扬水泵站中变频器机组闭锁设计的应用

李晓刚 潘自林

摘 要：本文对变频器与液控蝶阀的联动控制进行探究，以确保在变频器出现各种故障跳闸时，液控蝶阀可以迅速动作，消除水锤，确保扬水工程安全稳定运行，减少不必要的财产损失。

关键词：变频器;扬水泵站;液控蝶阀

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0035-03

Abstract： This paper explores the linkage control of frequency converter and hydraulic control butterfly valve， so as to ensure that when the frequency converter trips due to various faults， the hydraulic control butterfly valve can act quickly， eliminate water hammer， ensure the safe and stable operation of water lifting project and reduce unnecessary property losses.

Keywords： frequency converter;pumping station;hydraulic control butterfly valve

扬水泵站作为一项民生设施，普遍存在于我国西北干旱地区。近年来，随着社会经济的发展，以及相关部门对地下水资源保护的重视和开采限制，对地表水资源的利用提出了更高的要求，为此，需要更新改造老旧泵站，提高输水能力和供水保障率，巩固西北地区脱贫攻坚成果[1]。

为了提高改扩建泵站的运行效率，降低能耗，减少多级泵站水量匹配过程中的开停机次数，变频装置被越来越多地应用到水利梯级扬水泵站中。现有的关于各类水利工程变频装置应用的研究中，阐述的重点有两方面：一方面是描述配置变频装置在机组启动时对电网的冲击是如何减小的，减小的程度有多大;另一方面是阐述变频装置在调流和降低能耗方面的作用[2]。目前，较少有人关注增加变频装置后可能出现的问题，例如，若变频装置出现故障导致跳闸，而液控蝶阀未能联动关闭，将会发生倒流，造成水锤破坏，轻则水泵倒转达到飞逸转速，重则水泵损坏，淹没泵房。

近年来，变频器也逐渐被应用于西北地区扬水泵站工程中。研究者所接触到的安装有变频器的扬水泵站投入生产运行也只有仅仅两年的时间，相关单位对变频器在扬水泵站的应用及运行方式仍处于探索阶段。本文尝试对变频器与液控蝶阀的联动控制进行探究，以确保在变频器出现各种故障跳闸时，液控蝶阀可以迅速动作，消除水锤，确保扬水工程安全稳定运行，减少不必要的财产损失。

1 变频器原理介绍

交流电动机的转速表达式为：

式中：[n]为异步电动机的转速;[f]为异步电动机的频率;[s]为电动机转差率;[p]为电动机极对数。从式（1）可以看出，转速[n]和频率[f]成正比，只要改变频率[f]即可改变电动机的转速，当频率[f]在0～50 Hz变化时，电动机的转速也会随之一起变化。变频器就是通过改变电动机电源频率实现转速的调节，是一种理想的高效率、高性能、可靠的调速手段。

变频器使用最多的变频调速装置是电压型变频调速器，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。变频器首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电在逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。电机的转速与电源频率成正比，通过变频器可任意改变电源输出频率，从而任意调节电机转速，实现平滑的无级调速。

2 应用变频器的优点

在扬水泵站中，经常出现空管道开机上水的情况。利用变频器之前，泵站都是利用小流量泵压阀对管道进行充水，以避免电动机过载，降低能源消耗。而利用變频器不仅可以代替小流量泵的充水功能，而且可以避免初充水时电机过力矩情况的发生。

变频机组的应用可以有效减小噪声;降低转差率以及电机温升、振动;实现设备软启动，消除启动冲击，改善设备机械性能，大幅度降低设备损耗，延长设备使用寿命，减少维护费用;有效抑制电路谐波的产生，与异步电动机、同步电动机交叉使用形成容性互补，提高功率因数，减少无功功率，节约功率因数补偿设备的投资费用等。将其应用于梯级扬水泵站中，还可以有效调节级间流量匹配，减少开停机次数，延长设备使用寿命，降低泵站运行能耗。

3 应用变频器的过程中存在的问题

在扬水泵站中，液控蝶阀作为闭路阀和止回阀，用于避免和减少管路系统中介质的倒流和产生过大的水击，以保护管路系统安全运行。液控蝶阀存在三个工作位置可做切换，分别为“现地”“联动”“远控”。“现地”模式是做调试用的，不考虑联动及闭锁，仅仅在“联动”“远控”两个模式下进行。

