潁上閘除險(xiǎn)加固工程中電氣設(shè)計(jì)與應(yīng)用

余啟楊

(潁上閘管理處，安徽 穎上 236200)

1 工程概況

潁上閘是潁河干流最末一級(jí)控制工程，位于素有“管仲故里、皖北水鄉(xiāng)”美譽(yù)的安徽省潁上縣慎城鎮(zhèn)境內(nèi)，距入淮口38.5 km，為Ⅱ等大(2)型水利工程，具有防洪排澇、蓄水灌溉、交通航運(yùn)、水生態(tài)調(diào)控等綜合效益[1]。

工程始建于1959年，1962年停工，1978年續(xù)建，1981年7月竣工。工程為開(kāi)敞式寬頂堰，共24孔，每孔凈寬5 m，閘室長(zhǎng)17 m，閘身總寬156.5 m，閘底板高程19.0 m(廢黃河高程系，下同)，配平面鋼閘門(mén)、卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，設(shè)計(jì)流量4 580 m3/s，閘上水位29.31 m，閘下水位29.06 m；正常蓄水位24.00～24.50 m，最大庫(kù)容8 400萬(wàn) m3，設(shè)計(jì)灌溉面積35萬(wàn)畝(1 hm2=15畝)[2]。

2 潁上閘加固緣由

潁上閘自建成以來(lái)，運(yùn)行已近30 a，現(xiàn)存在以下主要問(wèn)題：

(1)變壓器和備用柴油發(fā)電機(jī)距離水閘負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓波動(dòng)大。備用柴油發(fā)電機(jī)容量偏小，遠(yuǎn)端啟閉機(jī)運(yùn)行容易出現(xiàn)失壓保護(hù)情況。

(2)水閘缺失無(wú)功功率補(bǔ)償，供電部門(mén)功率因數(shù)考核經(jīng)常不合格。

(3)啟閉機(jī)控制箱為小型戶外型動(dòng)力箱，只能控制單扇閘門(mén)，無(wú)閘門(mén)開(kāi)度、荷重監(jiān)控裝置。布置于橋頭堡上的低壓配電柜外殼腐蝕，部分開(kāi)關(guān)手柄和儀表?yè)p壞。

(4)水閘無(wú)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，水閘啟閉機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，難以觀察和控制閘門(mén)開(kāi)度。水閘水位和安全觀測(cè)全靠人工測(cè)量和記錄，水閘運(yùn)行管理方式滯后，和大型水閘管理要求不適應(yīng)。

為適應(yīng)水利工程管理現(xiàn)代化的需要和管理單位的要求，本次設(shè)計(jì)對(duì)潁上閘高低壓配電控制設(shè)備按照配電自動(dòng)化系統(tǒng)要求選型設(shè)計(jì)，閘門(mén)控制運(yùn)行和水閘水工監(jiān)測(cè)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水閘調(diào)度、自動(dòng)化控制和信息化處理等。

3 設(shè)計(jì)思路及方案

3.1 供電電源及用電負(fù)荷

潁上閘電源“T”接自附近10 kV輸電線路，原變電所位置距該閘有0.6 km左右距離。為了縮短變電所與負(fù)荷中心距離，經(jīng)比較，新變電所設(shè)置在西橋頭堡。本次工程需新增敷設(shè)10 kV電力電纜0.3 km，型號(hào)為YJV22—8.7/15 kV—3×120。

水閘加固后用電負(fù)荷包括：24臺(tái)節(jié)制閘和2臺(tái)防污調(diào)度閘啟閉機(jī)，配套電機(jī)分別為YZ—160L—8(Pe=9 kW，24臺(tái))和Y132M1—6(Pe=4 kW，2臺(tái))；變電所、啟閉機(jī)房、集中控制室和公路橋的照明用電；其他檢修動(dòng)力負(fù)荷。

潁上閘為Ⅱ等大(2)型水閘，根據(jù)《水閘工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 170)規(guī)定：本閘的防汛指揮調(diào)度系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、閘門(mén)啟閉設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)照明等用電負(fù)荷等級(jí)汛期均屬一級(jí)，非汛期為三級(jí)。故需設(shè)應(yīng)急備用電源，因此在橋頭堡設(shè)1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用電源。

3.2 電氣主接線

潁上閘最大運(yùn)行方式為4臺(tái)啟閉機(jī)同時(shí)運(yùn)行，最不利運(yùn)行情況為2臺(tái)啟閉機(jī)電機(jī)運(yùn)行，再起動(dòng)2臺(tái)閘門(mén)啟閉電機(jī)。應(yīng)急電源供電時(shí)只運(yùn)行2臺(tái)電機(jī)。

