官地水電站表孔閘門偏差報警原因分析與處理

劉曉豐，王 洵，吳文領(lǐng)，丁 楠，李洪生

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

官地水電站[1]地處四川省涼山彝族自治州西昌市及鹽源縣交界的雅礱江干流河段上，其上游和錦屏二級水電站的尾水相銜接，下游和二灘水電站的庫首相銜接，是雅礱江下游水域建成投產(chǎn)的第三座水電站，電站裝配有4臺單機(jī)容量為600 MW[2]的混流式發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 400 MW，是國家“西電東送”的重點(diǎn)工程之一。

官地水電站的大壩為碾壓混凝土重力壩，壩高為168 m[3]，其溢流壩段布置有5個凈寬為15 m的溢流表孔，由大壩左岸至右岸方向依次編號為1號表孔至5號表孔。每個表孔的最大泄洪量為2 621.4 m3/s，其消能方式為底流消能。大壩表孔閘門泄洪系統(tǒng)的組成主要包括5個表孔、5套表孔工作閘門及其液壓啟閉系統(tǒng)、2扇公用的表孔檢修閘門和壩頂單向門機(jī)。

官地水電站投運(yùn)以來表孔閘門動水啟落門過程中曾多次出現(xiàn)閘門偏差過大的現(xiàn)象，影響表孔閘門的自動控制操作，在電站主汛期防洪度汛期間，對閘門的遠(yuǎn)程調(diào)度可靠性帶來一定的安全隱患。

1 表孔閘門偏差過大現(xiàn)象

2018年4月，官地水電站進(jìn)行1、5號表孔工作閘門動水啟落門試驗(yàn)，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令關(guān)閉1、5號表孔后，監(jiān)控系統(tǒng)報“11LCU 5號表孔裝置故障動作”、“11LCU閘門偏差過大(5號表孔閘門MB+通訊)動作”信號。

現(xiàn)地檢查5號表孔閘門油泵停止，閘門關(guān)閉失敗。檢查5號表孔閘門左缸開度傳感器顯示數(shù)值異常。其中左缸行程為216 mm，右缸行程為207 mm，左右缸偏差9 mm。閘門裝置故障燈點(diǎn)亮，報警信號無法復(fù)歸。

2 表孔閘門偏差過大原因分析

5號表孔閘門動水啟落門試驗(yàn)中發(fā)生故障報警后，現(xiàn)場對5號表孔閘門左、右缸開度信號傳輸回路及閘門控制回路接線進(jìn)行了檢查測量，檢查結(jié)果接線正確牢靠，回路電阻測試均正常?，F(xiàn)場進(jìn)行機(jī)械手動啟落門試驗(yàn)，通過查詢5號表孔閘門落門開度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，落門過程中左缸開度值并非一直連貫減小，存在開度值突然增大的反向跳變現(xiàn)象，右缸開度變化連貫減少正常。由于左缸開度的反向跳變，導(dǎo)致左右缸偏差突然增大，最大達(dá)到15 mm，從而引起閘門自動糾偏程序動作，造成閘門略微偏斜，閘門控制系統(tǒng)工作異常。

在控制盤柜端子排上對閘門左、右缸開度信號接線進(jìn)行了調(diào)換，調(diào)換后進(jìn)行機(jī)械手動啟落門試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)此時閘門左缸開度變化連貫正常，閘門右缸開度變化不連貫，出現(xiàn)開度值反向跳變現(xiàn)象。由此分析造成表孔閘門偏差過大可能有三個方面原因：左缸開度傳感器自身故障、左缸開度傳感器信號電纜電磁干擾或控制電纜絕緣降低、開度傳感器與活塞桿之間的安裝間隙差異。

2.1 開度傳感器自身故障分析

官地水電站表孔閘門采用德國力士樂陶瓷活塞桿及力士樂CIMS MK Ⅳ型開度傳感器，開度傳感器為增量式編碼器，通過感應(yīng)陶瓷活塞桿陶瓷覆蓋層下部測齒的排列來輸出相應(yīng)的電平信號。傳感器信號格式為RS-422格式，可以獲得四組正弦波相差90度相位差，在A、B兩相上反向疊加A-和B-信號可增強(qiáng)穩(wěn)定信號輸出。給出的A和B為兩路具有一定相位差的方波信號，通過比較A相在前還是B相在前，來判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)[4]，波形圖如圖1所示。當(dāng)A信號超前于B信號時為加計數(shù)，閘門開度值變大，當(dāng)A信號落后于B信號時為減計數(shù)，閘門開度值減少，計數(shù)的快慢取決于波形的頻率。

圖1 閘門開度傳感器信號波形圖

現(xiàn)場對5號表孔閘門左、右缸開度傳感器進(jìn)行互換，進(jìn)行機(jī)械手動啟落門試驗(yàn)至0.5 m檢查，發(fā)現(xiàn)閘門開度數(shù)據(jù)出現(xiàn)反向跳變情況。開度數(shù)據(jù)正常時左缸和右缸的傳感器波形如圖2所示，左缸測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)反向跳變情況時的波形圖如圖3所示。波形圖中的1、2、3、4信號曲線分別為左缸傳感器的A(黃色)、B(藍(lán)色)和右缸傳感器的A(紫色)、B(綠色)信號曲線。

