水电站集水井水泵电机误动原因分析及改进

熊晓辉

(浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江 衢州 324000)

华光潭梯级水电站地处浙江省临安龙岗镇，位于分水江干流昌化江上游的巨溪上。电站总装机容量为85 MW，其中一级电站装机2×30 MW，二级电站装机2×12.5 MW，于2005年10月全部竣工并网发电，是目前杭州地区最大的水电站。电站为梯级控制，梯调中心设在二级电站，一、二级电站相距十几公里，一级电站为“无人值班”(少人值守)运行模式。

为了进一步满足一级电站无人值班(关门)运行的需要，根据国家电网公司《水电厂无人值班若干规定》的通知，应达到防水淹厂房标准，且要求水位信号器冗余配置。因此，需要对电站原有的常规继电器控制的集水井水泵电机控制回路进行改造，改为常规继电器控制回路与PLC控制回路相结合，且配置冗余的不同工作原理的水位信号器，具有浮子开关开关量控制的和液位变送器模拟量输出PLC控制的水泵电机工作回路。

1 改造方案

对集水井水泵电机控制回路改造采用由常规继电器控制和PLC控制相结合、可实现主备用自动切换的电机控制系统，以达到控制方式灵活易改、运行稳定可靠，维护工作量少等目的。改造后的控制系统结构原理如图1所示。

图1 控制系统结构原理

2 故障及原因分析

改造项目实施后，集水井水泵电机的主备启动、轮换运行、模拟量启动、开关量启动等实验一切正常；但在试运行阶段发生了故障。在试运行过程中，偶尔会出现主备泵不轮换、备用泵水位没有达到时主备泵同时启动、一台泵连续启动2次而另一台泵再启动的非正常轮换现象。

经过检查发现，控制回路元器件一切正常；控制回路断电后再上电，水泵电机有时也正常启动、正常轮换，但在运行一段时间后还是会出现上述相同的故障现象。

针对以上电机误动现象，依据控制回路图查找、测试和分析故障原因。集水井水泵电机控制回路如图2所示，电机启动过程如下。

2.1 控制回路的初始状态

当控制回路上电时，1C，2C及1ZJ，2ZJ的常闭触点均处于闭合状态。因此，1ZJ线圈和2ZJ线圈哪个线圈先得电是随机的。现在假设1ZJ的线圈先得电，则1ZJ的常开点闭合，回路104-110-107-102-109-N处于就绪状态，即1号电机处于主用状态 ；回路204-206-208-N断开，2号电机处于备用状态。

图2 集水井水泵电机控制回路

2.2 控制回路的主备用自动轮换

当工作电机投入继电器3ZJ动作时，1C闭合，1号电机启动，1C的辅助触点21/22断开，继电器1ZJ的线圈掉电。此时1号电机由104-105-102-109-N回路自锁控制，继续运行；继电器2ZJ得电，回路204-210-207-202-209-N就处于就绪状态，即将2号电机转为下次启动的主用电机。这样就使用回路完成了电机主备用的自动轮换。

以上工作方式是在所有中间继电器、接触器等的触点无时滞、无抖动的理想开闭条件下的理论分析，所对应的电气元件时序如图3所示。

图3 电气元件理想情况的时序

关于电气元件的时序图说明如下。

(1)初始状态假设1ZJ线圈先得电，时间点用xA的格式:x为阿拉伯数字，表示周期序号；A为大写英文字母，表示某时间点。如1A表示第1个周期的时间点A。

(2)时间点A为工作电机投入点，B为工作电机投入复归点，C为工作电机停止点，D为工作电机停止复归点。

然而在实际工作中，继电器接点有时有抖动、有时滞，所对应的电气元件的时序如图4所示。

图4 电气元件实际情况的时序

由图4可知，实际工作中会出现以下情况：1C闭合，1号电机启动，回路104-106-108-N断开，1ZJ线圈掉电，回路204-206-208-N闭合，2ZJ线圈得电，而此时3ZJ仍处于闭合状态(工作电机投入复归信号还未达到之前，3ZJ线圈一直得电)，由于8ZJ出现电气抖动或时滞，回路204-210上的常闭触点还未断开时，回路204-210-207-202-209-N就已闭合，2C动作，使2号电机误启动；反之亦然。

通过对控制回路元器件工作特性的测试以及对其动作过程的分析发现，在现场工作条件下电气元件的非理想开闭、电气接点的抖动和时滞是导致集水井水泵电机控制回路时序混乱、2台电机同时误启动的主要原因。

3 改进措施

要根除误动原因可以从以下2个方面考虑：一是更改元件，实现理想开闭；二是在主备轮换的过程中避开出现电气抖动及时滞的时段。由于电气抖动及时滞的时间是很短暂的，只要避开这段时间，就可以实现主备用的可靠自动轮换。

在实际工作中，电气元件的理想开闭是不可能实现的。由于电气元件的特性，它的参数在一定范围内是有效的，如接触器的启动时间是0～20 ms。由于材料、结构或工艺等方面的限制，理想开闭是没有办法达到，只能采用避开出现电气抖动及时滞时段的办法。

为此，在图2所示的控制回路中增加1个中间继电器3ZJ＇，其线圈与中间继电器3ZJ线圈并联，再将它的2对常开接点分别并联到回路104-106及204-206中，如图2虚线部分所示。

假设1ZJ的线圈首先得电，当工作电机启动的信号达到时，3ZJ及3ZJ＇的线圈均得电，此时1号电机先作为主用。启动后，由于3ZJ＇的线圈得电，回路104-106连通，因此1ZJ的线圈得电，这时并不会完成主、备用电机的轮换。当电机运行一段时间达到复归点时(复归点必定在停止点以前)，3ZJ＇线圈失电，回路104-106断开，1ZJ线圈失电，2ZJ线圈得电，完成主备用电机的轮换。

控制回路改进后的时序见图5。从图5可以看出，在增加3ZJ＇的中间继电器后，主、备轮换的过程不是发生在电气抖动和时滞时段，而是在工作电机启动信号复归后。使用此方法可将主、备用轮换的过程由原来的工作电机投入后立即主、备用轮换，改为在工作电机投入信号复归时轮换，这就解决了因电气抖动和时滞所造成的时序混乱问题。

图5 改造后电气元件的时序

4 结束语

在引入中间继电器并利用工作电机投入复归信号在工作电机停止信号之前到达的逻辑特性，成功解决了因为电气元件的抖动及时滞等固有特性造成的回路控制时序混乱的问题，避免了2台集水井水泵电机不能正常轮换、主备水泵电机同时启停的现象，有效保护了电机。2011年2月，通过以上改进，成功解决困扰多时的集水井水泵电机偶发性非正常轮换、同时误启动的难题，改进后一直运行正常。

1 白 雪.电机与电气技术[M].陕西：西北工业大学出版社，2008.