大型水電站排水控制系統(tǒng)運(yùn)行異常分析與研究

黃真懿，張 堃，周立成，譚 勇

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443000)

大型水電站利用水能資源發(fā)電，特別是壩后式廠房水電站，其排水控制系統(tǒng)將水電站大壩的滲漏水、水電機(jī)組檢修時(shí)蝸殼積水、生活用水等排水匯集至集水井，再通過排水泵排至水電站下游。排水控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行是水電機(jī)組安全運(yùn)行的保障[1]，排水控制系統(tǒng)功能異常時(shí)，不能及時(shí)將滲漏水排出，有可能會(huì)出現(xiàn)水淹廠房的重大風(fēng)險(xiǎn)，造成大面積停電事故，因此，確保排水控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)水電站的安全運(yùn)行非常重要。

1 控制系統(tǒng)原理分析

該電站排水控制系統(tǒng)由AC400V配電柜、現(xiàn)地控制單元(硬件主要包括西門子S7-300型PLC、西門子TP277觸摸屏)、排水控制回路、水位變送器等幾部分組成。控制設(shè)備為兩臺(tái)集水井滲漏排水泵。兩臺(tái)排水泵集水井各安裝有開關(guān)量浮球3個(gè)，分別為水位正常(常規(guī)繼電器回路停泵用)、水位高(由PLC采集后開關(guān)量輸出啟泵用)、水位超高(常規(guī)繼電器回路啟泵用)，一路水位模擬量傳感器[2]。排水泵設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制方式，一種手動(dòng)方式由現(xiàn)地控制單元盤柜門上的按鈕或集水井旁端子箱門上的按鈕啟/停，另一種自動(dòng)方式有兩種啟、停泵的模式：①由PLC采集排水泵集水井的水位模擬量，當(dāng)水位達(dá)到啟、停限值后啟、停水泵；②由水泵集水井的兩路浮球開關(guān)量(水位正常、水位超高)通過常規(guī)繼電器回路無(wú)需PLC直接啟、停泵[3]，電氣控制原理如圖1所示。

圖1 電氣控制原理

2 故障分析及處理

2.1 故障現(xiàn)象描述

1)在自動(dòng)控制方式下，1號(hào)排水泵在正常抽水至低水位后，水泵無(wú)法正常停止，出現(xiàn)反復(fù)啟、停故障，切至手動(dòng)方式仍然無(wú)法停泵，只有強(qiáng)行斷開排水泵動(dòng)力電源空開方可停泵。

2)在自動(dòng)控制方式下，1號(hào)排水泵在正常啟動(dòng)抽水后，水泵無(wú)法正常停止，始終保持運(yùn)行，切至手動(dòng)方式仍然無(wú)法停泵，只有強(qiáng)行斷開水泵動(dòng)力電源空開方可停泵。

2.2 故障檢查

排水控制系統(tǒng)表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象是功能紊亂性的，與控制邏輯完全不相符，通過以下方式對(duì)排水控制系統(tǒng)的線路進(jìn)行了全面梳理、檢查[4]：

1)根據(jù)排水控制系統(tǒng)的電氣原理圖對(duì)控制回路進(jìn)行了仔細(xì)核查，動(dòng)力柜和現(xiàn)地控制柜各接線無(wú)誤，與圖紙相符，排除了控制邏輯有錯(cuò)誤的可能性。

2)對(duì)排水控制系統(tǒng)PLC控制程序進(jìn)行了在線程序查看，程序運(yùn)行正常，排除了PLC程序錯(cuò)誤的可能性[5]。

3)對(duì)排水控制系統(tǒng)進(jìn)行了以下功能試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)回路進(jìn)行了帶電檢測(cè)，結(jié)果如下：①控制方式切至手動(dòng)，啟動(dòng)1號(hào)排水泵。手動(dòng)啟動(dòng)1號(hào)排水泵正常運(yùn)行，停止排水泵時(shí)，泵不能正常停止，接觸器未失磁、發(fā)出輕微異響。經(jīng)檢測(cè)在按下停止按鈕前，接觸器的線圈電壓為AC242V，按下停止按鈕時(shí)，檢測(cè)接觸器的線圈電壓為AC160V。斷開2號(hào)泵的動(dòng)力電源開關(guān)后(即斷開了其控制回路電源)，1號(hào)泵在手動(dòng)方式下，手動(dòng)可正常啟、停水泵。1號(hào)泵停止后的接觸器1KM處于失磁狀態(tài)，實(shí)測(cè)其線圈電壓下降為AC60V，兩臺(tái)泵存在控制干擾。②1號(hào)排水泵所用的超高水位繼電器發(fā)出輕微振動(dòng)聲響，而此時(shí)水位未到超高水位，K2正常應(yīng)該為失磁狀態(tài)，經(jīng)檢測(cè)其線圈電壓為AC156V，處于失、勵(lì)磁的臨界狀態(tài)。測(cè)量現(xiàn)地超高水位的浮球開關(guān)線圈電壓仍為AC156V，可排除浮球開關(guān)損壞。測(cè)量1號(hào)排水泵集水井旁的端子箱線芯電壓約AC80～156V，電纜的線芯間和線芯對(duì)地的絕緣符合標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

4)電纜檢查。排水系統(tǒng)單元控制室至現(xiàn)地控制箱的電纜有4根，包括編號(hào)為109MP、111MP的兩根電纜以及兩臺(tái)排水泵的動(dòng)力電源，現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)泵站的控制電纜信號(hào)表如表1和表2所示。

表1 109MP控制信號(hào)電纜

表2 111MP控制信號(hào)電纜

從排水控制室到現(xiàn)地排水泵控制電纜電纜全長(zhǎng)一千多米，電纜無(wú)金屬織物狀的屏蔽層，只有鎧甲接地，排水系統(tǒng)動(dòng)力盤柜內(nèi)的電氣元件(接觸器、繼電器)的線圈均為AC220V等級(jí)。

