楊建國，劉　璐

（山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東 泰安 271000）

泰山抽水蓄能電站下水庫閘門電氣控制系統(tǒng)改造

楊建國，劉璐

（山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東 泰安 271000）

摘要：介紹泰山抽水蓄能電站下庫閘門電氣控制系統(tǒng)改造前存在的問題以及改造的細節(jié)，并就其功能進行簡單的介紹。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；閘門；變頻器；編碼器

1　電站基本概況

泰安抽水蓄能電站位于山東省泰安市西郊的泰山西南麓，距泰安市5 km，距濟南市約70 km，靠近山東省用電負荷中心，地理位置優(yōu)越，地形、地質(zhì)條件良好，技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)越。電站在山東電網(wǎng)中主要擔負調(diào)峰、填谷作用，并兼有調(diào)頻調(diào)相和緊急事故備用等功能，電站以二回220 kV出線接入山東省電網(wǎng)，電氣距離約為40 km。

泰安抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，工程規(guī)模為一等大（Ⅰ）型工程，由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫、地面開關(guān)站等建筑物組成，電站裝有4臺單機容量250MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機組和發(fā)電電動機組，總裝機容量為1 000MW，發(fā)電額定水頭為225m。

2　改造背景

電站每2臺機組共用1條尾水隧道，共計2條。為檢修尾水隧道，每條尾水隧道在下水庫進水口裝設(shè)有1臺閘門及其電氣控制系統(tǒng)。由于設(shè)計、施工以及元器件可靠性等各方面的因素，閘門電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性較差，每年的閘門活動試驗均不能順利完成，活動試驗時間至少需1 d時間。暴露出的各類問題都嚴重影響4臺機組可靠備用和地下廠房的安全。為此，電站對下水庫2套閘門電氣控制系統(tǒng)進行改造。

3　改造前設(shè)備狀況

（1）動力回路中起吊機構(gòu)采用兩臺YZR三相異步電動機驅(qū)動，運行中電氣傳動系統(tǒng)通過CJ20系列接觸器切換轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動和調(diào)速。電氣保護回路和電氣控制回路完全由按鈕、繼電器進行邏輯聯(lián)鎖和時間繼電器進行延時控制，并通過接觸器動作驅(qū)動運行。啟閉機使用的是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、調(diào)速方式依賴轉(zhuǎn)子部分串不同阻值的金屬電阻來消耗部分能量以達到調(diào)速效果，在低速區(qū)具有穩(wěn)定性差、出力不足的缺點，在高速重載下降時要有第三方制動及拖拽才能保證閘門不下滑，這種制動方式要消耗大量能源做制動，只有少部分是用來提升重物。在電機保護方面由于采用了第三方的拖拽對電機的沖擊較大，在頻繁使用過程中會使電機的溫度過高，影響電機的絕緣，加速了電機的老化過程。在機械平衡方面由于制動的沖擊力使振動加劇，加速了機械疲勞過程。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬于能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。低速時機械特性軟，造成停止位置不準，易造成安全事故。

（2）高度和重量控制采用的是高度起重量綜合顯示儀檢測控制方式，高度起重量綜合顯示儀是常州常新電子衡器廠80、90年代設(shè)計制造的，功能和可操作性已跟不上現(xiàn)代設(shè)備的操作及功能要求，造成在進行閘門啟閉運行試驗過程中出現(xiàn)操作困難，故障率高，設(shè)備調(diào)試復(fù)雜，設(shè)備運行參數(shù)顯示及設(shè)置不直觀，工作不穩(wěn)定，已不符合電站安全運行系統(tǒng)的技術(shù)要求。

4　改造主要內(nèi)容

（1）將原下庫閘門電氣控制系統(tǒng)內(nèi)數(shù)量及體積較大的接觸器以及轉(zhuǎn)子串電阻，更換為西門子MM440系列45 kW變頻器1臺和10 kW、13.6Ω制動電阻1臺，動力和控制部分完全分開放置，不僅解決信號干擾問題，還改善了空間狹小、設(shè)備布局擁擠等問題。