10 kV電源經(jīng)高壓環(huán)網(wǎng)柜與10/0.4 kV變壓器高壓側(cè)連接，降壓至0.4 kV后，引至配電室的低壓配電柜，供潁上閘啟閉機(jī)房、閘管處的辦公及其他負(fù)荷供電。

潁上閘用電由配電室低壓配電柜引7回供電線路至7臺(tái)閘門(mén)動(dòng)力控制箱，每臺(tái)動(dòng)力控制箱控制2～4扇閘門(mén)啟閉機(jī)。通過(guò)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及啟閉機(jī)電機(jī)起動(dòng)壓降計(jì)算，考慮變壓器過(guò)負(fù)荷時(shí)間比較短，采用原水閘配置的SC10—160/10型變壓器，容量160 kVA，電壓等級(jí)10/0.4 kV。

潁上閘設(shè)有1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，作為系統(tǒng)電消失時(shí)的備用電源。柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)最多可同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)啟閉機(jī)，分別按穩(wěn)態(tài)、尖峰和發(fā)電機(jī)母線允許壓降計(jì)算發(fā)電機(jī)容量，取最大值123 kVA。原水閘75 kW柴油發(fā)電機(jī)組容量偏小，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)潁上閘負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算可選用1臺(tái)功率為114 kW、容量為143 kVA的DC143S型柴油發(fā)電機(jī)組，可滿足啟閉機(jī)電機(jī)直接起動(dòng)和運(yùn)行要求，詳見(jiàn)圖1。

圖1 潁上閘電氣主接線圖

3.3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式和無(wú)功功率補(bǔ)償

根據(jù)供電系統(tǒng)為最小運(yùn)行方式，對(duì)4臺(tái)閘門(mén)啟閉機(jī)同時(shí)起動(dòng)時(shí)的電機(jī)起動(dòng)電壓計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：2臺(tái)啟閉機(jī)同時(shí)起動(dòng)時(shí)，0.4 kV母線電壓為Uq=0.93Un，24號(hào)啟閉機(jī)電機(jī)的機(jī)端電壓為Uq1=0.82Un。確定啟閉機(jī)采用全壓起動(dòng)方式。

為減少電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率，降低線路的電壓和功率損失，潁上閘增設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償，且補(bǔ)償方式采用集中補(bǔ)償。取電網(wǎng)功率因數(shù)為0.85，容量為160 kVA的變壓器，相當(dāng)于136 kW負(fù)荷。配電所下用電負(fù)荷功率因數(shù)設(shè)為0.8，將功率因數(shù)由0.8補(bǔ)償?shù)?.95。全閘補(bǔ)償容量取75 kvar，分5步投入。選用1臺(tái)MNS型自動(dòng)控制無(wú)功功率補(bǔ)償屏。

3.4 保護(hù)、控制和測(cè)量

裝設(shè)1組XS—12F型熔斷器，作為10 kV電源進(jìn)線保護(hù)。10 kV高壓環(huán)網(wǎng)計(jì)量柜裝有有功、無(wú)功電度表和智能電表，作為電能測(cè)量計(jì)費(fèi)使用。10/0.4 kV變壓器采用負(fù)荷開(kāi)關(guān)—熔斷器組合開(kāi)關(guān)保護(hù)。低壓配電柜的饋電回路選用FE、FD型空氣開(kāi)關(guān)作為低壓線路的短路和過(guò)負(fù)荷保護(hù)，回路上裝設(shè)有電流、電壓表。

現(xiàn)場(chǎng)閘門(mén)動(dòng)力箱內(nèi)裝設(shè)型號(hào)為FD型的空氣開(kāi)關(guān)作為電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)，裝設(shè)型號(hào)為CL型的交流接觸器用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)啟、停，RT型熱繼電器作為電機(jī)過(guò)負(fù)荷及斷相保護(hù)；同時(shí)裝設(shè)有按鈕及信號(hào)燈等，用于在現(xiàn)地動(dòng)力箱上手動(dòng)啟閉閘門(mén)。本閘啟閉機(jī)的控制為遠(yuǎn)方和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合控制方式。

3.5 電氣設(shè)備布置

電氣設(shè)計(jì)高壓熔斷器、避雷器布置在10 kV線路終端桿上。柴油發(fā)電機(jī)組布置在水閘橋頭堡的底層：高壓配電柜、變壓器、低壓配電屏及1臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償柜安裝在橋頭堡的二層；橋頭堡三層控制室布置閘門(mén)集中控制臺(tái)和公用LCU屏，以及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。各啟閉機(jī)控制箱和現(xiàn)地LCU屏安裝在啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，閘門(mén)高度傳感器及荷重傳感器安裝在啟閉機(jī)上。

防汛樓控制室內(nèi)放有工作臺(tái)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控及視頻監(jiān)視系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備。

