盧林全，林建芳，陳行軍，蔡天德，王承峰，周曉軍

（閱水科技有限公司，浙江 寧波 315199）

1 問題的提出

2016年6月10日，貴州省黔東南州黎平縣雙江水電站閘門工作電源及備用電源因災中斷，在1#、4#閘門全開，2#閘門開至0.5 m，3#閘門開至3.5 m后，2#、3#閘門因失電無法繼續(xù)開啟，造成洪水漫壩事故，導致電站廠房及進廠公路被淹，水輪發(fā)電機組和監(jiān)控系統(tǒng)進水，沿河兩岸的雙江鎮(zhèn)雙江村低洼處進水并不同程度受災[1]。2019年8月20—22日，四川省阿壩州汶川臥龍?zhí)貐^(qū)耿達鎮(zhèn)龍?zhí)端娬鹃l首工作電源及備用電源因災中斷，溢洪道3扇閘門分別開啟0.8、0.6、0.5 m后，失電無法正常繼續(xù)開啟，造成洪水漫壩事故[2]。

在這兩起事故中，導致事故的主要原因是：正常電源因災中斷，使用備用電源開啟閘門的過程中，備用電源也中斷，無法按要求將全部閘門開啟到位，泄洪流量達不到泄洪要求，水位上漲，超過壩頂，造成洪水漫壩。

這些事故是否會發(fā)生在橫山水庫，橫山水庫能否做到萬無一失？為消除安全隱患，橫山水庫管理站對提升閘門應急啟閉能力的改造方案進行探索和實踐。

2 橫山水庫溢洪道閘門啟閉機電源保障分析

2.1 橫山水庫設計防洪標準與閘門啟閉機供電電源現狀

橫山水庫位于甬江流域奉化江支流縣江上游，壩址在寧波市奉化區(qū)尚田街道許家村附近，是以防洪、供水、灌溉為主，結合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（Ⅱ）型水利工程。工程樞紐由面板堆石壩、混凝土重力壩、泄洪閘、供水隧洞、發(fā)電放空隧洞、發(fā)電站組成，總庫容1.11億m3。大壩防洪設計標準為100 a一遇，校核標準為10 000 a一遇[3]。

橫山水庫溢流段凈長30 m，分3段，每段10 m，溢流堰頂安裝10 m×12 m的弧形閘門3扇。閘門配QH-2×500型卷揚啟閉機3臺，由浙江省水利建筑機械有限公司生產，YZR225M-8-22kW電動機，啟動扭矩280 N·m，啟門高度16 m，啟門速度1.40 m/min，未配手搖裝置。

改造前閘門啟閉機的供電電源為4路，依次為10 kV電網、35 kV電網、電站發(fā)電機、備用柴油發(fā)電機。

2.2 4路供電電源的防洪能力及可靠性分析

原先閘門啟閉機供電的操作方式為：正常情況下由10 kV電網、35 kV電網和電站發(fā)電機出線的其中1路向廠用電400 V母線供電，任一電源失電后，切換為另一電源供電；當10 kV電網和35 kV電網失電、電站停機時，由柴油發(fā)電機組作為備用操作電源，通過切換開關向400 V母線供電。

4路電源的防洪標準與柴油發(fā)電機的運行狀態(tài)分析如下：

（1）根據GB 50201—2014《防洪標準》[4]（見表1~2），10 kV和35 kV線路的防洪標準為10~20 a一遇，上級的變電所電壓＜220 kV，防洪標準為50 a一遇，綜合供電防洪標準為10~20 a一遇。

表1 高壓和超高壓變電設施的防護等級與防洪標準表

表2 高壓、超高壓和特高壓架空輸電線路的防護等級與防洪標準表

（2）電站廠房的防洪設計標準為100 a一遇，校核標準為200 a一遇[3]，超過100 a一遇洪水來臨時，電站應按要求停機撤離。

（3）柴油發(fā)電機安裝于啟閉機房內，安裝位置的防洪標準與啟閉機一致，運行狀態(tài)為冷備用狀態(tài)，日常按要求試運行，運行時間約為12 h/a。柴油發(fā)電機由柴油機、發(fā)電機、冷卻裝置、控制裝置、供油裝置、排煙裝置、配電裝置等組成，任一部件發(fā)生故障均無法正常發(fā)電。

2.3 分析結論

由以上分析可知，因電網線路和水電站的設計防洪能力低于水庫大壩設計的防洪標準要求，無法在大壩遭遇超過設計標準的洪水發(fā)生時，保障閘門啟閉所需的可靠供電需求。

柴油發(fā)電機安裝在啟閉機房內，存在消防安全隱患，需要整改。要保證柴油發(fā)電機正常供電，其所有部件必須可靠運行。上述2起漫壩事故即由柴油發(fā)電機故障導致，事故原因表明，柴油發(fā)電機的運行可靠性不足，在應急時是致命短板。

綜上，存在問題主要有：常供電源因防洪標準不足，在超標準洪水發(fā)生時無法保障供電；柴油發(fā)電機作為唯一后備電源，應急需要時如遇柴油發(fā)電機或供電線路故障，閘門將無法全部正常開啟泄洪，洪水較大時會直接導致洪水漫壩、潰壩事故，水庫存在重大安全隱患。

