水闸工程项目的电气设备及电气自动化应用

李盛达

(惠州市潼湖水利工程管理中心，广东 惠州 516000)

随着社会发展水平的提高，水利工程的作用不断凸显，不仅与社会建设发展息息相关，也决定着人民的生活质量和安全。电气设备及电气自动化的应用在水利工程中发挥着至关重要的作用，利用电气自动化技术操控电气设备，能更好地保证设备安全可靠运行，确保工程发挥作用。水闸工程项目是水利工程的重要组成部分，现结合惠州市潼湖围东岸水闸工程，深入探讨电气设备及电气自动化在水闸工程项目的应用。

1 工程概况

潼湖围位于惠州市西南部，东江中下游与石马河交汇处，横跨惠州、东莞两市，是一宗以防洪排涝为主，结合灌溉的综合性工程，围内集雨面积494km2，保护耕地面积约1.33万hm2，围内有陈屋边水闸、建塘反虹涵、东岸泵站、东岸水闸、堤防等一系列工程，东岸水闸位于潼湖围的东江堤段上，是潼湖水利工程重要组成部分。

东岸水闸是集防洪、排涝于一体的重要水闸，水闸原为单孔闸，孔口尺寸为6.0m×9.3m，设计排水流量64m3/s，始建于1966年，建成于1969年，1970年投入使用，运行已经超过40a，接近建筑物设计年限，机电及金属结构超期服役，再加上防洪标准的提高，水闸存在重大安全隐患。为确保工程安全，经潼湖水利工程管理中心委托设计单位对东岸水闸进行安全鉴定，并于2012年4月组织专家对东岸水闸安全鉴定进行评审，经鉴定东岸水闸为“四类闸”，建议报废并重建水闸。重建后东岸水闸为中型水闸，水闸为单孔闸，孔口尺寸为10m×8m，采用垂直卷扬式提升钢闸门，设计排水量241.4m3/s。为提高工程现代化管理水平，实现统一运行调度，重建后东岸水闸采用自动化控制方式，既可实现中控室集中控制，也可现地手动控制。

2 东岸水闸的电气设备及电气自动化应用

2.1 电气一次

2.1.1 供电对象及供电负荷等级

在东岸水闸工程项目中，供电对象以水闸启闭机、现地控制设备及水闸室内外照明设备为主，结合水闸工程实际情况和规模，确定水闸启闭机供电负荷等级为二级，其余设备等级为三级。结合供电负荷等级要求，提供的是二回交流电源供电。

2.1.2 负荷容量统计

东岸水闸供电对象负荷容量为：工作闸门卷扬式启闭机，选择了一台启闭机，其配套电动机功率为18.5kW。检修闸门卷扬式启闭机，选择了一台启闭机，配套电动机功率为11kW。水闸控制设备功率约为3kW。水闸室内、外照明设备的功率约为1kW。

上述负荷总功率合计为33.5kW，负荷需要系数取0.8，负荷同时系数考虑到工作闸门与检修闸门启闭机不同时工作，故同时系数取较低值0.6，功率因数取0.85，设备效率取0.9，则计算负荷总设备容量为21kVA[1]。

2.1.3 供电电源

东岸水闸是一个重建工程，重建站址位于原水闸位置，紧靠东岸泵站。由于东岸泵站采用双电源，一主一备，主电源接110kV潼湖站10kV备用出线柜F21，备用电源接110kV桥头站10kV桥永线F24。主电源为专线电源，满足本工程二级负荷要求。东岸泵站用变压器容量为400kVA，备用容量>东岸水闸设备总容量。东岸水闸电气设备电压为220V/380V，因此，东岸水闸供电电源从东岸泵站站用变压器0.4kV低压侧配电柜供电，采用一回型号为VV22-3×35+1×16低压电缆，供电距离约200m。

2.1.4 电气主接线

根据供电回路的数量和用电负荷的特点，电气主接线形式为：380V侧采用单母线连接，进线设置空气断路器，每个供电对象设置单独的回路，采用放射状供电：每个启闭机、自控设备和照明设一个回路[2]。

2.1.5 电动机启动方式

因为启闭机最大功率是18.5kW，在启动时冲击电流不会给电网带来较大影响，所以采取直接启动方式。

2.1.6 防雷接地

配电箱进线设置电力避雷器，防止雷电波侵入，危及人员和设备安全。防雷接地、工作接地、保护接地采用同一接地网系统。接地保护采用TN-C-S。东岸水闸工程防雷接地包括低压电力设备及现地控制设备，根据规程要求，接地装置的接地电阻不得超过1欧姆。具体做法如下：接地干线采用50×5mm镀锌扁铁作为接地干线，焊接成5×5m接地网，同时充分利用自然接地体(钢筋、钢管、闸门槽等)，焊接形成一个整体接地网[3]。所有电气设备外壳应可靠接地，金属外露部分均应作等电位联结，在接地线上方便之处设置测量端子。实测电阻不满足接地电阻要求时，加埋人工接地体及外引接地体,直到满足工程要求为止。

