西黑山节制闸电热融冰设备调试及应用

张希鹏，王培坤，张超伟，赵 丹

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津300393）

1 引言

西黑山节制闸弧形闸门埋件融冰设备原设计原理为电加热油融冰，将油箱内的导热油经加热装置升温后，通过油泵加压流经油管输送至闸门埋件处的油腔进油口，原油腔的导热油经管道流回油箱。设备主要参数：工作流量200 mL/min，工作压力：0.3 MPa，加热棒功率：20×3 kW，工作介质：LTD-50 L导热油。由于电热融冰设备存在漏油风险，影响水质安全，且有一定的火灾隐患，因此迫切需要研究改进措施。

2 电热融冰设备

2.1 设备组成

电热融冰设备主要由发热元件、腔内温度传感器、中间接线端子箱、供电电缆、信号电缆、环境温度传感器、电气控制柜等组成。发热元件是以美国瑞侃（Raychem）VPL限功率发热电缆为核心，由适应闸门侧轨原导热油空腔的结构形式特殊制作的发热电缆及冷缆组成（见图1）。

图1 电热融冰设备发热元件组成

发热电缆的参数：工作电压：AC220 V～230 V；额定输出功率：65 W/m，10℃时150℃电热缆维持功率：48 W/m；最高维持温度（持续通电，230 V）：150℃；最高暴露温度（持续断电）：260℃。

电气控制柜是电热融冰设备电气控制系统的中心，内部装有电源开关、可编程控制器（PLC）、继电器等诸多电器元件。

2.2 使用环境

电源电压：380 V，50 Hz；允许电压波动范围：±5%；环境温度：-25℃～50℃；环境湿度：≤90%。

2.3 工作原理

进入冬季，弧形闸门侧止水与闸门埋件处可能会结冰，影响弧门运行安全。此时，电热融冰设备根据探测到的环境温度以及腔内温度数值，自动分级投入所需加热功率运行，并随环境温度梯度变化，系统自动调节投入加热电缆的功率，防止闸门止水与埋件之间出现结冰现象。

3 电热融冰设备安装

3.1 发热元件安装

原热油管路须拆除原进、出油管的水平段，露出向上的开口并预留约50 mm直管段，管口切割处去毛刺、尖角倒钝，开口上方无影响穿线的遮挡物；原导热油腔中的油利用油泵抽干净，并对空腔做必要的清洗。

发热电缆安装前需展开平铺在平整的地面上，让其自然伸展，以便安装。检查发热电缆外观有无破损，并用万用表测量发热电缆的电阻值，用500 V摇表测量发热电缆的绝缘电阻，发热电缆的阻值≥0.3 KΩ，绝缘电阻≥4 MΩ。

安装发热电缆时将其冷端做好标记（在冷端红黑两线穿上线号），然后将发热电缆逐一穿进闸门埋件的热油空腔内。因发热空腔前端的热油管路较细，因此需要将一根发热电缆安装到位，再安装另一根，直至全部安装完成。

3.2 中间接线箱安装

每孔闸门左右两侧分别设置一个中间接线端子箱。中间接线端子箱固定在闸门两侧电缆沟内，箱内布置有接线端子排。电热融冰设备的供电电缆和发热元件的冷缆通过中间接线端子箱对接。

3.3 供电电缆敷设

电热融冰设备电气控制柜到闸门每侧的中间接线端子箱由一根12芯供电电缆连接，使用10芯，备用2芯。供电电缆为电热融冰设备发热电缆提供电源，型号为ZR-KVV12×1.0软电缆，并敷设在电缆沟内，沿电缆桥架引至电气控制柜。

3.4 信号电缆敷设

电热融冰设备电气控制柜到闸门每侧的中间接线端子箱由两根6芯信号电缆连接，使用5芯，备用1芯。两根信号电缆分别为闸门一侧的热电阻式温度传感器传输信号。

3.5 环境温度传感器安装

电热融冰设备设置一个环境温度传感器，安装在弧形闸室内，用于检测闸门所在闸室的环境温度。

3.6 电气控制柜安装

电气控制柜内装有防雷器、断路器、接触器、中间继电器、控制继电器、开关电源（220 V变24 V）等低压电气元件和可编程控制器（PLC）。电气控制柜操作面上装有智能仪表、触摸屏、转换开关、按钮和指示灯。电气控制柜安装在闸室控制柜底座上，四角用螺丝固定，做好接地并测量接地电阻符合标准。