3 結(jié)論分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)排水控制系統(tǒng)的試驗(yàn)，硬接線回路檢查、元器件運(yùn)行狀態(tài)可以得出排水控制系統(tǒng)功能紊亂性故障的原因?yàn)榕潘刂乒裰连F(xiàn)地排水泵控制電纜109MP和111MP的線芯交流感應(yīng)電壓較高所致。其中以1號(hào)排水泵集水井旁的端子箱的停止按鈕1SB4至動(dòng)力柜的線芯影響最大(圖1中的1-17和1-7線號(hào))，會(huì)造成水泵接觸器無(wú)法正常失、勵(lì)磁。

1號(hào)集水井水位超高開關(guān)量信號(hào)回路線芯感應(yīng)電壓高，導(dǎo)致繼電器K2處于失、勵(lì)磁的臨界狀態(tài)，導(dǎo)致1號(hào)排水泵反復(fù)不正常啟、停。電纜感應(yīng)電壓高分析具體原因如下：

1)動(dòng)力配電柜的電源電壓太高：線電壓達(dá)到了AC422V，相電壓達(dá)到了246 V，均超過了標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的允許偏差。

2)控制電纜109MP和111MP的長(zhǎng)達(dá)一千多米，并且電纜無(wú)金屬織物狀的屏蔽層，只有鎧甲接地。

3)控制電纜109MP和111MP同時(shí)參與了電控系統(tǒng)的1、2號(hào)排水泵的控制，導(dǎo)致兩臺(tái)泵控制回路感應(yīng)電壓互相干擾。

4)控制電纜109MP和111MP由動(dòng)力配電柜至1號(hào)排水泵集水井的端子箱有6根相線，交流電壓感應(yīng)源太多，每臺(tái)泵各有至1號(hào)排水泵集水井的端子箱的啟/停泵、水位低、水位高3根長(zhǎng)期帶電的相線。

4 解決措施

為了確保排水泵站水位在正常范圍內(nèi)，排水系統(tǒng)不能長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行，在解決感應(yīng)電壓引起排水控制功能紊亂時(shí)，采用了應(yīng)急措施和技術(shù)優(yōu)化。

4.1 應(yīng)急措施

從排水控制單元室至現(xiàn)地排水泵站，距離長(zhǎng)達(dá)一千多米，在確保原有排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和成本控制情況下，設(shè)計(jì)以下解決措施：

1)將動(dòng)力配電柜的進(jìn)線電壓調(diào)整至額定電壓，線電壓為380 V，相電壓為220 V。

2)將1、2號(hào)排水泵的控制回路所用的控制電纜完全分開，控制電纜109MP控制1號(hào)泵如表3，111MP則控制2號(hào)泵如表4，解決了兩臺(tái)控制回路感應(yīng)電壓互相干擾的問題[7]。

表3 新109MP控制信號(hào)電纜

表4 新111MP控制信號(hào)電纜

3)減少由動(dòng)力配電柜至排水泵集水井的端子箱的交流電壓感應(yīng)源[8]。2臺(tái)泵的控制回路由動(dòng)力配電柜至泵集水井的端子箱分別只保留的1根相線，即圖1中的1-1號(hào)線，而在1號(hào)排水泵集水井的端子箱再進(jìn)行相應(yīng)的短接，即將1-1與1-105和1-125短接，以及2-1與2-105和2-125短接。這樣完全不影響控制系統(tǒng)的邏輯功能，并且減少了4根長(zhǎng)期帶電的相線。

4)將控制電纜109MP和111MP的備用芯進(jìn)行接地處理，減少干擾源。通過采取以上解決措施后，電纜109MP和111MP的線芯感應(yīng)電壓降低為AC20V至60V不等，排水系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.2 技術(shù)優(yōu)化

控制回路因交流感應(yīng)電壓高導(dǎo)致系統(tǒng)功能異常故障，排水泵無(wú)法正常運(yùn)行。交流感應(yīng)電壓高的原因是排水泵的電氣控制回路電壓為AC220V，而動(dòng)力柜至排水泵集水井端子箱的4根控制電纜長(zhǎng)達(dá)720 m且無(wú)金屬織物屏蔽層，導(dǎo)致回路間感應(yīng)電壓高，采取應(yīng)急措施后，感應(yīng)電壓有所下降,但無(wú)法根除。為了根除感應(yīng)電壓產(chǎn)生的問題，做以下方案優(yōu)化：

1)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)DC24V電源由動(dòng)力柜至排水泵集水井端子箱的長(zhǎng)距離電纜的電壓衰減為O.2 V，衰減較小可忽略不計(jì)，將排水泵的電氣控制回路采用DC24V電壓等級(jí)的元件，控制原理設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電氣控制原理

2)動(dòng)力柜至排水泵集水井端子箱的控制電纜重新敷設(shè)，將1、2號(hào)泵的電纜完全分開，電纜采用金屬織物屏蔽層的阻燃軟電纜，電纜屏蔽層在動(dòng)力柜接地。

5 結(jié) 語(yǔ)

排水控制系統(tǒng)功能紊亂性故障嚴(yán)重影響了設(shè)備運(yùn)行安全，通過大型水電站排水控制系統(tǒng)運(yùn)行異常分析與研究，從控制系統(tǒng)硬件、軟件、功能性試驗(yàn)、元器件運(yùn)行狀態(tài)等技術(shù)方法查明故障癥結(jié)，通過應(yīng)急措施和技術(shù)優(yōu)化解決了排水系統(tǒng)因感應(yīng)電壓過高的難題，及時(shí)保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，避免了水淹廠房的重大風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。