2.2 闸门及启闭机

2.2.1 工作闸门

东岸水闸工作闸门主要用于防洪，兼作挡内河水。工作闸门共设1孔，孔口净宽10m，孔口高度8m，内河设计水位8.29m，外江设计水位6.57，校核水位12.20m，闸底板高程1.40m。工作闸门为平板钢闸门结构，行走支承采用滚轮，单扇闸门重28.2t，单孔门槽重10.0t。

2.2.2 检修闸门

工作闸门下游设置检修闸门，用于工作闸门检修期间挡内河水。检修闸门孔口共1孔，尺寸为净宽10m，挡水水位取内河设计水位5.0m，加0.5m超高确定，底槛高程1.4m，则门叶高4.1m。检修闸门为平板钢闸门，行走支承采用滚轮，单扇闸门重13.6t。

2.2.3 启闭机

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》对水闸启闭力进行计算，工作闸门闭门力为-106.28kN，启门力为445.63kN，闸门可依靠自重闭门，不需另外增加闭门力；检修闸门闭门力为-78.50kN，启门力为129.53kN，闸门可依靠自重闭门，不需另外增加闭门力。工作闸门和检修闸门可供选用的启闭机型式有螺杆启闭机、液压启闭机、卷扬启闭机，以下对三种启闭机的优缺点作简要分析。

1)螺杆启闭机：

优点：构造简单，体积小，造价低廉，维修方便。多用于中小型平面闸门，在螺杆长细比许可的范围内能够对闸门施加闭门力作用，多用于闸门不能靠自重闭门的场合。

缺点：因螺杆式启闭机体未设减速装置，所以启闭能力受到限制，常用的吨位较小。螺杆式启闭机宜因设计不周、安装不准确或操作不当而将螺杆压弯，影响闸门的启闭。另外，因机座及启闭台大梁锚固不牢，在闭门力过大时，容易将机体本身甚至将启闭台大梁整个抬起。

2)液压启闭机：

优点：结构紧凑，重量轻，体积小；承载能力大，能够远距离传递动力；缓冲性能好，传动平稳；液压传动与电气控制相结合，便于实现自动化。

缺点：对工作环境要求较高，启闭机室必须保持清洁干燥，防止油液污染。加工成本高，造价高；密封质量较差时，液压油容易渗漏，双吊点启闭机吊点同步性相对较差，某些液压启闭机在失去电力的情况下无法启闭。

3)卷扬启闭机：

优点：由于卷扬启闭机通过减速装置减速，速比大，且通过滑轮组倍率放大作用，可以获得较大的启门力，适用于较大孔口尺寸和水头的闸门。钢丝绳缠绕在绳鼓上，因此，卷扬启闭机的行程不受限制，便于开启具有较大行程的闸门或深孔闸门。钢丝绳的受力方向可以适当摆动，也可以通过附加埋置的转向滑轮，改变其受力方向。因此闸门与启闭机的配合，具有较大的灵活性。在采用电动时，启闭的速度较快，适用于经常启闭和事故闸门的闸门。另外，卷扬启闭机造价比螺杆启闭机高，但比液压启闭机低。

缺点：由于钢丝绳只能承受拉力，故只能用于开启闸门，闸门必须靠自重关闭。卷扬启闭机没有自锁作用，不论采用手摇或电动，必须附有可靠的制动装置。若闸门在启闭过程中停留，必须依靠制动或锁锭，否则会因自重而坠落，不够安全[4]。另外，钢丝绳及滑轮组如长期在水中工作，钢丝绳易生锈蚀，维护困难。

通过以上比较可知，工作闸门和检修闸门不需闭门力，三种启闭机均满足使用要求，螺杆启闭机造价虽低，但结构过于简陋，可靠性差；液压启闭机技术性能好，传动平稳，但造价高，运行管理麻烦；卷扬启闭机技术性能较好，造价适中，运行管理相对简单。因此，东岸水闸选用卷扬启闭机，工作闸门采用QPQ-2×25t型双吊点卷扬启闭机，额定起重量2×25t，额定起升高度13.0m。检修闸门采用QPQ-2×12.5t型双吊点卷扬启闭机，额定起重量2×12.5t，额定起升高度13.0m。

2.3 电气自动化控制

东岸水闸坐落于东岸泵站左侧，由惠州潼湖水利工程管理中心管理。东岸泵站采用自动控制方式，为提高工程现代化管理水平，实现统一运行调度，东岸水闸采用自动控制方式，既可在中控室集中控制，也可现地手动控制。水闸的1孔工作闸门设1套现地控制单元，布置于水闸启闭机室内。现地控制单元主要由PLC数据采集控制单元组成，通过PLC控制单元采集闸门开度、配电回路开/关状况及有关电量等信息。现地控制单元通过RS485通信接口与东岸泵站中控室传输信号，并接受中控室远程控制[5]。自动化控制原理图见图2。

图2 自动化控制原理图

3 结 语

总而言之，文章结合惠州市潼湖围东岸水闸工程案例，对水闸工程项目的电气设备及电气自动化应用进行分析，电气设备及电气自动化应用是当前水利工程建设发展的重要因素，通过结合案例实际，选取适宜的电气设备及自动化控制系统，有效提升其电气化水平及自动化控制系统，确保了水闸工程安全正常高效的运行，促进现代水利工程项目的科学化、现代化，为水利行业发展提供有力的技术支持。