板上沒有平壓信號則必須進行充水平壓操作，應把【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于充水位置，啟閉機啟動，閘門開始上升，當到達充水設定20cm位置時，停止開門輸出，啟閉機停止，等待充水閥充水。在自動的情況下，當要開啟閘門時，如果壓差不在允許的范圍之內，則啟閉機在啟動后將閘門提升至20cm（可以設定）或到達主令充水位置后，自動停止，等待充水閥充水，待充水完成閘門前后平壓后，傳感器將平壓信號送至控制柜PLC，PLC在得到平壓信號后自動啟動啟閉機，繼續提升閘門。

5.6 解、投鎖操作

（1）解鎖錠

當閘門處在鎖定位置33m時，將【解/投鎖常規充水】轉換開關置于解/投鎖位，【自動手動】轉換開關置于自動位置。操作自動模式啟門開關，此時閘門啟動上升至33.2m停止，鎖定由于自重退出。

（2）投入鎖錠

將【解/投鎖常規充水】轉換開關置于解/投鎖位，【自動手動】轉換