水电站无电缆供电清污液压抓斗电控系统的开发与研究

胡美玲

摘 要：主要介绍了一种新型水电站清污机电气控制系统。该电气控制系统将变频技术、无线通信技术和视频监控技术有机地结合在一起，实现了清污机无电缆入水供电和无线遥控操作，并且可以实时监控液压清污抓斗的水下工作情况。

关键词：水电站；清污机；电控系统；变频技术

中图分类号：TV644+.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.075

清污机的作用是清理拦污栅上的污物。拦污栅布置在水电站的进水口处，用于拦阻可能进入引水道的杂物，比如树枝、杂木、水草、生活垃圾等，以保护水轮机、闸门及管道等设备的正常运行。大量杂物堆积在拦污栅上会压坏拦污栅，并且使水头损失严重，进而造成水资源的浪费，减少发电量。目前，水电站清理方法有人工清污、机械清污和提栅清污。其中，人工清污工作极其繁重，效率低下；提栅清污会导致水轮机组停机，影响发电。最好的清污方法是在进水口处设置拦污栅清污机。这样既能有效地清除黏附于拦污栅上的杂物及悬浮在拦污栅处的漂浮物，又能对水轮机等设备的持续、正常运转起到重要的作用。

清污机在水电站的应用非常广泛。常用的清污机械装置为抓斗形式，清污抓斗又分机械和液压两种形式。机械式清污抓斗对倾斜式拦污栅的清污效果较好；液压式清污抓斗对垂直式拦污栅的清污效果良好，是目前常采用的形式。然而，液压式清污机在入水工作时，其供电电缆要随抓斗入水，并随起升动作收放，为液压抓斗提供动力。水电站液压式抓斗水下工作供电电缆的收放采用电缆卷筒形式，但会经常出现电缆断芯的情况，影响清污机的正常工作，造成水电站水头的损失，减少了发电量。

该项目的目的是解决目前液压式清污抓斗经常出现的供电电缆断芯问题和抓斗在水下工作，操作人员无法监控抓斗的水下工作情况的问题，从而提高液压式清污抓斗的工作效率，提升其安全性、可靠性，使清污机的应用更加广泛，为水电站创造更好的经济效益。

1 主要关键技术——水下无缆供电系统

1.1 电源电气系统的技术参数和特性要求

水下电源的容量为7.5 kW，主负载为5.5 kW三相异步电动机，提供380 V/50 Hz电源为5.5 kW三相异步电动机供电，电机启动方式为变频启动。

提供一回路DC12 V电源为遥控接收器供电，容量为20 W，并长期供电。

提供一回路220 VAC电源为电磁阀等设备供电，容量约为300 W，三相电源达到50 Hz额定工作状态后延时2～3 s，由逆变变压器输出220 V/50 Hz电压，为电磁阀等设备供电。逆变变压器的输出功率为300 W。在接收到三相异步电动机停机信号后，关闭

三相变频逆变电源，同时关闭逆变变压器输出的220 V/50 Hz电压。

三相异步电动机的启动方式为变频启动，持续工作时间为20 s左右。每次充电完成后，三相异步电动机能在额定功率下工作1 h，空载运行时间不小于8 h。

各柜体外形尺寸（长×宽×高）：

主机：500 mm×376 mm×550 mm；电池柜：1 400 mm×376 mm×550 mm；充电柜：500 mm×500 mm×600 mm。

1.2 电源电气系统基本构成和功能介绍

水下电源由逆变电源柜、电池柜、充电器柜组成。逆变电源柜、电池柜放置于密封舱内，随舱下水；充电器柜置于地面。

逆变电源柜由11 kVA/7.5 kW三相变频逆变电源、560 VDC/24 VDC高频开关电源、24 VDC/12 VDC高频开关电源、控制板、触摸屏、380 V/220 V逆变变压器等部件组成，提供380 V/50 Hz电源为5.5 kW三相异步电动机供电，电机启动方式为变频启动。560 VDC/24 VDC高频开关电源、24 VDC/12 VDC高频开关电源提供24 VDC、12 VDC电源为遥控接收器等长期供电；控制板为水下电源提供系统控制。逆变器在接收到启动回路信号后开始变频启动三相异步电动机，三相电源达到50 Hz额定工作状态后延时2～3 s，由逆变变压器输出220 V/50 Hz电压，为电磁阀等设备供电。逆变变压器的输出功率为300 W。在接收到三相异步电动机停机信号后，关闭三相变频逆变电源，同时关闭逆变变压器输出的220 V/50 Hz电压。三相异步电动机的启动方式为变频启动，持续工作时间为20 s左右。

