水電站無(wú)電纜供電清污液壓抓斗電控系統(tǒng)的開發(fā)與研究

胡美玲

摘 要：主要介紹了一種新型水電站清污機(jī)電氣控制系統(tǒng)。該電氣控制系統(tǒng)將變頻技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了清污機(jī)無(wú)電纜入水供電和無(wú)線遙控操作，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓清污抓斗的水下工作情況。

關(guān)鍵詞：水電站；清污機(jī)；電控系統(tǒng)；變頻技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV644+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.075

清污機(jī)的作用是清理攔污柵上的污物。攔污柵布置在水電站的進(jìn)水口處，用于攔阻可能進(jìn)入引水道的雜物，比如樹枝、雜木、水草、生活垃圾等，以保護(hù)水輪機(jī)、閘門及管道等設(shè)備的正常運(yùn)行。大量雜物堆積在攔污柵上會(huì)壓壞攔污柵，并且使水頭損失嚴(yán)重，進(jìn)而造成水資源的浪費(fèi)，減少發(fā)電量。目前，水電站清理方法有人工清污、機(jī)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(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)組停機(jī)，影響發(fā)電。最好的清污方法是在進(jìn)水口處設(shè)置攔污柵清污機(jī)。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(duì)水輪機(jī)等設(shè)備的持續(xù)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到重要的作用。

清污機(jī)在水電站的應(yīng)用非常廣泛。常用的清污機(jī)械裝置為抓斗形式，清污抓斗又分機(jī)械和液壓兩種形式。機(jī)械式清污抓斗對(duì)傾斜式攔污柵的清污效果較好；液壓式清污抓斗對(duì)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(jī)在入水工作時(shí)，其供電電纜要隨抓斗入水，并隨起升動(dòng)作收放，為液壓抓斗提供動(dòng)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(huì)經(jīng)常出現(xiàn)電纜斷芯的情況，影響清污機(jī)的正常工作，造成水電站水頭的損失，減少了發(fā)電量。

該項(xiàng)目的目的是解決目前液壓式清污抓斗經(jīng)常出現(xiàn)的供電電纜斷芯問(wèn)題和抓斗在水下工作，操作人員無(wú)法監(jiān)控抓斗的水下工作情況的問(wèn)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(jī)的應(yīng)用更加廣泛，為水電站創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 主要關(guān)鍵技術(shù)——水下無(wú)纜供電系統(tǒng)

1.1 電源電氣系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和特性要求

水下電源的容量為7.5 kW，主負(fù)載為5.5 kW三相異步電動(dòng)機(jī)，提供380 V/50 Hz電源為5.5 kW三相異步電動(dòng)機(jī)供電，電機(jī)啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)。

提供一回路DC12 V電源為遙控接收器供電，容量為20 W，并長(zhǎng)期供電。

提供一回路220 VAC電源為電磁閥等設(shè)備供電，容量約為300 W，三相電源達(dá)到50 Hz額定工作狀態(tài)后延時(shí)2～3 s，由逆變變壓器輸出220 V/50 Hz電壓，為電磁閥等設(shè)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(dòng)機(jī)停機(jī)信號(hào)后，關(guān)閉

三相變頻逆變電源，同時(shí)關(guān)閉逆變變壓器輸出的220 V/50 Hz電壓。

三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，持續(xù)工作時(shí)間為20 s左右。每次充電完成后，三相異步電動(dòng)機(jī)能在額定功率下工作1 h，空載運(yùn)行時(shí)間不小于8 h。

各柜體外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：

主機(jī)：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(tǒng)基本構(gòu)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(nèi)，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(guān)電源、24 VDC/12 VDC高頻開關(guān)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(dòng)機(jī)供電，電機(jī)啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)。560 VDC/24 VDC高頻開關(guān)電源、24 VDC/12 VDC高頻開關(guān)電源提供24 VDC、12 VDC電源為遙控接收器等長(zhǎng)期供電；控制板為水下電源提供系統(tǒng)控制。逆變器在接收到啟動(dòng)回路信號(hào)后開始變頻啟動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，三相電源達(dá)到50 Hz額定工作狀態(tài)后延時(shí)2～3 s，由逆變變壓器輸出220 V/50 Hz電壓，為電磁閥等設(shè)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(dòng)機(jī)停機(jī)信號(hào)后，關(guān)閉三相變頻逆變電源，同時(shí)關(guān)閉逆變變壓器輸出的220 V/50 Hz電壓。三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，持續(xù)工作時(shí)間為20 s左右。

