潁上閘除險加固工程中電氣設計與應用

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控制工程，位于素有“管仲故里、皖北水鄉”美譽的安徽省潁上縣慎城鎮境內，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、水生態調控等綜合效益[1]。

工程始建于1959年，1962年停工，1978年續建，1981年7月竣工。工程為開敞式寬頂堰，共24孔，每孔凈寬5 m，閘室長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、卷揚式啟閉機。設計防洪標準50年一遇，設計流量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，最大庫容8 400萬 m3，設計灌溉面積35萬畝(1 hm2=15畝)[2]。

2 潁上閘加固緣由

潁上閘自建成以來，運行已近30 a，現存在以下主要問題：

(1)變壓器和備用柴油發電機距離水閘負荷中心較遠，電動機啟動電壓波動大。備用柴油發電機容量偏小，遠端啟閉機運行容易出現失壓保護情況。

(2)水閘缺失無功功率補償，供電部門功率因數考核經常不合格。

(3)啟閉機控制箱為小型戶外型動力箱，只能控制單扇閘門，無閘門開度、荷重監控裝置。布置于橋頭堡上的低壓配電柜外殼腐蝕，部分開關手柄和儀表損壞。

(4)水閘無自動化控制系統，水閘啟閉機為現場手動控制，難以觀察和控制閘門開度。水閘水位和安全觀測全靠人工測量和記錄，水閘運行管理方式滯后，和大型水閘管理要求不適應。

為適應水利工程管理現代化的需要和管理單位的要求，本次設計對潁上閘高低壓配電控制設備按照配電自動化系統要求選型設計，閘門控制運行和水閘水工監測采用計算機監控，實現水閘調度、自動化控制和信息化處理等。

3 設計思路及方案

3.1 供電電源及用電負荷

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荷中心距離，經比較，新變電所設置在西橋頭堡。本次工程需新增敷設10 kV電力電纜0.3 km，型號為YJV22—8.7/15 kV—3×120。

水閘加固后用電負荷包括：24臺節制閘和2臺防污調度閘啟閉機，配套電機分別為YZ—160L—8(Pe=9 kW，24臺)和Y132M1—6(Pe=4 kW，2臺)；變電所、啟閉機房、集中控制室和公路橋的照明用電；其他檢修動力負荷。

潁上閘為Ⅱ等大(2)型水閘，根據《水閘工程管理設計規范》(SL 170)規定：本閘的防汛指揮調度系統、通信系統、閘門啟閉設備的動力系統和現場照明等用電負荷等級汛期均屬一級，非汛期為三級。故需設應急備用電源，因此在橋頭堡設1臺柴油發電機組作為應急備用電源。

3.2 電氣主接線

潁上閘最大運行方式為4臺啟閉機同時運行，最不利運行情況為2臺啟閉機電機運行，再起動2臺閘門啟閉電機。應急電源供電時只運行2臺電機。

10 kV電源經高壓環網柜與10/0.4 kV變壓器高壓側連接，降壓至0.4 kV后，引至配電室的低壓配電柜，供潁上閘啟閉機房、閘管處的辦公及其他負荷供電。

潁上閘用電由配電室低壓配電柜引7回供電線路至7臺閘門動力控制箱，每臺動力控制箱控制2～4扇閘門啟閉機。通過用電負荷統計及啟閉機電機起動壓降計算，考慮變壓器過負荷時間比較短，采用原水閘配置的SC10—160/10型變壓器，容量160 kVA，電壓等級10/0.4 kV。

潁上閘設有1臺柴油發電機組，作為系統電消失時的備用電源。柴油發電機供電時最多可同時啟動2臺啟閉機，分別按穩態、尖峰和發電機母線允許壓降計算發電機容量，取最大值123 kVA。原水閘75 kW柴油發電機組容量偏小，通過現場對潁上閘負荷統計計算可選用1臺功率為114 kW、容量為143 kVA的DC143S型柴油發電機組，可滿足啟閉機電機直接起動和運行要求，詳見圖1。

