泰山抽水蓄能电站下水库闸门电气控制系统改造

2015-04-05杨建国

水电站机电技术 2015年7期

关键词：闸门编码器变频器

杨建国，刘　璐

（山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东泰安 271000）

泰山抽水蓄能电站下水库闸门电气控制系统改造

杨建国，刘璐

（山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东泰安 271000）

摘要：介绍泰山抽水蓄能电站下库闸门电气控制系统改造前存在的问题以及改造的细节，并就其功能进行简单的介绍。

关键词：抽水蓄能；闸门；变频器；编码器

1　电站基本概况

泰安抽水蓄能电站位于山东省泰安市西郊的泰山西南麓，距泰安市5 km，距济南市约70 km，靠近山东省用电负荷中心，地理位置优越，地形、地质条件良好，技术经济指标优越。电站在山东电网中主要担负调峰、填谷作用，并兼有调频调相和紧急事故备用等功能，电站以二回220 kV出线接入山东省电网，电气距离约为40 km。

泰安抽水蓄能电站为日调节纯抽水蓄能电站，工程规模为一等大（Ⅰ）型工程，由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站等建筑物组成，电站装有4台单机容量250MW的单级立轴混流可逆式水泵水轮机组和发电电动机组，总装机容量为1 000MW，发电额定水头为225m。

2　改造背景

电站每2台机组共用1条尾水隧道，共计2条。为检修尾水隧道，每条尾水隧道在下水库进水口装设有1台闸门及其电气控制系统。由于设计、施工以及元器件可靠性等各方面的因素，闸门电气控制系统稳定性和可控性较差，每年的闸门活动试验均不能顺利完成，活动试验时间至少需1 d时间。暴露出的各类问题都严重影响4台机组可靠备用和地下厂房的安全。为此，电站对下水库2套闸门电气控制系统进行改造。

3　改造前设备状况

（1）动力回路中起吊机构采用两台YZR三相异步电动机驱动，运行中电气传动系统通过CJ20系列接触器切换转子串电阻的方法启动和调速。电气保护回路和电气控制回路完全由按钮、继电器进行逻辑联锁和时间继电器进行延时控制，并通过接触器动作驱动运行。启闭机使用的是转子串电阻调速、调速方式依赖转子部分串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，在低速区具有稳定性差、出力不足的缺点，在高速重载下降时要有第三方制动及拖拽才能保证闸门不下滑，这种制动方式要消耗大量能源做制动，只有少部分是用来提升重物。在电机保护方面由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在频繁使用过程中会使电机的温度过高，影响电机的绝缘，加速了电机的老化过程。在机械平衡方面由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。绕线转子异步电动机转子串电阻调速属于能耗型转差调速，能耗大，机械特性软，调速范围小，平滑性差。低速时机械特性软，造成停止位置不准，易造成安全事故。

（2）高度和重量控制采用的是高度起重量综合显示仪检测控制方式，高度起重量综合显示仪是常州常新电子衡器厂80、90年代设计制造的，功能和可操作性已跟不上现代设备的操作及功能要求，造成在进行闸门启闭运行试验过程中出现操作困难，故障率高，设备调试复杂，设备运行参数显示及设置不直观，工作不稳定，已不符合电站安全运行系统的技术要求。

4　改造主要内容

（1）将原下库闸门电气控制系统内数量及体积较大的接触器以及转子串电阻，更换为西门子MM440系列45 kW变频器1台和10 kW、13.6Ω制动电阻1台，动力和控制部分完全分开放置，不仅解决信号干扰问题，还改善了空间狭小、设备布局拥挤等问题。

（2）增加西门子TP177B型显示屏做为人机界面，代替原有的高度重量综合显示仪和指示灯，使得盘柜面板更为简练，面板上的元器件数量大大减少。在功能上原闸门开度、荷重均由可靠性较差的高度重量综合显示仪计算，且开度和重量的标定过程复杂。现使用操作屏代替高度重量综合显示仪，大大简化零点和满量程的标定过程。另外，在操作屏上增加了闸门提升、下落过程中的运行在线状态显示以及报警事件记录，不仅保留原有的闸门开度、荷重、输入电流显示，还增加了闸门速度、前后差压、变频器频率以及各过程运行时间、设备报警监视，闸门各状态一目了然。

（3）原继电器、端子、接触器等元器件可靠性差，配线零乱，标识不完整或不正确；图纸与现场存在较大差距，为消缺维护带来了较大困难。现更换可靠性较高的凤凰回拉式端子、继电器和施耐德接触器，高标准重新布局、接线、标识，重新绘制详细图纸。另外将下库闸门电气控制系统的2面普通盘柜更改为2 面800×600×2200威图标准盘柜，提供具有较好的防潮、防尘性能的工作环境。

（4）增加机械锁锭投、退功能。在原闸门电气控制系统自动方式下闸门在提至全开位置时自动停止，但由于机械锁锭投、退均需要在闸门全开基础上再提升约20 cm，使得每次均需通过短接回路的方式来操作锁锭的投、退，非常不方便、不安全。改造后增加锁锭投、退操作旋钮，大大优化了操作流程。