原有设计是在开关柜断路器辅助节点上各取一个常开、常闭节点，接入液控蝶阀“联动”位置下的开阀和关阀回路中，以实现在“联动”位置与开关柜的联动闭锁功能，即电动机断路器QF合闸时，液控蝶阀延时开启;电动机断路器QF断开时，液控蝶阀关闭。在液控蝶阀“远程”模式下，取关阀“75°”（阀位15°信号，0°为全关，90°为全开）常开辅助节点信号接入开关柜跳闸回路中，实现当液控蝶阀故障关阀或“远控”位置关阀时，开关柜断路器可以联动跳闸断开[3]。

在加入变频器后，接线原理如图1所示。电动机电源由原有的开关柜直接供电，变成了开关柜供电到变频器，再由变频器输出给电动机。维持原有闭锁设计，在“联动”模式下，开关柜QF合闸后，变频器还未完全启动输出动力给电动机，而液控蝶阀已经开启，会造成管道水倒流、电机过载，严重的会在启动瞬间造成断轴;每次停机时，无论是在“联动”还是“远程”模式，都只能通过断开QF，联动液控蝶阀关闭，防止水锤发生，维护系统安全运行。但是，变频器高压侧频繁地突然断电，会使变频器频繁进入故障状态，缩短使用寿命，增加维护成本。此外，还有一种特殊情况，即当变频器的KM2开关因变频器自身故障分闸或其他外部原因造成分闸（此处不做赘述），而旁路柜KM3又没有自动合闸，无法为电动机继续供电时，水泵将失去动力来源。而此时断路器QF处于合闸状态，液控阀不能联动关阀，起不到保护作用，将会造成机组倒转，甚至达到飞逸转速，这会严重损坏设备，甚至造成人员伤亡和巨大的经济损失[4]。变频机组接线原理如图2所示。

4 解决建议

解决此类问题，应该改善原有闭锁功能，并增加新的闭锁功能。对原有液控阀和高压开关柜的闭锁功能进行修改[5-6]，具体如下。

在液控蝶阀“联动”模式下，应实现以下两个功能：①联动开阀。取KM2、KM3常开辅助接点，并联接入蝶阀开阀回路中，在KM2和KM3正常合闸后由蝶阀PLC控制液控蝶阀延时打开，具体延时时间应根据实际运行工况计算确定。②联动关阀。取KM2、KM3常闭辅助接点，串联接入蝶阀关阀回路中，当KM2、KM3断开后，可实现蝶阀的自动关阀，有效消除水锤作用。

同样，变频器内部控制中，取KM2的常闭接点，进入变频控制器中，当KM2分闸后，应立刻按照正常关机程序，断开KM1;再取KM1、KM3的常闭接点，串联接入开关柜的跳闸回路中，以实现变频器或旁路柜出现故障时，可以及时断开QF开关断路器。这样可避免变频器高压侧突然掉电使变频器进入故障状态，下次开机时无法直接远程控制开机，延长设备使用寿命[7]。

在液控蝶阀“远程”模式下，取关阀“75°”信号，接入变频器控制系和旁路柜的跳闸回路中，当信号接通时，变频器控制器可以断开KM2或旁路柜可以跳开自身断路器KM3，以便可以及时切断电动机动力[8]。

5 结语

将变频器引入水利工程行业，可利用其调速作用有效减少扬水泵站的开停机次数，提高运行效率，降低能源单耗，值得大力推广应用。但也應该充分考虑变频器的内部结构，以及加入变频器后，一次接线图发生的变化，应根据运行工况优化电气设计方案，完善与液控蝶阀的联动方式，减少人为干扰因素，实现系统全自动事故响应，确保泵站安全稳定运行。

参考文献：

[1]曹居峰.小浪底引黄工程板涧河补水泵站变频器的选择[J].水电站机电技术，2013（6）：42-44.

[2]曹居峰.变频器在水利工程中的应用及其选择[J].科技情报开发与经济，2008（28）：215-217.

[3]古晓丽.变频装置在供水工程中的选型及应用探讨[J].电气传动，2017（4）：72-75.

[4]水利部第八稽察组完成宁夏回族自治区大型灌排泵站更新改造项目专项稽察[J].水利技术监督，2017（5）：154.

[5]陈旭东，朱文军，道华.浅谈红寺堡扬水泵站主水泵和电动机运行现状及更新改造[J].水泵技术，2017（6）：19-22.

[6]何飞，肖悦，徐峰，等.变频器在水位变幅较大的取水泵站中的应用[J].市政技术，2015（4）：92-94.

[7]孟耀凯，孔丙亚，崔占奇，等.六脉波交交变频器高频段连续变频调速研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2021（5）：124-131.

[8]DEGEN C. Inductive coupling for wireless power transfer and near-field communication[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2021（1）：1-20.