水電站集水井水泵電機(jī)誤動(dòng)原因分析及改進(jìn)

熊曉輝

(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江 衢州 324000)

華光潭梯級水電站地處浙江省臨安龍崗鎮(zhèn)，位于分水江干流昌化江上游的巨溪上。電站總裝機(jī)容量為85 MW，其中一級電站裝機(jī)2×30 MW，二級電站裝機(jī)2×12.5 MW，于2005年10月全部竣工并網(wǎng)發(fā)電，是目前杭州地區(qū)最大的水電站。電站為梯級控制，梯調(diào)中心設(shè)在二級電站，一、二級電站相距十幾公里，一級電站為“無人值班”(少人值守)運(yùn)行模式。

為了進(jìn)一步滿足一級電站無人值班(關(guān)門)運(yùn)行的需要，根據(jù)國家電網(wǎng)公司《水電廠無人值班若干規(guī)定》的通知，應(yīng)達(dá)到防水淹廠房標(biāo)準(zhǔn)，且要求水位信號器冗余配置。因此，需要對電站原有的常規(guī)繼電器控制的集水井水泵電機(jī)控制回路進(jìn)行改造，改為常規(guī)繼電器控制回路與PLC控制回路相結(jié)合，且配置冗余的不同工作原理的水位信號器，具有浮子開關(guān)開關(guān)量控制的和液位變送器模擬量輸出PLC控制的水泵電機(jī)工作回路。

1 改造方案

對集水井水泵電機(jī)控制回路改造采用由常規(guī)繼電器控制和PLC控制相結(jié)合、可實(shí)現(xiàn)主備用自動(dòng)切換的電機(jī)控制系統(tǒng)，以達(dá)到控制方式靈活易改、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)工作量少等目的。改造后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2 故障及原因分析

改造項(xiàng)目實(shí)施后，集水井水泵電機(jī)的主備啟動(dòng)、輪換運(yùn)行、模擬量啟動(dòng)、開關(guān)量啟動(dòng)等實(shí)驗(yàn)一切正常；但在試運(yùn)行階段發(fā)生了故障。在試運(yùn)行過程中，偶爾會(huì)出現(xiàn)主備泵不輪換、備用泵水位沒有達(dá)到時(shí)主備泵同時(shí)啟動(dòng)、一臺(tái)泵連續(xù)啟動(dòng)2次而另一臺(tái)泵再啟動(dòng)的非正常輪換現(xiàn)象。

經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，控制回路元器件一切正常；控制回路斷電后再上電，水泵電機(jī)有時(shí)也正常啟動(dòng)、正常輪換，但在運(yùn)行一段時(shí)間后還是會(huì)出現(xiàn)上述相同的故障現(xiàn)象。

針對以上電機(jī)誤動(dòng)現(xiàn)象，依據(jù)控制回路圖查找、測試和分析故障原因。集水井水泵電機(jī)控制回路如圖2所示，電機(jī)啟動(dòng)過程如下。

2.1 控制回路的初始狀態(tài)

當(dāng)控制回路上電時(shí)，1C，2C及1ZJ，2ZJ的常閉觸點(diǎn)均處于閉合狀態(tài)。因此，1ZJ線圈和2ZJ線圈哪個(gè)線圈先得電是隨機(jī)的。現(xiàn)在假設(shè)1ZJ的線圈先得電，則1ZJ的常開點(diǎn)閉合，回路104-110-107-102-109-N處于就緒狀態(tài)，即1號電機(jī)處于主用狀態(tài) ；回路204-206-208-N斷開，2號電機(jī)處于備用狀態(tài)。

圖2 集水井水泵電機(jī)控制回路

2.2 控制回路的主備用自動(dòng)輪換

當(dāng)工作電機(jī)投入繼電器3ZJ動(dòng)作時(shí)，1C閉合，1號電機(jī)啟動(dòng)，1C的輔助觸點(diǎn)21/22斷開，繼電器1ZJ的線圈掉電。此時(shí)1號電機(jī)由104-105-102-109-N回路自鎖控制，繼續(xù)運(yùn)行；繼電器2ZJ得電，回路204-210-207-202-209-N就處于就緒狀態(tài)，即將2號電機(jī)轉(zhuǎn)為下次啟動(dòng)的主用電機(jī)。這樣就使用回路完成了電機(jī)主備用的自動(dòng)輪換。

以上工作方式是在所有中間繼電器、接觸器等的觸點(diǎn)無時(shí)滯、無抖動(dòng)的理想開閉條件下的理論分析，所對應(yīng)的電氣元件時(shí)序如圖3所示。

圖3 電氣元件理想情況的時(shí)序

關(guān)于電氣元件的時(shí)序圖說明如下。

(1)初始狀態(tài)假設(shè)1ZJ線圈先得電，時(shí)間點(diǎn)用xA的格式:x為阿拉伯?dāng)?shù)字，表示周期序號；A為大寫英文字母，表示某時(shí)間點(diǎn)。如1A表示第1個(gè)周期的時(shí)間點(diǎn)A。

