西黑山節制閘電熱融冰設備調試及應用

張希鵬，王培坤，張超偉，趙 丹

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局，天津300393）

1 引言

西黑山節制閘弧形閘門埋件融冰設備原設計原理為電加熱油融冰，將油箱內的導熱油經加熱裝置升溫后，通過油泵加壓流經油管輸送至閘門埋件處的油腔進油口，原油腔的導熱油經管道流回油箱。設備主要參數：工作流量200 mL/min，工作壓力：0.3 MPa，加熱棒功率：20×3 kW，工作介質：LTD-50 L導熱油。由于電熱融冰設備存在漏油風險，影響水質安全，且有一定的火災隱患，因此迫切需要研究改進措施。

2 電熱融冰設備

2.1 設備組成

電熱融冰設備主要由發熱元件、腔內溫度傳感器、中間接線端子箱、供電電纜、信號電纜、環境溫度傳感器、電氣控制柜等組成。發熱元件是以美國瑞侃（Raychem）VPL限功率發熱電纜為核心，由適應閘門側軌原導熱油空腔的結構形式特殊制作的發熱電纜及冷纜組成（見圖1）。

圖1 電熱融冰設備發熱元件組成

發熱電纜的參數：工作電壓：AC220 V～230 V；額定輸出功率：65 W/m，10℃時150℃電熱纜維持功率：48 W/m；最高維持溫度（持續通電，230 V）：150℃；最高暴露溫度（持續斷電）：260℃。

電氣控制柜是電熱融冰設備電氣控制系統的中心，內部裝有電源開關、可編程控制器（PLC）、繼電器等諸多電器元件。

2.2 使用環境

電源電壓：380 V，50 Hz；允許電壓波動范圍：±5%；環境溫度：-25℃～50℃；環境濕度：≤90%。

2.3 工作原理

進入冬季，弧形閘門側止水與閘門埋件處可能會結冰，影響弧門運行安全。此時，電熱融冰設備根據探測到的環境溫度以及腔內溫度數值，自動分級投入所需加熱功率運行，并隨環境溫度梯度變化，系統自動調節投入加熱電纜的功率，防止閘門止水與埋件之間出現結冰現象。

3 電熱融冰設備安裝

3.1 發熱元件安裝

原熱油管路須拆除原進、出油管的水平段，露出向上的開口并預留約50 mm直管段，管口切割處去毛刺、尖角倒鈍，開口上方無影響穿線的遮擋物；原導熱油腔中的油利用油泵抽干凈，并對空腔做必要的清洗。

發熱電纜安裝前需展開平鋪在平整的地面上，讓其自然伸展，以便安裝。檢查發熱電纜外觀有無破損，并用萬用表測量發熱電纜的電阻值，用500 V搖表測量發熱電纜的絕緣電阻，發熱電纜的阻值≥0.3 KΩ，絕緣電阻≥4 MΩ。

安裝發熱電纜時將其冷端做好標記（在冷端紅黑兩線穿上線號），然后將發熱電纜逐一穿進閘門埋件的熱油空腔內。因發熱空腔前端的熱油管路較細，因此需要將一根發熱電纜安裝到位，再安裝另一根，直至全部安裝完成。

3.2 中間接線箱安裝

每孔閘門左右兩側分別設置一個中間接線端子箱。中間接線端子箱固定在閘門兩側電纜溝內，箱內布置有接線端子排。電熱融冰設備的供電電纜和發熱元件的冷纜通過中間接線端子箱對接。

3.3 供電電纜敷設

電熱融冰設備電氣控制柜到閘門每側的中間接線端子箱由一根12芯供電電纜連接，使用10芯，備用2芯。供電電纜為電熱融冰設備發熱電纜提供電源，型號為ZR-KVV12×1.0軟電纜，并敷設在電纜溝內，沿電纜橋架引至電氣控制柜。

3.4 信號電纜敷設

電熱融冰設備電氣控制柜到閘門每側的中間接線端子箱由兩根6芯信號電纜連接，使用5芯，備用1芯。兩根信號電纜分別為閘門一側的熱電阻式溫度傳感器傳輸信號。

3.5 環境溫度傳感器安裝

電熱融冰設備設置一個環境溫度傳感器，安裝在弧形閘室內，用于檢測閘門所在閘室的環境溫度。

3.6 電氣控制柜安裝

電氣控制柜內裝有防雷器、斷路器、接觸器、中間繼電器、控制繼電器、開關電源（220 V變24 V）等低壓電氣元件和可編程控制器（PLC）。電氣控制柜操作面上裝有智能儀表、觸摸屏、轉換開關、按鈕和指示燈。電氣控制柜安裝在閘室控制柜底座上，四角用螺絲固定，做好接地并測量接地電阻符合標準。