圖1 潁上閘電氣主接線圖

3.3 電動機啟動方式和無功功率補償

根據供電系統為最小運行方式，對4臺閘門啟閉機同時起動時的電機起動電壓計算，計算結果為：2臺啟閉機同時起動時，0.4 kV母線電壓為Uq=0.93Un，24號啟閉機電機的機端電壓為Uq1=0.82Un。確定啟閉機采用全壓起動方式。

為減少電網輸送的無功功率，降低線路的電壓和功率損失，潁上閘增設無功功率補償，且補償方式采用集中補償。取電網功率因數為0.85，容量為160 kVA的變壓器，相當于136 kW負荷。配電所下用電負荷功率因數設為0.8，將功率因數由0.8補償到0.95。全閘補償容量取75 kvar，分5步投入。選用1臺MNS型自動控制無功功率補償屏。

3.4 保護、控制和測量

裝設1組XS—12F型熔斷器，作為10 kV電源進線保護。10 kV高壓環網計量柜裝有有功、無功電度表和智能電表，作為電能測量計費使用。10/0.4 kV變壓器采用負荷開關—熔斷器組合開關保護。低壓配電柜的饋電回路選用FE、FD型空氣開關作為低壓線路的短路和過負荷保護，回路上裝設有電流、電壓表。

現場閘門動力箱內裝設型號為FD型的空氣開關作為電動機短路保護，裝設型號為CL型的交流接觸器用來控制電動機啟、停，RT型熱繼電器作為電機過負荷及斷相保護；同時裝設有按鈕及信號燈等，用于在現地動力箱上手動啟閉閘門。本閘啟閉機的控制為遠方和現場聯合控制方式。

3.5 電氣設備布置

電氣設計高壓熔斷器、避雷器布置在10 kV線路終端桿上。柴油發電機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臺無功補償柜安裝在橋頭堡的二層；橋頭堡三層控制室布置閘門集中控制臺和公用LCU屏，以及計算機監控系統、視頻監視系統。各啟閉機控制箱和現地LCU屏安裝在啟閉機房內，閘門高度傳感器及荷重傳感器安裝在啟閉機上。

防汛樓控制室內放有工作臺、計算機監控及視頻監視系統的有關設備。

3.6 防雷、接地

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

本閘的接地裝置按照有關規程規定進行修復，并將人工接地網與水閘結構主鋼筋構成的自然接地網用鍍鋅扁鐵可靠連接，形成完整的接地網，其接地電阻應不超過1 Ω。閘上所有電氣設備的金屬外殼及金屬構架都應與接地網可靠連接。

3.7 照明、通信

啟閉機房、配電房及柴油發電機房內采用節能熒光燈，在交通橋布置高桿路燈，作為正常照明。在啟閉機房、配電房及柴油發電機房裝設一些應急燈，作為事故照明。

為方便調度或與外界聯系，在防汛樓控制室選用1臺20門的調度總機作生產、調度、行政聯系之用，通過2對中繼線接入電信網絡。為保護水閘運行安全，在橋頭堡頂設置探照燈，探照距離1 km，可視范圍300 m；探照燈和高速球機采用同一云臺。另設置1套語音廣播系統，對上、下游船只指揮警示。

3.8 計算機監控系統

為提高自動化水平，增強水閘調度手段，保證工程安全運行，對潁上閘增設計算機監控系統。

3.8.1 計算機監控系統結構

計算機監控系統采用開放式全分布系統結構，分設主控級和現地單元控制級。主控級監視、操作并重，現地單元布置在閘門啟閉機旁，作為閘門控制系統的調試、現地控制和監視，也作為主控級的后備控制。主控級和現地相互閉鎖，控制優先級為現地控制高于遠方控制。

主控級設2臺計算機兼操作員工作站，二者互為冗余熱備用，作為閘門的控制中樞。

現地單元控制級共設有7套閘門現地控制單元和1套公用控制單元，分別對閘門和變配電設備進行控制和監視。上位機與下位機之間通信采用總線式以太網。另設通信服務器1臺，作為與當地水文站和上級防汛調度中心通信的接口，詳見圖2。

