浅析中小水电站闸门控制系统的安全防护 |
| 2013-03-14 14:41 作者：戴锦春 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，以国电竹溪县大峡水电站泄洪闸门的控制系统为例，针对闸门在操作过程中可能出现的故障，从控制系统的软件、硬件等方面介绍闸门的安全防护措施。根据长时间的实际运行验证其安全可靠性，为其他基于PLC闸门控制系统的改造提供借鉴，具有推广的价值。
关键词：PLC；中小水电站；闸门；安全防护措施
水电站为各行各业提供动力，所以一旦发生事故，不仅是自身的重大损失，而对其它行业的影响和损失远远超出本身的影响和损失，它还关系到千家万户的正常生活。甚至会威胁设备安全和人的生命安全[1]。国电竹溪县大峡水电站弧形泄洪闸门是以ORMON公司最新多功能一体机CP1H为主控制器，配合以SIEMENS公司MICROMASTER440系列变频器，还有接触器、断路器、熔断器、继电器等一系列低压电器构成弧形泄洪闸门控制系统。文章主要分析了低压电器的过压与过流保护、闸门的飞车、卡滞和与越限保护以及电动机的热保护等方面可能出现故障的原因并提出了解决办法。
1过压、过流保护
低压电器包括低压配电电器和低压控制电器。低压配电电器灭弧能力强，分断能力好，热稳定性好，限流准确。低压控制电器具有动作可靠，操作频率高，寿命长等特点。他们除了对电路有控制、调节和测量作用外，还对设备、环境、以及人身实行自动保护，如电机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。
2闸门飞车、卡滞保护
飞车：正常情况下，弧形闸门启闭机主电机为三相异步电动机，若主电机停电失去力矩，抱闸电机会和制动器抱闸，闸门会停止运动。然而，外界人为操作或其他原因导致由于制动器不能产生足够的制动力矩，闸门在自重作用下加速下滑，主起升的各转动部件随之加速旋转。当闸门接近底槛时，其转速大大超过电机所能承受的极限转速和减速器使用条件的最高转速[2]。制动器和抱闸电机不能正常工作，主电机由于超速而飞车。由此，可能导致和主电机的定子和外壳损坏，转子脱离等。
卡滞：主电机发生机械故障或其他原因导致主电机卡滞，若传动设备操作不正确，传动设备过紧润滑不当，主电机会由于过载而发热[3]，此刻应立即断开电机电源，否则容易烧毁电机。
解决方案：利用CP1H的定时中断可方便的判断出闸门是否是飞车或卡滞状态，如果卡滞或飞车，则停机。判断方法如下：若定时中断时间内下降或上升的速度远远大于或小于平均下降或上升的速度，则可判断为飞车或卡滞。
3闸门越限保护
闸门启闭的开度和大坝蓄洪能力有关，实际操作中，闸门启闭的最大开度也应该在设计安全范围内。当闸门动作越限，机械行程限位开关动作，使空气开关跳闸[4]。
以国电竹溪县大峡水电站为例，大峡水电站位于湖北省竹溪县泉河流域，是泉河流域五级开发电站的第三级。大峡水电站装机容量为2.0万千瓦，于2007年12月竣工投产，它所设计的闸门最大开启高度是12m，当闸门上升的距离超过12m时，会导致闸门变形损坏，同时当闸门完全关闭后，主电机也应该立即停止运动，否则会导致卷扬机损坏。
大峡水电站闸门控制系统从可编程控制器CP1H梯形图软件和旋转限位开关两方面进行越限处理，形成双重保护机制。
在闸门启闭过程中，由多圈绝对式编码器对闸门启闭的开度进行计数，并将该值反馈到CP1H中，再将编码器反馈的开度值和闸门安全范围的开度比较，并判断是否越限，若越限，则输出报警信号并停机。
如果发生电气故障，软件限位未能正确的做出反应，则由旋转限位开关从硬件方面，强制输出急停信号和报警信号，并停机。
4三相异步电机热保护
电动机是闸门启闭的动力设备。三相异步电动机发热原因有多方面，也较为复杂，一般来说可以分为正常发热与异常发热两部分[3]。正常发热时由于电机内部绕组线圈有一定的阻抗，而异常发热的原因情况较为复杂，除了电机绝缘老化、电压波动和由老化引起的电流不平衡外，大多数发热原因是电机缺相运行导致短时间内发热，导致烧毁电机。
大峡水电站闸门控制系统中采用SIMENS公司的MICROMASTER440系列变频器，输出功率为55KW。MICROMASTER440变频器不仅能实现主电机的软启动，极大的减小了启动电流，和实现启闭闸门速度实现无极调速等功能，而且提供了电机热保护监控和缺相保护。
MICROMASTER440变频器电机热监控的基本原理是检测临界热状态，输出报警和初始的适当响应[5]。变频器会在电机刚开始电机快速调试时，根据预先输入铭牌上的相关参数，建立电动机热模型，得出温度报警阈值。若变频器检测到电机的温度超过警告阈值，就会输出相应的响应。
在众多的三相异步电动机损坏故障中，电动机因缺相烧毁占70%-85%，其危害也是现而易见的，最频繁的电机损坏形式。采用MICROMASTER440变频器可以有效的避免由供电电源一相断路引起的缺相。当变频器检测到输入侧有缺相，BOP面板上会输出显示错误代码，也可以通过设置缺相时相应继电器输出至报警，并停机或采取相应操作。
5结束语
针对基于可编程控制器闸门控制系统的中小水电站，在实际操作中可能遇到的故障，提出安全预防措施，并结合在国电大峡水电站长期安全运行的经验，具有一定的推广价值。
作者简介：
戴锦春，副教授，湖北省武汉大学动力与机械学院，研究方向：水电站控制系统设计。
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