泰山抽水蓄能電站下水庫閘門電氣控制系統改造

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）

泰山抽水蓄能電站下水庫閘門電氣控制系統改造

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改造前存在的問題以及改造的細節，并就其功能進行簡單的介紹。

關鍵詞：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，地理位置優越，地形、地質條件良好，技術經濟指標優越。電站在山東電網中主要擔負調峰、填谷作用，并兼有調頻調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，電氣距離約為40 km。

泰安抽水蓄能電站為日調節純抽水蓄能電站，工程規模為一等大（Ⅰ）型工程，由上水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫、地面開關站等建筑物組成，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電電動機組，總裝機容量為1 000MW，發電額定水頭為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有1臺閘門及其電氣控制系統。由于設計、施工以及元器件可靠性等各方面的因素，閘門電氣控制系統穩定性和可控性較差，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進行改造。

3　改造前設備狀況

（1）動力回路中起吊機構采用兩臺YZR三相異步電動機驅動，運行中電氣傳動系統通過CJ20系列接觸器切換轉子串電阻的方法啟動和調速。電氣保護回路和電氣控制回路完全由按鈕、繼電器進行邏輯聯鎖和時間繼電器進行延時控制，并通過接觸器動作驅動運行。啟閉機使用的是轉子串電阻調速、調速方式依賴轉子部分串不同阻值的金屬電阻來消耗部分能量以達到調速效果，在低速區具有穩定性差、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。繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速屬于能耗型轉差調速，能耗大，機械特性軟，調速范圍小，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年代設計制造的，功能和可操作性已跟不上現代設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操作困難，故障率高，設備調試復雜，設備運行參數顯示及設置不直觀，工作不穩定，已不符合電站安全運行系統的技術要求。

4　改造主要內容

（1）將原下庫閘門電氣控制系統內數量及體積較大的接觸器以及轉子串電阻，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雜。現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、設備報警監視，閘門各狀態一目了然。

（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；圖紙與現場存在較大差距，為消缺維護帶來了較大困難。現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、防塵性能的工作環境。

（4）增加機械鎖錠投、退功能。在原閘門電氣控制系統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，大大優化了操作流程。

（5）增加閘門開啟操作超時判斷、關閉操作超時判斷、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SA1置于手動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將手動模式【啟門、閉門】選擇開關SA2置于啟門位置，如果已經平壓，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SA2置于中間0位置，啟閉機停止，閘門停止上升，現地手動操作完畢后將選擇開關SA1置于0位置。

5.2手動關門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于手動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將【啟門、閉門】選擇開關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SA2置于0位置。

5.3自動開門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于自動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將自動模式【啟門、閉門】選擇開關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，待閘門到達設定位置之后，限位開關及旋轉編碼器輸出雙重保護停止信號，啟閉機停止，閘門停止上升，制動器復位。

5.4自動關門操作

將【手動、自動】選擇開關SA1置于自動位置，【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于常規位置，此時如將自動模式【啟門、閉門】選擇開關SA3置于關門位置，則啟動變頻器，工作制動器松閘，啟閉機啟動，閘門開始下降，待閘門到達設定位置之后，限位開關及旋轉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，顯示屏面板上沒有平壓信號則必須進行充水平壓操作，應把【解/投鎖常規充水】選擇開關SA4置于充水位置，啟閉機啟動，閘門開始上升，當到達充水設定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，則啟閉機在啟動后將閘門提升至20 cm（可以設定）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/投鎖常規充水】轉換開關置于解/投鎖位，【自動手動】轉換開關置于自動位置。操作自動模式啟門開關，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/投鎖常規充水】轉換開關置于解/投鎖位，【自動手動】轉換開關置于自動位置，操作自動模式啟門開關，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，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/投鎖常規充水】轉換開關置于常規位置，操作自動模式啟門開關，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，根據閘門的實際運行情況設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

當荷重超過設定的重量的110%（操作屏設定）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：當模擬速度超過設定的速度保護值3m/min（操作屏設定），發出墜落報警停止閘門運行。

當發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，給出復位信號后，才能啟動。

當開門超過規定的時間（1 660 s），則給出了開門超時報警，自動停機。

當關門超過規定的時間（1 660 s），則給出了關門超時報警，自動停機。

當平壓充水時，超過規定的時間（10 s）沒有收到充水位置主令開關的信號，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

當閘門全關時，取得一次編碼器的數值Min，當閘門全開時，取得一次編碼器的數據值Max，閘門高度設定為h，編碼器的實時數值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【參數設定畫面】的【開度設定】輸入開度的設定值，當閘門全關時，在觸摸屏的【參數設定畫面】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，當閘門關到位時，在觸摸屏的【參數設定畫面】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，先將荷重保護系數設定的稍大。

6　結語

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

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。