狮子滩水电站快速闸门抱闸装置改进方案及实现

颜现波，张 青

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.重庆狮子滩发电有限公司，重庆401220）

0 引言

重庆狮子滩水电站装有4台单机容量为12MW的混流式水轮发电机组，该站为龙溪河第一级梯级电站,水库库容为10.28亿m3。该电站中每套机组进水口分别设置一套快速闸门,用于在紧急事故情况下快速关闭实现紧急停机功能。机组紧急事故停机触发条件主要有：机组过速115%Ne且主配据动、机组电气转速过150%Ne、事故低油压、机组事故停机过程中剪断销剪断、紧急事故按钮动作、水淹厂房信号动作等紧急事故情况下,机组现地LCU启动紧急事故停机流程，同时触发“快速关闭进水口闸门”指令。紧急事故停机流程如图1。

图1 机组紧急事故停机流程

1 技术需求及存在问题分析

1.1 电磁式制动装置运行模式及工作原理

电站原抱闸装置为电磁式制动，工作电源采用交、直流冗余电源供电，且“交流优先”原则。抱闸装置工作原理如图2。

图2中DCT表示电磁抱闸装置电磁线圈。3ZJ表示机组紧急事故关闸门继电器。R1、R2表示限流电阻。1ZJ、2ZJ表示交流电源监视继电器。M1、M2分别表示控制命令继电器。SW1、SW2分别表示闸门装置现地、远方控制把手。当发生紧急事故信号时,机组PLC控制器首先触发紧急事故动作继电器，同时发“快速关闭闸门令”至闸门PLC控制系统,闸门控制系统立即开出紧急关闸门命令。3ZJ继电器动作,使DCT制动线圈带电,松开抱闸装置,闸门快速落下。

图2 抱闸装置工作模式原理图

制动装置主要在两种模式下运行，分别为自动触发控制模式与手动控制模式。

（1）制动装置在自动触发控制模式下分为3种运行方式：

1）机组无紧急事故时，3ZJ继电器断开，此时装置DCT线圈处于失电状态，抱闸装置抱紧转轴，闸门处于固定状态。

2）机组紧急事故停机继电器3ZJ动作，交流电源装置正常。此时控制回路为“1ZJ-13ZJ-1DCT3ZJ-21ZJ-2”,DCT线圈带电，闸门快速关闭。

3）机组紧急事故停机继电器3ZJ动作，直流电源装置正常。此时控制回路为“2ZJ-13ZJ-1DCT3ZJ-22ZJ-2”,DCT线圈带电，闸门快速关闭。

（2）制动装置在手动控制模式下分为2种运行方式：

1）现地手动控制模式，此时控制回路为“1ZJ-1SW1-1M1DCTSW1-21ZJ-2” 或“2ZJ-1SW1-1M1DCTSW1-22ZJ-2”，DCT线圈带电，闸门快速关闭。

2）远方手动控制模式，此时控制回路为“1ZJ-1SW2-1M2DCTSW2-21ZJ-2” 或“2ZJ-1SW2-1M2DCTSW2-22ZJ-2”，DCT线圈带电，闸门快速关闭。

1.2 电磁制动式抱闸装置运行中存在问题

（1）抱闸装置动作过程中电流较大,易造成控制系统元件发热损坏。

（2）采用直流电源供电时，回路上工作电流较大。

（3）回路中串联限流电阻R1、R2易发热、烧损。

1.3 改进抱闸装置控制方案技术指标

为克服原抱闸装置运行过程中存在的缺陷和问题，新改进的闸门控制系统及抱闸装置在达到基本控制功能要求下，需满足以下技术指标：

（1）改进方案中闸门控制系统由PLC控制器、开入、开出、模拟量模块等组成,接收电厂监控系统命令对闸门启闭机、电动机等进行控制,在紧急情况下对抱闸装置进行控制。改进的抱闸控制系统包括：抱闸装置、冗余工作电源装置、变频器等。

（2）增加变频器，防止电机启动时冲击电流损坏回路元件。

（3）抱闸装置动作可靠、安全，当交、直流电源均中断时,不误落门。

2 改进抱闸装置选型及控制回路设计

2.1 改进抱闸装置参数确定及选型

在本次改进方案中抱闸装置采用电动液压型，其工作模式为：当无动作命令或装置失电时，在自动恢复弹簧的作用下,装置处于抱紧状态，闸门固定。当接收到动作命令时，电动机启动并驱动液压机构,将抱闸装置打开，实现快速落门。

电动液压型抱闸装置用于闸门控制时选型需要考虑以下参数：控制电动机额定参数,电动机制动力矩、制动方式、抱闸装置安装位置、所控制大轴尺寸等。根据电站现场设备实际情况，在满足上述参数情况下,通过比较后选择YWZ4-315型电动液压抱闸装置,其参数为:

（1）控制电动机功率：P=250 W；

（2）电动机额定电压：U=AC380 V；

（3）电动机制动力矩：M=315 N·m。

2.2 电源回路设计及参数确定

抱闸装置系统工作电源回路采用三相逆变电源装置。其工作原理如图3:

图3 工作电源回路原理图

图3中，JCQ表示三相电压接触器。工作电源装置配置两路冗余输入电源，分别为AC380 V电源及DC220 V电源，工作电源装置输出为AC380 V电源。按照“交流优先”设计原则，当交流输入电源正常时,工作电源装置通过旁路输出电源为AC380 V；当交流电源异常且直流输入电源正常时，逆变电源装置将DC220 V直流电源逆变成AC380 V进行输出。

逆变电源装置的容量选择需同时考虑按额定启动电流的4～8倍,且保证30%左右功率裕量。另考虑到其他辅控元器件负荷，逆变电源容量最终选为：S=3 kVA。

2.3 配套变频器选项及参数确定

变频器所具有良好的调速及平稳过渡性能，能够较好的克服电动机启动电流对逆变电源产生的不利影响。因此在改进方案中采用增加变频器设备来控制抱闸系统电动机启停。抱闸系统电动机功率为200～250 W，电动机为带恒负荷启动方式,无大惯性负载。变频器功率需略大于电动液压抱闸系统电动机功率，考虑功率裕量后，变频器参数如下所示:

（1）变频器额定功率抱闸系统电动机额定功率，即：P≥250 W。

（2）变频器额定电流1.1倍抱闸系统电动机额定电流，即：I≥0.5 A。

（3）变频器额定电压=电动液压抱闸系统电动机额定电压，即：U=380 V。

（4）变频器转矩与电动机转矩匹配,故转矩选为M=315 N·m。

2.4 改进后抱闸装置控制回路设计

改进后快速闸门抱闸系统控制流程框图如图4。整个紧急事故快速落门流程，首先由机组控制系统发命令至闸门PLC控制系统，其次闸门PLC控制系统立即发送触发命令至变频器，最后由变频器动作液压抱闸系统，实现快速关闭闸门功能。

图4 改进后抱闸装置控制流程框图

3 结束语

针对狮子滩水电站原电磁制动装置在运行中存在启动电流较大及限流电阻易烧损的问题,提出了基于电动液压制动的抱闸控制装置改进方案,并对设备选型、控制电动机参数及配套变频器参数进行确认。在实际设备改造中切实可行，运行效果良好。本次改进方案提供了详细的设备配置及设备选型和参数，可为今后其他中、小型水电站改造提供借鉴经验。