（5）增加闸门开启操作超时判断、关闭操作超时判断、高速下落超时判断、事故落门快速阶段超时判断和过速判断保护功能，确保闸门本体安全。

（6）重新编写PLC程序，荷载和高度信号的采集、运算由PLC代替原来的荷载仪；对程序进行了优化，更加适合工作人员阅读习惯；每一条指令均有明细的注释，大大缩短阅读者的学习时间和加深阅读者的理解深度。在显示屏上增加了闸门的详细操作说明及各功能注释，即使是学员或没有图纸的工作人员亦能现场掌握基本功能和正确完成各种基本操作。

5　功能介绍

5.1手动开门操作

将【手动、自动】选择开关SA1置于手动位置，【解/投锁常规充水】选择开关SA4置于常规位置，此时如将手动模式【启门、闭门】选择开关SA2置于启门位置，如果已经平压，工作制动器松闸启闭机启动，闸门开始上升，如将【启门、闭门】选择开关SA2置于中间0位置，启闭机停止，闸门停止上升，现地手动操作完毕后将选择开关SA1置于0位置。

5.2手动关门操作

将【手动、自动】选择开关SA1置于手动位置，【解/投锁常规充水】选择开关SA4置于常规位置，此时如将【启门、闭门】选择开关SA2置于闭门位置，工作制动器松闸启闭机启动，闸门开始下降，如将【启门、闭门】选择开关SA2置于中间0位置，启闭机停止，闸门停止下降，手动操作完毕后将选择开关SA2置于0位置。

5.3自动开门操作

将【手动、自动】选择开关SA1置于自动位置，【解/投锁常规充水】选择开关SA4置于常规位置，此时如将自动模式【启门、闭门】选择开关SA3置于启门位置，由PLC自动判断平压信号是否平压，如果平压，则启动变频器，工作制动器松闸，启闭机启动，闸门开始上升，待闸门到达设定位置之后，限位开关及旋转编码器输出双重保护停止信号，启闭机停止，闸门停止上升，制动器复位。

5.4自动关门操作

将【手动、自动】选择开关SA1置于自动位置，【解/投锁常规充水】选择开关SA4置于常规位置，此时如将自动模式【启门、闭门】选择开关SA3置于关门位置，则启动变频器，工作制动器松闸，启闭机启动，闸门开始下降，待闸门到达设定位置之后，限位开关及旋转编码器输出双重保护停止信号，启闭机停止，闸门停止下降，制动器复位。

5.5平压控制操作

在非自动的情况下，当要开启闸门时，如果压差不在允许的范围之内，显示屏面板上没有平压信号则必须进行充水平压操作，应把【解/投锁常规充水】选择开关SA4置于充水位置，启闭机启动，闸门开始上升，当到达充水设定20 cm位置时，停止开门输出，启闭机停止，等待充水阀充水。在自动的情况下，当要开启闸门时，如果压差不在允许的范围之内，则启闭机在启动后将闸门提升至20 cm（可以设定）或到达主令充水位置后，自动停止，等待充水阀充水，待充水完成闸门前后平压后，传感器将平压信号送至控制柜PLC，PLC在得到平压信号后自动启动启闭机，继续提升闸门。

5.6解、投锁操作

5.6.1解锁锭

当闸门处在锁定位置33m时，将【解/投锁常规充水】转换开关置于解/投锁位，【自动手动】转换开关置于自动位置。操作自动模式启门开关，此时闸门启动上升至33.2m停止，锁定由于自重退出。5.6.2投入锁锭

将【解/投锁常规充水】转换开关置于解/投锁位，【自动手动】转换开关置于自动位置，操作自动模式启门开关，闸门起升至33.2m自动停止，此时将机械锁定人工提起至投入位置，操作自动模式闭门开关，闸门下落，锁定投入。如闸门由于惯性下落位置低于33m全开信号消失，将【解/投锁常规充水】转换开关置于常规位置，操作自动模式启门开关，闸门自动提升至33m全开位置后停止，全开信号正常。

5.7工作制动器控制

当变频器收到启动命令后启动，工作制动器吸合还是断开靠变频器的BPQ-2输出点控制，根据闸门的实际运行情况设定为变频器频率升至5Hz时工作制动器松闸，以免闸门在制动器松开瞬间由于自重下滑。当出现闸门坠落等故障时，PLC吸合工作制动器制动，继电器K10强行断开制动器回路电源，制动器抱闸。

5.8报警功能

当荷重超过设定的重量的110%（操作屏设定）延时10 s，给出过载报警，闸门停止。

变频器故障时，给出变频器故障信号，闸门停止，触摸屏显示故障信息。

当发生坠落时，给出坠落报警信号。坠落判断方法：当模拟速度超过设定的速度保护值3m/min（操作屏设定），发出坠落报警停止闸门运行。

当发生以上任何一种故障时，变频器将不能启动，只有故障排除之后，给出复位信号后，才能启动。

当开门超过规定的时间（1 660 s），则给出了开门超时报警，自动停机。

当关门超过规定的时间（1 660 s），则给出了关门超时报警，自动停机。

当平压充水时，超过规定的时间（10 s）没有收到充水位置主令开关的信号，则给出充水位超时报警，自动停机。

5.9闸门高度、荷重的标定

当闸门全关时，取得一次编码器的数值Min，当闸门全开时，取得一次编码器的数据值Max，闸门高度设定为h，编码器的实时数值N，则闸门实际高度H=（N-Min）×h/(Max-Min)。