螺杆式启闭机过载保护方案探讨

陈晓明，熊德朝

(国电恩施水电开发有限公司，湖北 恩施 445000)

螺杆式启闭机以其结构简单、安装维护简便、价格低廉等优点，广泛应用于灌区、城市排涝防洪、各类引水渠道的平板闸门启闭操作，在很多中小型引水式水电站平板闸门启闭控制也得到大量应用。目前螺杆式启闭机缺乏有效的预防启闭机事故的保护措施，在实际关闭闸门操作过程中，因闸门底部异物卡塞、闸门倾斜卡在闸槽等情况，均可能发生顶闸事件，轻则螺杆变形、烧损电机，重则顶碎启闭机端盖、启闭机旋转倾覆，甚至造成人员受伤，严重影响工程的安全运行。

1 螺杆启闭机配置的常规保护

螺杆启闭机一般由电机驱动，部分启闭机在闸门上装设闸门开度仪，现场一般配置有全开、全关2个限位开关，闸门开度仪用于现场及远方闸门开度监测，通过全开、全关2个限位开关，在闸门提升至全开或下降至全关位置时，切断电机控制回路，停止运行，防止闸门全开、全关位置后启闭机继续运行导致启闭机损坏。为防止启闭机运行过程中电动机损坏，现场一般配置有电动机保护，间接对螺杆启闭机进行保护。

2 螺杆启闭机常规保护存在的问题

2.1 限位开关保护

限位开关保护只能在闸门全开、全关位置时进行保护，实际运行过程中，螺杆启闭机控制的闸门，很多时候并非运行在全开、全关位置，而是根据工程需要，对引用流量进行调整，闸门可能处于任意位置，这时进行闸门操作，限位开关不能起到保护作用，若闸门上升、下降过程中发生倾斜、闸门底部异物卡塞等，均可能导致启闭机损坏。

2.2 电动机保护

电动机保护一般有短路保护、过流保护、过载保护、欠压保护等。其中短路保护、欠压保护是针对电动机的保护，过流保护、过载保护可应用于外部负载过大的保护[1]。

2.2.1 过流保护

过流保护是当电动机的负载增加时，引起电动机电流增大，当电流超过整定值时，控制回路切断电源。过电流保护常用断路器或过电流继电器，在断路器选型及继电器设定保护整定值时，因需避开启动电流值，断路器额定电流值、过流继电器整定值一般比电动机正常运行电流值大，若闸门发生异常卡阻导致电动机电流值增大，除非超过过流保护整定值，否则过流保护不会动作。

2.2.2 过载保护

过载保护是指电动机的电流大于其额定电流，电动机发热，温度超过允许值，当过载电流较小时，热继电器要经过较长时间才动作，当过载电流较大时，热继电器则经过较短时间就会动作。实际应用时，可按略大于电动机实际工作最大电流值，整定热继电器动作电流，从而保护启闭机。平板闸门动水启闭过程中，启门力、闭门力计算公式如下。

启门力计算公式为

闭门力计算公式为

FW=nT(Tzd+Tzs)-nG×G

从上式可以看出，平板闸门启门力较闭门力，约增大2倍闸门重量和作用在闸门上的水柱压力，也就是闸门开启过程电动机工作电流大于闸门关闭过程电动机工作电流，在整定过载保护热继电器动作电流时，应按略大于闸门开启时电动机工作电流进行整定。在实际运行过程中，闸门卡塞大多发生在闸门关闭过程中，需待电流超过热继电动作电流保护才能动作，且热继电器动作值的精度不高，电动机过载保护难以满足闸门关闭时的保护要求。

3 螺杆式启闭机增设保护实例

3.1 基本情况

某引水式水电站装机两台2×3 200 kW，设有大坝取水口、渠道冲砂闸两处平板闸门，大坝取水口闸门重量9.4 t,螺杆启闭机型号QL-15，渠道冲砂闸门重量6.2 t，螺杆启闭机型号QL-10。电站投运以来，虽然一直在现场操作启闭机，但仍然发生多起因闸门卡塞导致螺杆启闭机螺杆变形，甚至发生过电动机烧损事故。2020年，电站为提升自动化水平，需将两处闸门现地控制改造为厂房值班室远程控制，完善螺杆启闭机保护势在必行。

3.2 处理方案

螺杆式启闭机功能是实现闸门的启闭操作，通过直接监测闸门的启闭力，从而实现保护功能，是螺杆启闭机最直接的保护。螺杆启闭机在启、闭过程中，分别承受向下、向上的力，其中，关闭闸门操作过程，即启闭机承受向上力时，螺杆启闭机最易受损，通过监测闸门的关闭力，设置关闭力超限保护，是简单易行的方案[2]。通过了解测试传感器工业系统中力的测量和天车秤、轨道衡、料斗秤等各种称重、测力的工业自动化测量控制系统，查询各类资料，最终选择了HZC-YH圆环式测力/称重传感器，该测力传感器最大额定载荷10t，为圆环形状，外形尺寸可根据用户要求定制。安装如图1。

图1 测力传感器安装图

在螺杆启闭机底座4个地脚螺栓上套入测力传感器，拧上螺母，执行关闭闸门操作，测量正常关闭闸门时4个测力传感器的最大值，随后按最大测量值拧紧螺母，并在螺母上面增加锁紧螺母，防止螺母松动。原闸门现地控制柜未采用PLC控制，现场增加智能显示控制仪，将测力传感器测量值输入控制仪，控制仪动作值可设置为测量最大值的5%～10%，测控仪输出开关量接点，接入原有启闭机控制回路，若测量值超过测控仪整定值，切断启闭机控制回路，从而实现启闭机关闭闸门过程的保护。

4 结 语

通过测力传感器应用，完善螺杆式启闭机保护配置，实现远程操控，是简单易行的一种有效手段，在螺杆启闭机结构设计和完善保护配置中，应注意以下几方面：

1)不断研发测力压力传感器，提升传感器额定荷载及精度，逐步扩大应用范围；

2)本次重点研究了闸门关闭过程的保护，虽然闸门开启过程中卡塞情况很少，但仍有可能发生，研究在螺杆启闭机底座下部增加测力片等方式，进一步完善闸门开启过程中保护配置；

3)启闭机现地控制保护配置在设计阶段予以综合考虑，建议现地采用PLC控制，启闭机地脚螺栓外露部分适当加长，便于后期调整。