水電站集水井水泵電機誤動原因分析及改進

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。電站總裝機容量為85 MW，其中一級電站裝機2×30 MW，二級電站裝機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)運行模式。

為了進一步滿足一級電站無人值班(關(guān)門)運行的需要，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)達到防水淹廠房標準，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控制回路進行改造，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控制的水泵電機工作回路。

1 改造方案

對集水井水泵電機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、可實現(xiàn)主備用自動切換的電機控制系統(tǒng)，以達到控制方式靈活易改、運行穩(wěn)定可靠，維護工作量少等目的。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

改造項目實施后，集水井水泵電機的主備啟動、輪換運行、模擬量啟動、開關(guān)量啟動等實驗一切正常；但在試運行階段發(fā)生了故障。在試運行過程中，偶爾會出現(xiàn)主備泵不輪換、備用泵水位沒有達到時主備泵同時啟動、一臺泵連續(xù)啟動2次而另一臺泵再啟動的非正常輪換現(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，水泵電機有時也正常啟動、正常輪換，但在運行一段時間后還是會出現(xiàn)上述相同的故障現(xiàn)象。

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

2.1 控制回路的初始狀態(tài)

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

圖2 集水井水泵電機控制回路

2.2 控制回路的主備用自動輪換

當工作電機投入繼電器3ZJ動作時，1C閉合，1號電機啟動，1C的輔助觸點21/22斷開，繼電器1ZJ的線圈掉電。此時1號電機由104-105-102-109-N回路自鎖控制，繼續(xù)運行；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號電機轉(zhuǎn)為下次啟動的主用電機。這樣就使用回路完成了電機主備用的自動輪換。

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

圖3 電氣元件理想情況的時序

關(guān)于電氣元件的時序圖說明如下。

(1)初始狀態(tài)假設(shè)1ZJ線圈先得電，時間點用xA的格式:x為阿拉伯數(shù)字，表示周期序號；A為大寫英文字母，表示某時間點。如1A表示第1個周期的時間點A。

(2)時間點A為工作電機投入點，B為工作電機投入復歸點，C為工作電機停止點，D為工作電機停止復歸點。

然而在實際工作中，繼電器接點有時有抖動、有時滯，所對應(yīng)的電氣元件的時序如圖4所示。

圖4 電氣元件實際情況的時序

由圖4可知，實際工作中會出現(xiàn)以下情況：1C閉合，1號電機啟動，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3ZJ仍處于閉合狀態(tài)(工作電機投入復歸信號還未達到之前，3ZJ線圈一直得電)，由于8ZJ出現(xiàn)電氣抖動或時滯，回路204-210上的常閉觸點還未斷開時，回路204-210-207-202-209-N就已閉合，2C動作，使2號電機誤啟動；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、電氣接點的抖動和時滯是導致集水井水泵電機控制回路時序混亂、2臺電機同時誤啟動的主要原因。

3 改進措施

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

在實際工作中，電氣元件的理想開閉是不可能實現(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，如接觸器的啟動時間是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到，只能采用避開出現(xiàn)電氣抖動及時滯時段的辦法。

為此，在圖2所示的控制回路中增加1個中間繼電器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，當工作電機啟動的信號達到時，3ZJ及3ZJ＇的線圈均得電，此時1號電機先作為主用。啟動后，由于3ZJ＇的線圈得電，回路104-106連通，因此1ZJ的線圈得電，這時并不會完成主、備用電機的輪換。當電機運行一段時間達到復歸點時(復歸點必定在停止點以前)，3ZJ＇線圈失電，回路104-106斷開，1ZJ線圈失電，2ZJ線圈得電，完成主備用電機的輪換。

控制回路改進后的時序見圖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)生在電氣抖動和時滯時段，而是在工作電機啟動信號復歸后。使用此方法可將主、備用輪換的過程由原來的工作電機投入后立即主、備用輪換，改為在工作電機投入信號復歸時輪換，這就解決了因電氣抖動和時滯所造成的時序混亂問題。

圖5 改造后電氣元件的時序

4 結(jié)束語

在引入中間繼電器并利用工作電機投入復歸信號在工作電機停止信號之前到達的邏輯特性，成功解決了因為電氣元件的抖動及時滯等固有特性造成的回路控制時序混亂的問題，避免了2臺集水井水泵電機不能正常輪換、主備水泵電機同時啟停的現(xiàn)象，有效保護了電機。2011年2月，通過以上改進，成功解決困擾多時的集水井水泵電機偶發(fā)性非正常輪換、同時誤啟動的難題，改進后一直運行正常。

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