（2）增加西門子TP177B型顯示屏做為人機界面，代替原有的高度重量綜合顯示儀和指示燈，使得盤柜面板更為簡練，面板上的元器件數(shù)量大大減少。在功能上原閘門開度、荷重均由可靠性較差的高度重量綜合顯示儀計算，且開度和重量的標定過程復(fù)雜?，F(xiàn)使用操作屏代替高度重量綜合顯示儀，大大簡化零點和滿量程的標定過程。另外，在操作屏上增加了閘門提升、下落過程中的運行在線狀態(tài)顯示以及報警事件記錄，不僅保留原有的閘門開度、荷重、輸入電流顯示，還增加了閘門速度、前后差壓、變頻器頻率以及各過程運行時間、設(shè)備報警監(jiān)視，閘門各狀態(tài)一目了然。

（3）原繼電器、端子、接觸器等元器件可靠性差，配線零亂，標識不完整或不正確；圖紙與現(xiàn)場存在較大差距，為消缺維護帶來了較大困難?，F(xiàn)更換可靠性較高的鳳凰回拉式端子、繼電器和施耐德接觸器，高標準重新布局、接線、標識，重新繪制詳細圖紙。另外將下庫閘門電氣控制系統(tǒng)的2面普通盤柜更改為2 面800×600×2200威圖標準盤柜，提供具有較好的防潮、防塵性能的工作環(huán)境。

（4）增加機械鎖錠投、退功能。在原閘門電氣控制系統(tǒng)自動方式下閘門在提至全開位置時自動停止，但由于機械鎖錠投、退均需要在閘門全開基礎(chǔ)上再提升約20 cm，使得每次均需通過短接回路的方式來操作鎖錠的投、退，非常不方便、不安全。改造后增加鎖錠投、退操作旋鈕，大大優(yōu)化了操作流程。

（5）增加閘門開啟操作超時判斷、關(guān)閉操作超時判斷、高速下落超時判斷、事故落門快速階段超時判斷和過速判斷保護功能，確保閘門本體安全。

（6）重新編寫PLC程序，荷載和高度信號的采集、運算由PLC代替原來的荷載儀；對程序進行了優(yōu)化，更加適合工作人員閱讀習慣；每一條指令均有明細的注釋，大大縮短閱讀者的學習時間和加深閱讀者的理解深度。在顯示屏上增加了閘門的詳細操作說明及各功能注釋，即使是學員或沒有圖紙的工作人員亦能現(xiàn)場掌握基本功能和正確完成各種基本操作。

5　功能介紹

5.1手動開門操作

將【手動、自動】選擇開關(guān)SA1置于手動位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時如將手動模式【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于啟門位置，如果已經(jīng)平壓，工作制動器松閘啟閉機啟動，閘門開始上升，如將【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于中間0位置，啟閉機停止，閘門停止上升，現(xiàn)地手動操作完畢后將選擇開關(guān)SA1置于0位置。

5.2手動關(guān)門操作

將【手動、自動】選擇開關(guān)SA1置于手動位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時如將【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于閉門位置，工作制動器松閘啟閉機啟動，閘門開始下降，如將【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA2置于中間0位置，啟閉機停止，閘門停止下降，手動操作完畢后將選擇開關(guān)SA2置于0位置。

5.3自動開門操作

將【手動、自動】選擇開關(guān)SA1置于自動位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時如將自動模式【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA3置于啟門位置，由PLC自動判斷平壓信號是否平壓，如果平壓，則啟動變頻器，工作制動器松閘，啟閉機啟動，閘門開始上升，待閘門到達設(shè)定位置之后，限位開關(guān)及旋轉(zhuǎn)編碼器輸出雙重保護停止信號，啟閉機停止，閘門停止上升，制動器復(fù)位。

5.4自動關(guān)門操作

將【手動、自動】選擇開關(guān)SA1置于自動位置，【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于常規(guī)位置，此時如將自動模式【啟門、閉門】選擇開關(guān)SA3置于關(guān)門位置，則啟動變頻器，工作制動器松閘，啟閉機啟動，閘門開始下降，待閘門到達設(shè)定位置之后，限位開關(guān)及旋轉(zhuǎn)編碼器輸出雙重保護停止信號，啟閉機停止，閘門停止下降，制動器復(fù)位。

5.5平壓控制操作

在非自動的情況下，當要開啟閘門時，如果壓差不在允許的范圍之內(nèi)，顯示屏面板上沒有平壓信號則必須進行充水平壓操作，應(yīng)把【解/投鎖常規(guī)充水】選擇開關(guān)SA4置于充水位置，啟閉機啟動，閘門開始上升，當?shù)竭_充水設(shè)定20 cm位置時，停止開門輸出，啟閉機停止，等待充水閥充水。在自動的情況下，當要開啟閘門時，如果壓差不在允許的范圍之內(nèi)，則啟閉機在啟動后將閘門提升至20 cm（可以設(shè)定）或到達主令充水位置后，自動停止，等待充水閥充水，待充水完成閘門前后平壓后，傳感器將平壓信號送至控制柜PLC，PLC在得到平壓信號后自動啟動啟閉機，繼續(xù)提升閘門。