圖2 左缸和右缸傳感器數(shù)據(jù)正常時的波形照片

圖3 左缸傳感器數(shù)據(jù)反向跳變時的波形照片

試驗(yàn)結(jié)果表明，即使左缸及右缸開度傳感器交換安裝，右缸開度變化穩(wěn)定，左缸開度仍然出現(xiàn)反向跳變現(xiàn)象，可以判斷左缸開度傳感器工作正常穩(wěn)定，出現(xiàn)開度反向跳變的現(xiàn)象與傳感器自身沒有直接關(guān)系。

2.2 傳感器信號電纜電磁干擾或控制電纜絕緣降低分析

力士樂CIMS MK Ⅳ型開度傳感器RS-422信號傳輸線一般使用紐絞雙線，此種電纜具有寬廣的抗干擾范圍[5]。通過對左缸開度傳感器電纜絕緣檢查及左缸開度傳感器正常、異常工況時的波形分析，波形均無明顯的毛刺現(xiàn)象，可以排除傳感器信號電纜受到電磁干擾導(dǎo)致工作異常的情況。

對傳感器進(jìn)行拆解檢查，并測試傳感器電纜的2根電源芯線和4根信號芯線的絕緣，各芯線間及各芯線與地線間絕緣良好，未出現(xiàn)絕緣降低及接地等現(xiàn)象，因此可以排除傳感器控制電纜芯線絕緣降低導(dǎo)致工作異常的情況。

2.3 開度傳感器與活塞桿之間的安裝間隙分析

通過對開度傳感器與活塞桿之間的安裝間隙進(jìn)行檢查測量，測量示意圖如圖4所示。

圖4 傳感器間隙測量示意圖

通過測量數(shù)據(jù)計算得出，左缸開度傳感器與活塞桿的間距為0.42 mm，右缸開度傳感器與活塞桿的間距為3.56 mm。通過手握開度傳感器在5號表孔閘門左側(cè)活塞桿上進(jìn)行滑動試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)間隙在5 mm以內(nèi)時，開度傳感器的測量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳感器間隙測量數(shù)據(jù)表 mm

通過對左右缸的開度傳感器與活塞桿間的測量計算數(shù)據(jù)分析，左缸開度傳感器安裝位置與活塞桿距離較近。而右缸開度傳感器在間隙為3.56 mm情況下工作良好，由此分析表孔閘門偏差過大可能原因?yàn)樽蟾组_度傳感器離活塞桿距離較近，導(dǎo)致左缸開度傳感器工作不穩(wěn)定。

3 表孔閘門偏差過大報警處理

3.1 處理措施

通過前述分析，鑒于閘門右缸開度傳感器在間隙為3.56 mm情況下工作良好，通過采取在左缸開度傳感器與安裝基座間增加厚度為3 mm的橡膠墊片的處理措施，使左缸開度傳感器頭與活塞桿之間的間隙增加至約3.42 mm，接近右缸開度傳感器與活塞桿間隙值。左缸開度傳感器在活塞缸上安裝位置及安裝基座內(nèi)加裝橡膠墊片位置如圖5所示，其中右上方圖中安裝基座處紅色箭頭指示區(qū)域?yàn)閴|片安裝位置。

圖5 傳感器在活塞缸安裝位置及加裝墊片位置照片

3.2 處理效果

左缸開度傳感器采用加裝墊片的處理措施后，#5表孔閘門經(jīng)過0.5 m開度的8次機(jī)械手動方式無水啟落門試驗(yàn)和7次自動方式下無水啟落門試驗(yàn)，閘門開度均正常，左缸開度傳感器工作穩(wěn)定，變化連貫。增加間隙后，左缸開度傳感器波形頻率恢復(fù)至正常狀態(tài)，與右缸開度傳感器波形頻率保持一致。左、右缸開度計數(shù)量基本一致，未再出現(xiàn)左缸開度值反向跳變現(xiàn)象，由此確定造成閘門左缸開度傳感器工作不穩(wěn)定的原因是開度傳感器與活塞桿之間的安裝間隙較小所致。

4 結(jié) 語

本文圍繞官地水電站表孔閘門開度傳感器的工作特性，并結(jié)合傳感器安裝位置的測量數(shù)據(jù)，分析出可能導(dǎo)致表孔閘門偏差過大報警的原因，最終確定為左缸開度傳感器與活塞桿之間的安裝間隙較小所致。通過在左缸開度傳感器與活塞缸基座間加裝墊片的處理措施，有效解決了表孔閘門偏差過大報警的問題。最后經(jīng)過現(xiàn)場閘門啟閉操作試驗(yàn)驗(yàn)證，有明顯的改善效果。文中的分析處理方法，對于同類型水電站處理泄洪閘門開度偏差類似問題具有一定的借鑒和參考意義。