(2)時(shí)間點(diǎn)A為工作電機(jī)投入點(diǎn)，B為工作電機(jī)投入復(fù)歸點(diǎn)，C為工作電機(jī)停止點(diǎn)，D為工作電機(jī)停止復(fù)歸點(diǎn)。

然而在實(shí)際工作中，繼電器接點(diǎn)有時(shí)有抖動(dòng)、有時(shí)滯，所對應(yīng)的電氣元件的時(shí)序如圖4所示。

圖4 電氣元件實(shí)際情況的時(shí)序

由圖4可知，實(shí)際工作中會(huì)出現(xiàn)以下情況：1C閉合，1號電機(jī)啟動(dòng)，回路104-106-108-N斷開，1ZJ線圈掉電，回路204-206-208-N閉合，2ZJ線圈得電，而此時(shí)3ZJ仍處于閉合狀態(tài)(工作電機(jī)投入復(fù)歸信號還未達(dá)到之前，3ZJ線圈一直得電)，由于8ZJ出現(xiàn)電氣抖動(dòng)或時(shí)滯，回路204-210上的常閉觸點(diǎn)還未斷開時(shí)，回路204-210-207-202-209-N就已閉合，2C動(dòng)作，使2號電機(jī)誤啟動(dòng)；反之亦然。

通過對控制回路元器件工作特性的測試以及對其動(dòng)作過程的分析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場工作條件下電氣元件的非理想開閉、電氣接點(diǎn)的抖動(dòng)和時(shí)滯是導(dǎo)致集水井水泵電機(jī)控制回路時(shí)序混亂、2臺(tái)電機(jī)同時(shí)誤啟動(dòng)的主要原因。

3 改進(jìn)措施

要根除誤動(dòng)原因可以從以下2個(gè)方面考慮：一是更改元件，實(shí)現(xiàn)理想開閉；二是在主備輪換的過程中避開出現(xiàn)電氣抖動(dòng)及時(shí)滯的時(shí)段。由于電氣抖動(dòng)及時(shí)滯的時(shí)間是很短暫的，只要避開這段時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)主備用的可靠自動(dòng)輪換。

在實(shí)際工作中，電氣元件的理想開閉是不可能實(shí)現(xiàn)的。由于電氣元件的特性，它的參數(shù)在一定范圍內(nèi)是有效的，如接觸器的啟動(dòng)時(shí)間是0～20 ms。由于材料、結(jié)構(gòu)或工藝等方面的限制，理想開閉是沒有辦法達(dá)到，只能采用避開出現(xiàn)電氣抖動(dòng)及時(shí)滯時(shí)段的辦法。

為此，在圖2所示的控制回路中增加1個(gè)中間繼電器3ZJ＇，其線圈與中間繼電器3ZJ線圈并聯(lián)，再將它的2對常開接點(diǎn)分別并聯(lián)到回路104-106及204-206中，如圖2虛線部分所示。

假設(shè)1ZJ的線圈首先得電，當(dāng)工作電機(jī)啟動(dòng)的信號達(dá)到時(shí)，3ZJ及3ZJ＇的線圈均得電，此時(shí)1號電機(jī)先作為主用。啟動(dòng)后，由于3ZJ＇的線圈得電，回路104-106連通，因此1ZJ的線圈得電，這時(shí)并不會(huì)完成主、備用電機(jī)的輪換。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間達(dá)到復(fù)歸點(diǎn)時(shí)(復(fù)歸點(diǎn)必定在停止點(diǎn)以前)，3ZJ＇線圈失電，回路104-106斷開，1ZJ線圈失電，2ZJ線圈得電，完成主備用電機(jī)的輪換。

控制回路改進(jìn)后的時(shí)序見圖5。從圖5可以看出，在增加3ZJ＇的中間繼電器后，主、備輪換的過程不是發(fā)生在電氣抖動(dòng)和時(shí)滯時(shí)段，而是在工作電機(jī)啟動(dòng)信號復(fù)歸后。使用此方法可將主、備用輪換的過程由原來的工作電機(jī)投入后立即主、備用輪換，改為在工作電機(jī)投入信號復(fù)歸時(shí)輪換，這就解決了因電氣抖動(dòng)和時(shí)滯所造成的時(shí)序混亂問題。

圖5 改造后電氣元件的時(shí)序

4 結(jié)束語

在引入中間繼電器并利用工作電機(jī)投入復(fù)歸信號在工作電機(jī)停止信號之前到達(dá)的邏輯特性，成功解決了因?yàn)殡姎庠亩秳?dòng)及時(shí)滯等固有特性造成的回路控制時(shí)序混亂的問題，避免了2臺(tái)集水井水泵電機(jī)不能正常輪換、主備水泵電機(jī)同時(shí)啟停的現(xiàn)象，有效保護(hù)了電機(jī)。2011年2月，通過以上改進(jìn)，成功解決困擾多時(shí)的集水井水泵電機(jī)偶發(fā)性非正常輪換、同時(shí)誤啟動(dòng)的難題，改進(jìn)后一直運(yùn)行正常。

1 白 雪.電機(jī)與電氣技術(shù)[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.