5.6解、投鎖操作

5.6.1解鎖錠

當閘門處在鎖定位置33m時，將【解/投鎖常規(guī)充水】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于解/投鎖位，【自動手動】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動位置。操作自動模式啟門開關(guān)，此時閘門啟動上升至33.2m停止，鎖定由于自重退出。5.6.2投入鎖錠

將【解/投鎖常規(guī)充水】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于解/投鎖位，【自動手動】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動位置，操作自動模式啟門開關(guān)，閘門起升至33.2m自動停止，此時將機械鎖定人工提起至投入位置，操作自動模式閉門開關(guān)，閘門下落，鎖定投入。如閘門由于慣性下落位置低于33m全開信號消失，將【解/投鎖常規(guī)充水】轉(zhuǎn)換開關(guān)置于常規(guī)位置，操作自動模式啟門開關(guān)，閘門自動提升至33m全開位置后停止，全開信號正常。

5.7工作制動器控制

當變頻器收到啟動命令后啟動，工作制動器吸合還是斷開靠變頻器的BPQ-2輸出點控制，根據(jù)閘門的實際運行情況設(shè)定為變頻器頻率升至5Hz時工作制動器松閘，以免閘門在制動器松開瞬間由于自重下滑。當出現(xiàn)閘門墜落等故障時，PLC吸合工作制動器制動，繼電器K10強行斷開制動器回路電源，制動器抱閘。

5.8報警功能

當荷重超過設(shè)定的重量的110%（操作屏設(shè)定）延時10 s，給出過載報警，閘門停止。

變頻器故障時，給出變頻器故障信號，閘門停止，觸摸屏顯示故障信息。

當發(fā)生墜落時，給出墜落報警信號。墜落判斷方法：當模擬速度超過設(shè)定的速度保護值3m/min（操作屏設(shè)定），發(fā)出墜落報警停止閘門運行。

當發(fā)生以上任何一種故障時，變頻器將不能啟動，只有故障排除之后，給出復(fù)位信號后，才能啟動。

當開門超過規(guī)定的時間（1 660 s），則給出了開門超時報警，自動停機。

當關(guān)門超過規(guī)定的時間（1 660 s），則給出了關(guān)門超時報警，自動停機。

當平壓充水時，超過規(guī)定的時間（10 s）沒有收到充水位置主令開關(guān)的信號，則給出充水位超時報警，自動停機。

5.9閘門高度、荷重的標定

當閘門全關(guān)時，取得一次編碼器的數(shù)值Min，當閘門全開時，取得一次編碼器的數(shù)據(jù)值Max，閘門高度設(shè)定為h，編碼器的實時數(shù)值N，則閘門實際高度H=（N-Min）×h/(Max-Min)。

開度標定時，先在觸摸屏的【參數(shù)設(shè)定畫面】的【開度設(shè)定】輸入開度的設(shè)定值，當閘門全關(guān)時，在觸摸屏的【參數(shù)設(shè)定畫面】按一下【開度下限】，當閘門全開時，再按一下【開度上限】，即可完成標定。在未完成開度標定前，設(shè)定速度保護值稍大一些，防止超速保護。

荷重標定時，當閘門關(guān)到位時，在觸摸屏的【參數(shù)設(shè)定畫面】按一下【荷重下限】按鈕，當閘門全開到位時，按一下【荷重上限】按定荷重的上限數(shù)值，標定一次荷重值即可。未完成荷重標定前，先將荷重保護系數(shù)設(shè)定的稍大。

6　結(jié)語

下水庫2套閘門電氣控制系統(tǒng)改造后，4年內(nèi)設(shè)備零缺陷運行情況表明：此次改造的前期設(shè)計、設(shè)備選型較為合理，施工以及調(diào)試過程全面正確，加上新增加的多套閘門保護功能等一系列措施，大大的提高了設(shè)備穩(wěn)定性和安全性。

中圖分類號：TV734

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0046-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.013

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：楊建國（1959-），男，工程師，從事水電廠檢修維護管理工作。