4 电热融冰设备调试

4.1 通电前的准备

在电气控制柜端测量发热电缆的阻值、绝缘电阻，确保发热电缆无损伤。测量电气控制柜的绝缘电阻、接地电阻是否满足阻值≥0.3 kΩ、绝缘电阻≥4 MΩ。若不满足，排除故障后在进行测量，直至满足标准。

4.2 电气控制柜通电

首先，合上进线电源开关用万用表测量进线电源，须满足要求：380 V±10%，50 Hz。然后，逐级合上控制柜内的断路器，次序为：总电源断路器、智能仪表电源、控制电源断路器、辅助电源断路器、直流电源断路器。最后，检测各电源下的电气元件是否正常工作。

4.3 手动功能检测

将控制方式转换开关打到手动控制位，通过手动按钮将发热电缆接触器吸合，检查有无吸合错误或不吸合状况。然后，合上发热电缆电源开关并检查有无跳闸现象。点击触摸屏上状态监控按钮，进入状态监控界面，观察各闸门发热腔内温度是否升高。若正常升高，则通过电气控制柜上停止按钮，停止发热电缆工作。

4.4 自动功能检测

将控制方式转换开关打到自动控制位，然后通过触摸屏参数设置画面设置电热融冰设备启动温度（该温度数值一定要大于当前环境温度数值）和停止温度。最后检查发热电缆是否自动投入工作。

5 电热融冰设备的应用

5.1 控制方式

操作面板上设置有运行方式选择开关，分别是切除、自动、手动。电热融冰设备无故障警报情况下，均应在自动运行模式下运行。

5.2 融冰设备启停条件

环境温度下降到“启动温度”时，电热融冰设备开始投入工作，环境温度回升到“停止温度”时，电热融冰设备停止工作。

5.3 温度控制

5.3.1 参数设置

在参数设置界面共有3个参数：“加热温度设置”、“启动温度”、“停止加热温度”。“加热温度设置”是指要维持的加热空腔温度，设置值为100℃；“启动温度”是指电热融冰设备自动投入运行的环境温度，设置值为0℃；“停止温度”是指电热融冰设备自动停止运行的环境温度，设置值为5℃。

5.3.2 加热过程

加热腔内温度传感器测量温度达到“加热温度设置（100℃）”时，电热融冰设备切除40%功率发热电缆，60%功率发热电缆继续工作；测量温度低于80℃时，电热融冰设备切除的40%功率发热电缆重新投入工作；测量温度超过120℃时，电热融冰设备全部发热电缆停止工作。

5.4 电热融冰使用效果

为更好的掌握电热融冰设备使用效果，对2017-2018年度冰期输水期间环境温度和埋件温度做了记录，现将2018年1月的环境温度和埋件温度进行比较，如图2所示。图2表明，2018年1月在环境温度较低时埋件温度始终高于0℃，验证了电热融冰设备的融冰功能。

图2 2018年1月环境温度和埋件温度比较

5.5 电热融冰设备维护

为有效提高其工作寿命和安全性，每季度定期对电热融冰设备进行维护检修，具体步骤如下：（1）电气控制柜清扫；（2）检查电气控制柜；（3）紧固配电回路接线；（4）控制动作检查。

5.6 故障排除

电热融冰设备设置跳闸警报、超温警报等警报信息。在电热设备运行过程中，若发生短路、漏电、加热温度超高等故障情况，控制柜操作面板上的蜂鸣器会发出声光警报和触摸屏警报，信息画面会记录故障状况。这种情况下，需要先在触摸屏状态监视画面中点击发生故障报警的闸门融冰开关，将其关闭，然后断开控制柜中对应的断路器，进行故障排查检修。

常见故障及解决措施如下：（1）断路器跳闸。将跳闸的断路器对应的加热电缆摘除，用万用表测量加热电缆的电阻，若其电阻值≤100 Ω，则需将加热电缆从加热空腔中抽出，进行绝缘检查。（2）超温报警。对照图纸，观察PLC热电阻扩展模块的状态指示灯，若有红灯闪烁，需检查温度传感器的接线是否牢靠、是否存在断路情况。（3）显示错误。如屏幕显示温度为32 767℃，表示温度传感器处于断开状态。

6 结语

介绍了南水北调中线天津分局西黑山节制闸热油融冰设备改造为电热融冰设备的原因，通过对电热融冰设备组成、安装及调试过程详细介绍，为类似设备的安装调试提供了参考依据。列举了电热融冰设备参数的设定、维护保养项目及故障排除方法，为此类设备的正常运行提供了借鉴作用。