電池柜內(nèi)置圣陽(yáng)牌鉛酸免維護(hù)蓄電池，容量為26 Ah，41只串聯(lián)；電池額定電壓為492 VDC，可以滿足三相異步電動(dòng)機(jī)每次下水的工作要求。

充電柜內(nèi)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(yùn)行時(shí)間不小于8 h。

通過(guò)觸摸屏可檢測(cè)和顯示一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行記錄和故障記錄。

1.3 電源電氣系統(tǒng)的工作原理

電源電氣系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2 其他關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水下無(wú)線控制系統(tǒng)

常規(guī)清污機(jī)控制采用有線控制，需要考慮電纜的布置和收放問(wèn)題。該控制方案采用無(wú)線遙控清污機(jī)開展水下工作。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，智能設(shè)備不斷涌現(xiàn)，遙控器的運(yùn)用范圍越來(lái)越廣。由于無(wú)線遙控器的控制距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)，已被廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)方面。該研究項(xiàng)目使用的無(wú)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(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)清污機(jī)水下遙控工作的全部功能。

2.2 水下無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單易用的小型遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。水下監(jiān)視系統(tǒng)采用耐高壓水下攝像機(jī)，操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品耐腐蝕，可長(zhǎng)時(shí)間用于高壓水環(huán)境中；外殼采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，抗壓能力可達(dá)到4 040 hPa，最深可安裝在水下200 m，可以看清1～2 m遠(yuǎn)的物體，使用安全、方便。該系統(tǒng)水下部分主要由高清淅攝像機(jī)、不銹鋼外罩及固定支架、高亮度射燈、信號(hào)電纜等組成。上部分由主機(jī)顯示器、電源等組成。全套設(shè)備可隨時(shí)隨地打開使用，不受任何惡劣天氣的影響。運(yùn)用水下無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可以在操作室內(nèi)清楚地觀察到水下的清污情況，有利于清污工作的順利進(jìn)行，提高工作效率。此外，當(dāng)遇到意外情況時(shí)，操作人員可以及時(shí)停機(jī)，排除故障。

該系統(tǒng)綜合成本低、性能穩(wěn)定，只需一次性投資，無(wú)需挖溝埋管，不受地理環(huán)境和工作內(nèi)容的限制；而采用有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的施工周期很長(zhǎng)，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)控。采用無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)擺脫了線纜的束縛，具有安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)、迅速收回成本的優(yōu)點(diǎn)。因此，水下無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以被廣泛應(yīng)用于水電站的水下設(shè)備監(jiān)視中，特別適用于水電站清污作業(yè)的過(guò)程監(jiān)視和自動(dòng)錄像中。

3 電控系統(tǒng)的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 實(shí)現(xiàn)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(shù)相結(jié)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(guī)則、電纜經(jīng)常斷芯的問(wèn)題。

3.2 實(shí)現(xiàn)清污抓斗的水下無(wú)線遙控功能

液壓式清污抓斗工作控制信號(hào)的發(fā)送采用無(wú)線通用技術(shù)，解決了采用控制電纜方式因電纜斷芯而使清污抓斗無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題。由于無(wú)線遙控技術(shù)遇水后信號(hào)不斷衰減，因此，目前水下的遙控距離為30 m。

3.3 實(shí)現(xiàn)清污抓斗的水下無(wú)線視頻監(jiān)控

無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)可將視頻信號(hào)以無(wú)線方式傳送至接收器，操作人員可以在操作室內(nèi)清楚地看到水下液壓式清污抓斗的清污狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

該研究項(xiàng)目解決了水下無(wú)電纜供電系統(tǒng)的供電技術(shù)、水下無(wú)線控制和水下無(wú)線視頻監(jiān)控等問(wèn)題，研制、開發(fā)出一套適用于目前液壓式清污抓斗電機(jī)容量的系統(tǒng)成品，并將其應(yīng)用于清污機(jī)項(xiàng)目。液壓式抓斗電控系統(tǒng)的成功研制，大大提高了清污機(jī)的工作效率，使液壓抓斗式清污機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，從而為水電站創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]周志敏.新型電源實(shí)用技術(shù)系列書 UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[2]石明衛(wèi).無(wú)線通信原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[3]郭鴻雁.現(xiàn)代視頻技術(shù)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