4 電熱融冰設備調試

4.1 通電前的準備

在電氣控制柜端測量發熱電纜的阻值、絕緣電阻，確保發熱電纜無損傷。測量電氣控制柜的絕緣電阻、接地電阻是否滿足阻值≥0.3 kΩ、絕緣電阻≥4 MΩ。若不滿足，排除故障后在進行測量，直至滿足標準。

4.2 電氣控制柜通電

首先，合上進線電源開關用萬用表測量進線電源，須滿足要求：380 V±10%，50 Hz。然后，逐級合上控制柜內的斷路器，次序為：總電源斷路器、智能儀表電源、控制電源斷路器、輔助電源斷路器、直流電源斷路器。最后，檢測各電源下的電氣元件是否正常工作。

4.3 手動功能檢測

將控制方式轉換開關打到手動控制位，通過手動按鈕將發熱電纜接觸器吸合，檢查有無吸合錯誤或不吸合狀況。然后，合上發熱電纜電源開關并檢查有無跳閘現象。點擊觸摸屏上狀態監控按鈕，進入狀態監控界面，觀察各閘門發熱腔內溫度是否升高。若正常升高，則通過電氣控制柜上停止按鈕，停止發熱電纜工作。

4.4 自動功能檢測

將控制方式轉換開關打到自動控制位，然后通過觸摸屏參數設置畫面設置電熱融冰設備啟動溫度（該溫度數值一定要大于當前環境溫度數值）和停止溫度。最后檢查發熱電纜是否自動投入工作。

5 電熱融冰設備的應用

5.1 控制方式

操作面板上設置有運行方式選擇開關，分別是切除、自動、手動。電熱融冰設備無故障警報情況下，均應在自動運行模式下運行。

5.2 融冰設備啟停條件

環境溫度下降到“啟動溫度”時，電熱融冰設備開始投入工作，環境溫度回升到“停止溫度”時，電熱融冰設備停止工作。

5.3 溫度控制

5.3.1 參數設置

在參數設置界面共有3個參數：“加熱溫度設置”、“啟動溫度”、“停止加熱溫度”。“加熱溫度設置”是指要維持的加熱空腔溫度，設置值為100℃；“啟動溫度”是指電熱融冰設備自動投入運行的環境溫度，設置值為0℃；“停止溫度”是指電熱融冰設備自動停止運行的環境溫度，設置值為5℃。

5.3.2 加熱過程

加熱腔內溫度傳感器測量溫度達到“加熱溫度設置（100℃）”時，電熱融冰設備切除40%功率發熱電纜，60%功率發熱電纜繼續工作；測量溫度低于80℃時，電熱融冰設備切除的40%功率發熱電纜重新投入工作；測量溫度超過120℃時，電熱融冰設備全部發熱電纜停止工作。

5.4 電熱融冰使用效果

為更好的掌握電熱融冰設備使用效果，對2017-2018年度冰期輸水期間環境溫度和埋件溫度做了記錄，現將2018年1月的環境溫度和埋件溫度進行比較，如圖2所示。圖2表明，2018年1月在環境溫度較低時埋件溫度始終高于0℃，驗證了電熱融冰設備的融冰功能。

圖2 2018年1月環境溫度和埋件溫度比較

5.5 電熱融冰設備維護

為有效提高其工作壽命和安全性，每季度定期對電熱融冰設備進行維護檢修，具體步驟如下：（1）電氣控制柜清掃；（2）檢查電氣控制柜；（3）緊固配電回路接線；（4）控制動作檢查。

5.6 故障排除

電熱融冰設備設置跳閘警報、超溫警報等警報信息。在電熱設備運行過程中，若發生短路、漏電、加熱溫度超高等故障情況，控制柜操作面板上的蜂鳴器會發出聲光警報和觸摸屏警報，信息畫面會記錄故障狀況。這種情況下，需要先在觸摸屏狀態監視畫面中點擊發生故障報警的閘門融冰開關，將其關閉，然后斷開控制柜中對應的斷路器，進行故障排查檢修。

常見故障及解決措施如下：（1）斷路器跳閘。將跳閘的斷路器對應的加熱電纜摘除，用萬用表測量加熱電纜的電阻，若其電阻值≤100 Ω，則需將加熱電纜從加熱空腔中抽出，進行絕緣檢查。（2）超溫報警。對照圖紙，觀察PLC熱電阻擴展模塊的狀態指示燈，若有紅燈閃爍，需檢查溫度傳感器的接線是否牢靠、是否存在斷路情況。（3）顯示錯誤。如屏幕顯示溫度為32 767℃，表示溫度傳感器處于斷開狀態。

6 結語

介紹了南水北調中線天津分局西黑山節制閘熱油融冰設備改造為電熱融冰設備的原因，通過對電熱融冰設備組成、安裝及調試過程詳細介紹，為類似設備的安裝調試提供了參考依據。列舉了電熱融冰設備參數的設定、維護保養項目及故障排除方法，為此類設備的正常運行提供了借鑒作用。