發電機組進水口事故門啟閉機事故的分析與改進

龐友誼，易宏斌

（1. 中國葛洲壩集團機械船舶有限公司，湖北宜昌 443007；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

水輪發電機組是水電站的核心裝置。當水輪發電機組或壓力鋼管發生事故時，為防止事故擴大，必須迅速在2 min內切斷水流，從而在進水口必須設置閘門即事故閘門，而事故閘門啟閉機就是一種專用于操作快速下降事故閘門的一種啟閉設備。為保證事故閘門在事故時可以快速關閉，事故閘門啟閉機應有現地操作和遠方操作兩套系統，并應配有可靠電源。

某天下午13時許，受冰雪天氣影響，某電站送出的工程4回500 kV線路均出現斷線或倒桿現象，造成電站機組或孤網運行、或解列停機、或事故停機。在電站的機組出現故障時，操作人員按下進水口啟閉機事故落門遠方按鈕后，進水口啟閉機正常下降約3分鐘后，其主電源停電，后來主電源又來電，啟閉機發生“飛車”故障，造成電機、減速器等損壞事故。1#機組進水口閘門非正常下閘，其固定卷揚式啟閉機電機損壞兩臺、鋼絲繩受損、減速器也出現了故障。

1 事故分析

1.1 事故門啟閉機電控系統分析

該電控系統主要由施耐德昆騰（140系列）PLC、施耐德ATV71系列變頻器等構成，如圖1。

控制回路見圖2。啟閉機控制分為現地控制和遠方控制?，F地控制時，開關1SAH轉換到現地位置，通過開關3SAH的切換來實現閘門的提門或落門。遠方控制時，開關1SAH轉換到遠方位置，正常提門時：遠方通過MB+通訊發出提門指令給PLC，PLC輸出模塊D01②點有輸出（見圖3），KC01得電動作，提門繼電器1KA1得電動作，工作制動器繼電器1KM11得電動作，安全制動器繼電器1KM12延時（1KT）得電動作,（見圖3），同時1#變頻器工作，工作制動器打開、安全制動器延時打開，電動機正轉，閘門上升，閘門上升到頂部時，限位開關動作，1KA01得電動作，1KA3得電動作，1KA3的1-6常閉觸點斷開，閘門停止上升。在其操作回路還串有變頻器故障繼電器1KA22、啟閉機過載繼電器KC06，即當變頻器故障或啟閉機過載時，提門繼電器1KA1失電動作，1#變頻器停止工作，工作和安全制動器制動，閘門停止。正常落門時情況與提門相似。

機組發生事故時，緊急進行事故落門，由啟閉機遠方廠房給一個命令，使事故繼電器KA01得電動作，不通過限位開關保護（1KA3的1-6常閉觸點）、變頻器故障繼電器1KA22（2-10常閉觸點）、啟閉機過載繼電器KC06（1-9常閉觸點）的保護而直接使落門繼電器1KA2得電動作，1#變頻器工作，工作制動器打開、安全制動器延時打開，電動機反轉，閘門落下（見圖3）。

1.2 事故過程分析

按照事故記錄表中的遠方LCU記錄的1F進水口閘門動作記錄，事故發生的整個過程分析如下： 13：44：01操作人員在廠房機組LCU處，按下事故停機按鈕（圖3）； KA01動作---1KA2動作---正常落門），1秒鐘后（13：44：02）啟閉機的變頻器開始運行，啟閉機的工作及安全制動器相繼打開，啟閉機正常下降，8秒鐘后（13：44：10）1F進水口2#事故門全開限位開關復位（原處于動作狀態）、19秒鐘后（13：44：21）1F進水口1#事故門全開限位開關復位、21秒鐘后（13：44：23）1F進水口3#事故門全開限位開關復位；3分32秒后（13：47：35），啟閉機主電源（交流380 V）斷電，與此同時變頻器停止運行（電機運行復歸1KA21、2KA21、3KA21復位），制動器斷電制動；啟閉機主電源（交流380 V）斷電（13：47：35）48秒鐘（13：48：15）后，啟閉機主電源（交流380 V）來電，與此同時啟閉機安全和工作制動器立即打開（因為有直流220 V的UPS不間斷電源供電從而使給PLC供電的24 V電源一直有電，即PLC一直處于正常工作狀態，造成KA01繼電器自保持見圖4；1KA2、2KA2、3KA2動作見圖3；1KM11（2）、2KM11（2）、3KM11（2）動作見圖3；1#啟閉機工作、安全制動器立即打開），而此時變頻器一通電才進入自檢過程，電機處于無電源、幾乎是自由落體狀態（除門槽、卷筒等有一定的阻力外），幾秒鐘后變頻器自檢過程完成 ，而此時PLC由于有直流220 V不間斷電源，繼電器KC02、KC10、KC18一直吸合，變頻器自檢過程完成后，變頻器進入下降能耗制動狀態，這對閘門起到一定的制動作用，一定程度上控制了閘門的下降速度，但由于前面變頻器自檢過程中，閘門處于自由落體狀態，速度超過電機本身的極限速度，造成電機“飛車”（電機定子線圈被轉子上飛掉的平衡件所損壞），變頻器報“電機短路”故障，閘門繼續高速下降，直到閘門全關行程開關（1KA04、2K04、3KA04）動作，工作及安全制動器才閉合，但此時閘門的下降速度非常快，制動器已無法剎住?。ㄔ谥苿颖P上有高速剎車形成高溫而留下來的發藍痕跡）；2分鐘26秒后（13：50：39）1F進水口3#事故門到底，2分鐘37秒后（13：50：50）1F進水口1#事故門到底，2分鐘39秒后（13：50：52）1F進水口2#事故門到底。