电池柜内置圣阳牌铅酸免维护蓄电池，容量为26 Ah，41只串联；电池额定电压为492 VDC，可以满足三相异步电动机每次下水的工作要求。

充电柜内置560 VDC/3 A高频隔离式充电器，每次充电完成后能在额定功率下工作1 h，空载运行时间不小于8 h。

通过触摸屏可检测和显示一定时间内的运行记录和故障记录。

1.3 电源电气系统的工作原理

电源电气系统的工作原理如图1所示。

2 其他关键技术

2.1 水下无线控制系统

常规清污机控制采用有线控制，需要考虑电缆的布置和收放问题。该控制方案采用无线遥控清污机开展水下工作。随着社会的不断发展，智能设备不断涌现，遥控器的运用范围越来越广。由于无线遥控器的控制距离远、抗干扰性强，已被广泛应用于生活的各个方面。该研究项目使用的无线遥控器，采用AT89C5l作为控制核心，并采用专用编码解码电路，具有体积小、价格低的优点，可以实现清污机水下遥控工作的全部功能。

2.2 水下无线视频监控系统

无线视频监控系统是一种简单易用的小型远程数字监控系统。水下监视系统采用耐高压水下摄像机，操作简单，产品耐腐蚀，可长时间用于高压水环境中；外壳采用优质不锈钢材料，抗压能力可达到4 040 hPa，最深可安装在水下200 m，可以看清1～2 m远的物体，使用安全、方便。该系统水下部分主要由高清淅摄像机、不锈钢外罩及固定支架、高亮度射灯、信号电缆等组成。上部分由主机显示器、电源等组成。全套设备可随时随地打开使用，不受任何恶劣天气的影响。运用水下无线视频监控系统，操作人员可以在操作室内清楚地观察到水下的清污情况，有利于清污工作的顺利进行，提高工作效率。此外，当遇到意外情况时，操作人员可以及时停机，排除故障。

该系统综合成本低、性能稳定，只需一次性投资，无需挖沟埋管，不受地理环境和工作内容的限制；而采用有线视频监控系统的施工周期很长，甚至根本无法实现水下监控。采用无线视频监控系统摆脱了线缆的束缚，具有安装周期短、维护方便、扩容能力强、迅速收回成本的优点。因此，水下无线视频监控系统可以被广泛应用于水电站的水下设备监视中，特别适用于水电站清污作业的过程监视和自动录像中。

3 电控系统的主要技术创新点

3.1 实现清污抓斗不需电缆就能清污的功能

液压式清污抓斗的电源采用蓄电池和变频技术相结合的供电方案，解决了供电电缆随清污抓斗入水收放速度难以控制、水下污物不规则、电缆经常断芯的问题。

3.2 实现清污抓斗的水下无线遥控功能

液压式清污抓斗工作控制信号的发送采用无线通用技术，解决了采用控制电缆方式因电缆断芯而使清污抓斗无法动作的问题。由于无线遥控技术遇水后信号不断衰减，因此，目前水下的遥控距离为30 m。

3.3 实现清污抓斗的水下无线视频监控

无线视频监控系统可将视频信号以无线方式传送至接收器，操作人员可以在操作室内清楚地看到水下液压式清污抓斗的清污状况。

4 结束语

该研究项目解决了水下无电缆供电系统的供电技术、水下无线控制和水下无线视频监控等问题，研制、开发出一套适用于目前液压式清污抓斗电机容量的系统成品，并将其应用于清污机项目。液压式抓斗电控系统的成功研制，大大提高了清污机的工作效率，使液压抓斗式清污机的应用更加广泛，从而为水电站创造更好的经济效益。

参考文献

[1]周志敏.新型电源实用技术系列书 UPS供电系统设计与工程应用实例[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2]石明卫.无线通信原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[3]郭鸿雁.现代视频技术[M].北京：北京师范大学出版社，2011.

〔编辑：刘晓芳〕