3 橫山水庫消除安全隱患對策分析與改造實施情況

橫山水庫管理站在對照龍?zhí)峨娬韭问鹿实娘L險隱患排查中，發(fā)現本站存在供電能力與水庫防洪標準要求不匹配的重大安全隱患，于是積極組織實施整改。

3.1 卷揚啟閉機的運行原理和閘門啟閉需要的能量分析

橫山水庫溢洪道閘門寬10 m，高12 m，重68 t，卷揚啟閉機，電動機功率為22 kW。

卷揚啟閉機的工作原理：三相電源通過控制器向剎車電機和啟閉電機供電。打開剎車，啟閉電機正轉或反轉，帶動減速機卷動卷筒，利用鋼絲繩的收放實現閘門啟閉。

采用卷揚啟閉機，閘門泄洪全開度開啟8.40 m用時6 min，需要電量約2.2 kW·h；閘門靠自重關閉，操作時需要消耗閘門下落過程中的勢能，此時電機處于發(fā)電狀態(tài)，若增加能源回收功能，則可以回收增加儲電量。

3.2 改造提升方案分析、確定與實施

3.2.1 改造提升方案與設備選型

根據原啟閉機參數，本次改造選用加裝閘門應急裝置方案，設備選用水利部推廣目錄中的“XJY型卷揚啟閉機應急裝置”（推廣證書編號TZ2020299），紹興河悅機電設備有限公司生產。該應急裝置由機械離合器、電機及減速箱、移動式操控柜等組成，型號為HYJY-5.5，電機功率5.5 kW，減速箱速比9.47，啟動扭矩325 N·m，啟門速度0.20~0.40 m/min，電池組為72 V/100 Ah。

3.2.2 現場安裝實施情況

加裝應急裝置過程如下：

（1）將原啟閉機減速機（ZFY500-400，江蘇太興隆減速機有限公司）的輸入軸由單側出口改為兩端出口，實現一端出口連接原啟閉機的工作電機，另一端出口連接XJY型卷揚啟閉機應急裝置的手動離合器。

（2）現場搭建應急裝置安裝平臺，用于安裝應急裝置的離合器、減速機、電機等固定部分，移動式操控柜通過航空插頭與應急裝置的電機相連（見圖1）。

圖1 改造安裝布置示意圖

3.2.3 改造后啟閉能力測試

現場安裝完成后，經測試，使用應急裝置開啟閘門，開度從0.25 m開至2.93 m，用時10.8 min，電機平均電流60.2 A，平均電壓45.3 V，速度為0.25 m/min，電機耗電量0.68 kW·h；使用應急裝置關閉閘門，從2.93 m關至0.25 m，用時9.6 min，電機平均電流36.4 A，平均電壓48.9 V，速度為0.28 m/min，電機發(fā)電量0.37 kW·h；考慮到相關控制設備的用電量，關閉閘門回收電量為開啟閘門用電量的50%左右。

根據以上實際運行測算，應急裝置存儲電量能保障閘門全開2個以上行程，滿足閘門應急啟閉的需求。

4 改造后的使用優(yōu)點分析

該加裝應急裝置方案實施后，經1個汛期的檢驗使用，總結有以下優(yōu)點：

（1）該應急裝置采用最近端安裝，同時提供儲能電源與動力，實現與原閘門啟閉機同高程，防洪能力足夠，閘門可獨立啟閉，外部雷電、泥石流、山體滑坡、塌方等引起的交通、電力中斷等災害，都不會影響閘門安全啟閉。加裝應急裝置后，消除了原水庫存在的閘門應急啟閉能力與水庫大壩防洪要求不匹配的安全隱患，可以保障應急時閘門可靠啟閉，并保障水庫防洪能力達到設計的防洪標準。

（2）該應急裝置的移動式操控柜可互換，安裝3臺應急裝置后，相當于每臺閘門有3套獨立電源，徹底解決了由于電源單一、可靠性不足易造成系統(tǒng)性風險的問題。

（3）該應急裝置與原剎車聯(lián)動，應急操作方式與正常操作方式一樣便捷，開關閘門時只需1人操作、1人監(jiān)護，應急效率高。

（4）相比原先使用備用柴油發(fā)電機應急啟閉閘門的操作過程，利用該應急裝置啟閉閘門時，無復雜的倒閘切換操作，也沒有柴油發(fā)電機的巨大震動、噪音與煙氣污染，使用過程更為便捷、環(huán)保，可靠性高。

（5）該應急裝置采用在線監(jiān)控下的熱備用方式運行，解決了原冷備用方式存在的“設備健康情況難以準確評估，運行狀態(tài)不明，維護保養(yǎng)不便”等問題；該應急裝置配套的在線監(jiān)控軟件，可以在線監(jiān)控電量存儲情況和充、放電過程等信息，保障設備隨時可用。

5 結 語

經修訂后，SL 41—2018《水利水電工程啟閉機設計規(guī)范》增加應急情況下保障閘門可靠啟閉的相關條款為：防洪、排澇功能應設置可靠的備用電源；操作泄洪、擋潮及其他應急閘門的啟閉機時，在地震烈度大于VII度的地區(qū)，重要閘門的啟閉機需要設置應急備用電源，有應急啟動措施；備用電源應為自動快速啟動的柴油發(fā)電機組或其他應急電源，確保供電的可靠性[5]。

橫山水庫此次加裝儲能式應急裝置，是在“獨立儲能、近端動力”的保障方式，“多機互備”的保障機制，“在線熱備”的保障技術等3方面應用創(chuàng)新方案，綜合提升閘門應急啟閉能力，使其與水利工程防洪標準要求相匹配，消除安全隱患，確保水庫防洪能力正常發(fā)揮。