3.6 防雷、接地

在啟閉機(jī)房頂裝設(shè)避雷帶并與水閘接地網(wǎng)可靠連接。為防止雷電波侵入損壞變壓器及其他電氣設(shè)備，在10 kV母線上裝設(shè)了1組YHSWZ—17/50型避雷器。

本閘的接地裝置按照有關(guān)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行修復(fù)，并將人工接地網(wǎng)與水閘結(jié)構(gòu)主鋼筋構(gòu)成的自然接地網(wǎng)用鍍鋅扁鐵可靠連接，形成完整的接地網(wǎng)，其接地電阻應(yīng)不超過(guò)1 Ω。閘上所有電氣設(shè)備的金屬外殼及金屬構(gòu)架都應(yīng)與接地網(wǎng)可靠連接。

3.7 照明、通信

啟閉機(jī)房、配電房及柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)采用節(jié)能熒光燈，在交通橋布置高桿路燈，作為正常照明。在啟閉機(jī)房、配電房及柴油發(fā)電機(jī)房裝設(shè)一些應(yīng)急燈，作為事故照明。

為方便調(diào)度或與外界聯(lián)系，在防汛樓控制室選用1臺(tái)20門(mén)的調(diào)度總機(jī)作生產(chǎn)、調(diào)度、行政聯(lián)系之用，通過(guò)2對(duì)中繼線接入電信網(wǎng)絡(luò)。為保護(hù)水閘運(yùn)行安全，在橋頭堡頂設(shè)置探照燈，探照距離1 km，可視范圍300 m；探照燈和高速球機(jī)采用同一云臺(tái)。另設(shè)置1套語(yǔ)音廣播系統(tǒng)，對(duì)上、下游船只指揮警示。

3.8 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

為提高自動(dòng)化水平，增強(qiáng)水閘調(diào)度手段，保證工程安全運(yùn)行，對(duì)潁上閘增設(shè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.8.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)放式全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分設(shè)主控級(jí)和現(xiàn)地單元控制級(jí)。主控級(jí)監(jiān)視、操作并重，現(xiàn)地單元布置在閘門(mén)啟閉機(jī)旁，作為閘門(mén)控制系統(tǒng)的調(diào)試、現(xiàn)地控制和監(jiān)視，也作為主控級(jí)的后備控制。主控級(jí)和現(xiàn)地相互閉鎖，控制優(yōu)先級(jí)為現(xiàn)地控制高于遠(yuǎn)方控制。

主控級(jí)設(shè)2臺(tái)計(jì)算機(jī)兼操作員工作站，二者互為冗余熱備用，作為閘門(mén)的控制中樞。

現(xiàn)地單元控制級(jí)共設(shè)有7套閘門(mén)現(xiàn)地控制單元和1套公用控制單元，分別對(duì)閘門(mén)和變配電設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視。上位機(jī)與下位機(jī)之間通信采用總線式以太網(wǎng)。另設(shè)通信服務(wù)器1臺(tái)，作為與當(dāng)?shù)厮恼竞蜕霞?jí)防汛調(diào)度中心通信的接口，詳見(jiàn)圖2。

圖2 運(yùn)行控制方式

3.8.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能有閘門(mén)的集中監(jiān)控以及單獨(dú)和聯(lián)合運(yùn)行方式控制；閘門(mén)開(kāi)度、閘門(mén)荷重、上下游水位、測(cè)壓管水位及流量測(cè)量顯示；供配電裝置的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)的采集；趨勢(shì)分析和安全報(bào)警等。

閘門(mén)集中控制主要功能是完成閘門(mén)開(kāi)度的集中顯示、集中控制，或按給定程序自動(dòng)啟閉所有閘門(mén)，并能按照預(yù)定流量自動(dòng)選擇開(kāi)啟閘門(mén)的數(shù)量、控制閘門(mén)起升高度和定時(shí)保存。該系統(tǒng)可同時(shí)完成閘門(mén)開(kāi)度的測(cè)量(測(cè)量范圍為0～10 m，分辨率為1 cm)及閘門(mén)的荷重測(cè)量(測(cè)量范圍為0～400 t，分辨率設(shè)置為0.1 t)。顯示方式有LCD顯示和每孔閘門(mén)開(kāi)度、荷重的現(xiàn)場(chǎng)顯示(位于現(xiàn)地LCU屏上)。

趨勢(shì)分析和安全報(bào)警顯示等功能也在這套系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。LCD顯示主要有：系統(tǒng)主畫(huà)面、全閘位監(jiān)控、1～26號(hào)孔閘門(mén)監(jiān)控、所選閘門(mén)監(jiān)控、流量顯示、水位顯示、故障顯示、報(bào)警顯示、參數(shù)設(shè)置、柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)及低壓斷路器位置顯示等。