2 本事故門啟閉機在此次事故中暴露的問題

本事故門啟閉機在此次事故中暴露的設計方面問題：第一，設計時，未充分考慮到極端情況下，啟閉機運行過程中，380 V交流主電源可能全部斷電（如本事故），在380 V交流主電源恢復時，按照此啟閉機的設計，變頻器在還沒有建立力矩前（自檢過程），制動器就立即打開，從而造成電機“飛車”事故；第二，此啟閉機的設計，在380 V交流主電源全部斷電的情況下，事故門啟閉機的工作、安全制動器均無法打開！也就是說：當機組發生事故時，而380 V交流主電源又全部斷電的情況下，事故門無法落下，起不到保護機組的作用！第三，在啟閉機輸入總電源處，沒有相序繼電器，無法防止電源缺相、相序反造成事故；第四，沒有零位、失壓保護功能，即在啟閉機處于現地手動狀態下運行過程中，如遇到380 V交流主電源斷電，而手動開關3SAH未轉換到切除位置，當380 V交流主電源再次來電時，啟閉機將立即啟動，非常危險。

3 本事故門啟閉機的改進

根據本事故門啟閉機在此次事故中暴露的設計方面問題，我們對本事故門啟閉機進行如下改進。

第一，變頻器的運行輸出信號接點應串入制動器的控制回路中，即變頻器自檢完成后有一個變頻器準備好的信號輸出點，把該信號輸出點串入工作制動器回路中（1KA1的7-11常開觸點與1KM11線圈之間，即串入一個1KA21的常開觸點），用于防止變頻器在還沒有建立力矩前（自檢過程），制動器就打開，從而造成電機“飛車”事故；第二，為保證閘門在事故時可以快速關閉，水利水電工程鋼閘門設計規范（SDJ13-78）規定，快速閘門啟閉機，應有就地操作和遠方操作兩套系統，并應配有可靠電源。由于機組發生事故時可能影響到啟閉機的交流電源供應，遠方操作系統一般采用由廠房內蓄電池組供應的直流電源。所以，為了當機組發生事故時，事故門能落下，起到保護機組的作用，又不會造成啟閉機等設備的損壞，宜采用快速事故門設計。第三，在啟閉機輸入總電源處，增加相序繼電器，防止電源缺相、相序反造成事故；第四，在隔離變壓器TC1的輸出端,加失壓保護回路，手動提、落門轉換開關3SAH改用兩個按鈕分別控制手動提、落門，從而實現零位、失壓保護功能。

4 結論

本事故門啟閉機由于設計上存在的問題，又碰到極端情況，造成了啟閉機“飛車”事故，啟閉機的減速器、電機、制動器、鋼絲繩均受到損壞，不僅啟閉機本身需修復，而且還影響機組重新投產的時間，經濟損失極大。

所以，相關設計人員要從這起事故中汲取教訓，綜合考慮各方面工況，完善各種安全保護，設計出既能滿足各種性能要求，又安全可靠的產品。由于水電站發電機進水口事故門直接關系到機組發生事故時的安全問題，所以從本事故中可以看出，如事故門啟閉機采用固定式啟閉機形式，則宜采用卷揚式快速閘門啟閉機的設計，從發展趨勢看，事故門啟閉機采用液壓啟閉機是一個很好的選擇。

[1] 夏翔. 起重機電控設計參考手冊. 機械工業出版社,2012.

[2] 黃慧敏. 通用變頻器應用中的問題及對策. 礦山機械, 2004.

[3] 施耐德電氣中國. ATV71變頻器軟件版本V2.7編程手冊. 2011.

[4] 鄭阿奇，徐斌. 施耐德PLC應用技術. 北京： 電子工業出版社, 2011.

[5] 水電站機電設計手冊編寫組. 水電站機電設計手冊金屬結構（二）.水利電利出版社, 1988.