圖2 運行控制方式

3.8.2 計算機監控系統功能

系統主要功能有閘門的集中監控以及單獨和聯合運行方式控制；閘門開度、閘門荷重、上下游水位、測壓管水位及流量測量顯示；供配電裝置的開關狀態信號的采集；趨勢分析和安全報警等。

閘門集中控制主要功能是完成閘門開度的集中顯示、集中控制，或按給定程序自動啟閉所有閘門，并能按照預定流量自動選擇開啟閘門的數量、控制閘門起升高度和定時保存。該系統可同時完成閘門開度的測量(測量范圍為0～10 m，分辨率為1 cm)及閘門的荷重測量(測量范圍為0～400 t，分辨率設置為0.1 t)。顯示方式有LCD顯示和每孔閘門開度、荷重的現場顯示(位于現地LCU屏上)。

趨勢分析和安全報警顯示等功能也在這套系統內實現。LCD顯示主要有：系統主畫面、全閘位監控、1～26號孔閘門監控、所選閘門監控、流量顯示、水位顯示、故障顯示、報警顯示、參數設置、柴油發電機狀態及低壓斷路器位置顯示等。

對于過閘流量，每隔30 min進行1次數據采集，至少能夠保存1 a內給定時間的過閘流量和全年各時段的過閘總流量。

閘門監控系統能打印出LCD顯示條款中的全部內容，即能打印出當前各孔閘門開度值、荷重值、給定時間段的流量、各孔閘門故障(不到位、越限)的統計記錄；同時還能打印給定時間段內的各次故障記錄值及上、下游水位記錄值。通過鍵盤或鼠標，由操作員工作站根據控制程序自動使閘門升降到設定開度值；當閘門出現故障時，給出聲、光報警信號(彈出窗口)。能打印出當前各點水位值、給定時間段內各測點水位報警統計記錄，同時還能打印出給定時間段內各次報警的詳細記錄值，詳見圖3。

圖3 潁上閘計算機控制結構框圖

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3.9 視頻監視系統

潁上閘增設1套視頻監視系統，分為攝像、傳輸、顯示及控制等4個主要部分。

現場攝像共由57臺攝像機系統組成，其中橋頭堡設置1臺一體化攝像機，分別監視上游漂浮物，上、下游船只情況；在有可能危及水閘安全的時候，發報警。啟閉機房設置1臺一體化攝像機，用以監視啟閉機房內設備運行狀況。每扇閘門分別設置1臺固定式攝像機，監視閘門運行情況。上、下游各設置1臺一體化攝像機，監視河道、交通橋及閘門運行情況。管理區和堤防等場所另設攝像機，便于安保管理。室外攝像監控點均需考慮惡劣的現場環境，裝設防雷接地裝置等。

前端攝象機信號與視頻網絡編碼器相連接，被轉換成基于IP的MPEG4碼流，與音頻、控制信號一起通過交換機連接視頻服務器，傳送到IP網絡中；遠端監控中心經過解碼器可接收圖象。中心計算機可以直接控制前端攝象機，并根據不同權限對圖象進行監視、查詢、錄象、回放和管理。

該系統與水閘計算機監控系統、廣播系統、報警系統聯動，可實現對水閘設備以數據、圖像等綜合信息的全方位監控，保障水閘安全運行；同時可加快水閘設備事故故障處理，方便水閘設備調試、維護、檢修工作，減輕值班人員的勞動強度，詳見圖4。

圖4 潁上閘視頻監視結構框圖

4 結 語

潁上閘除險加固工程中的電氣設計決定了防洪、灌溉、除澇、水生態調控等功能是否能得到充分發揮。系統設計嚴格按照相關規范標準，并結合實際情況選用安全、可靠、先進的電氣設備，可以提升水閘工程調度信息化水平，保障潁上縣生產、生活、生態用水的需求[2]。

另外，自動化控制系統的增設，解決了潁上閘節制閘原閘門不能遠程監控及實時監控等問題，有效提高了水閘的運行管理效率，實現了閘門的現地及遠程自動控制功能。系統投入運用后，穩定、可靠，實時性表現良好，滿足水閘安全運行以及“無人值班”(少人值守)的需求，對以后類似工程的閘門控制與信息處理自動化工程建設具有重要的推廣價值。