對(duì)于過(guò)閘流量，每隔30 min進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集，至少能夠保存1 a內(nèi)給定時(shí)間的過(guò)閘流量和全年各時(shí)段的過(guò)閘總流量。

閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)能打印出LCD顯示條款中的全部?jī)?nèi)容，即能打印出當(dāng)前各孔閘門(mén)開(kāi)度值、荷重值、給定時(shí)間段的流量、各孔閘門(mén)故障(不到位、越限)的統(tǒng)計(jì)記錄；同時(shí)還能打印給定時(shí)間段內(nèi)的各次故障記錄值及上、下游水位記錄值。通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)，由操作員工作站根據(jù)控制程序自動(dòng)使閘門(mén)升降到設(shè)定開(kāi)度值；當(dāng)閘門(mén)出現(xiàn)故障時(shí)，給出聲、光報(bào)警信號(hào)(彈出窗口)。能打印出當(dāng)前各點(diǎn)水位值、給定時(shí)間段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)水位報(bào)警統(tǒng)計(jì)記錄，同時(shí)還能打印出給定時(shí)間段內(nèi)各次報(bào)警的詳細(xì)記錄值，詳見(jiàn)圖3。

圖3 潁上閘計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

軟件以Windows XP為工作平臺(tái)，具有靈活可靠、速度快等特點(diǎn)。軟件編制中采用大量的多媒體手段，呈現(xiàn)在用戶面前的為簡(jiǎn)約的界面搭配、靈活方便的操作及友好的動(dòng)畫(huà)示意。

3.9 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

潁上閘增設(shè)1套視頻監(jiān)視系統(tǒng)，分為攝像、傳輸、顯示及控制等4個(gè)主要部分。

現(xiàn)場(chǎng)攝像共由57臺(tái)攝像機(jī)系統(tǒng)組成，其中橋頭堡設(shè)置1臺(tái)一體化攝像機(jī)，分別監(jiān)視上游漂浮物，上、下游船只情況；在有可能危及水閘安全的時(shí)候，發(fā)報(bào)警。啟閉機(jī)房設(shè)置1臺(tái)一體化攝像機(jī)，用以監(jiān)視啟閉機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備運(yùn)行狀況。每扇閘門(mén)分別設(shè)置1臺(tái)固定式攝像機(jī)，監(jiān)視閘門(mén)運(yùn)行情況。上、下游各設(shè)置1臺(tái)一體化攝像機(jī)，監(jiān)視河道、交通橋及閘門(mén)運(yùn)行情況。管理區(qū)和堤防等場(chǎng)所另設(shè)攝像機(jī)，便于安保管理。室外攝像監(jiān)控點(diǎn)均需考慮惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，裝設(shè)防雷接地裝置等。

前端攝象機(jī)信號(hào)與視頻網(wǎng)絡(luò)編碼器相連接，被轉(zhuǎn)換成基于IP的MPEG4碼流，與音頻、控制信號(hào)一起通過(guò)交換機(jī)連接視頻服務(wù)器，傳送到IP網(wǎng)絡(luò)中；遠(yuǎn)端監(jiān)控中心經(jīng)過(guò)解碼器可接收?qǐng)D象。中心計(jì)算機(jī)可以直接控制前端攝象機(jī)，并根據(jù)不同權(quán)限對(duì)圖象進(jìn)行監(jiān)視、查詢、錄象、回放和管理。

該系統(tǒng)與水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘設(shè)備以數(shù)據(jù)、圖像等綜合信息的全方位監(jiān)控，保障水閘安全運(yùn)行；同時(shí)可加快水閘設(shè)備事故故障處理，方便水閘設(shè)備調(diào)試、維護(hù)、檢修工作，減輕值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，詳見(jiàn)圖4。

圖4 潁上閘視頻監(jiān)視結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

潁上閘除險(xiǎn)加固工程中的電氣設(shè)計(jì)決定了防洪、灌溉、除澇、水生態(tài)調(diào)控等功能是否能得到充分發(fā)揮。系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際情況選用安全、可靠、先進(jìn)的電氣設(shè)備，可以提升水閘工程調(diào)度信息化水平，保障潁上縣生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的需求[2]。

另外，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的增設(shè)，解決了潁上閘節(jié)制閘原閘門(mén)不能遠(yuǎn)程監(jiān)控及實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn)題，有效提高了水閘的運(yùn)行管理效率，實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)的現(xiàn)地及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)投入運(yùn)用后，穩(wěn)定、可靠，實(shí)時(shí)性表現(xiàn)良好，滿足水閘安全運(yùn)行以及“無(wú)人值班”(少人值守)的需求，對(duì)以后類似工程的閘門(mén)控制與信息處理自動(dòng)化工程建設(shè)具有重要的推廣價(jià)值。