楓涇換流站內(nèi)冷水主循環(huán)泵切換邏輯分析及措施

顧立堃，刁冠勛

（上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

0 引言

±500 k V楓涇換流站的內(nèi)冷水系統(tǒng)主循環(huán)泵采用雙重化冗余配置，主泵電機(jī)采用工頻變頻雙系統(tǒng)方式運(yùn)行，正常方式為1臺(tái)泵運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)水壓低、流量小、泵故障等異常情況時(shí)，自動(dòng)切換到另1臺(tái)泵運(yùn)行。

由于內(nèi)冷水系統(tǒng)控制較為復(fù)雜，既要實(shí)時(shí)監(jiān)視內(nèi)冷水系統(tǒng)的各級(jí)電源、進(jìn)出閥水壓、流量、溫度、電導(dǎo)率以及泵運(yùn)行參數(shù)等，又要實(shí)時(shí)控制泵運(yùn)行，還要控制各組電磁閥、加熱器等大量被控設(shè)備，加大了異常狀況發(fā)生的可能性，尤其是控制系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤切泵指令時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖的嚴(yán)重后果。

1 主循環(huán)泵切換工作原理

1.1 主循環(huán)泵動(dòng)力回路

內(nèi)冷水系統(tǒng)主循環(huán)泵動(dòng)力回路采用雙重化配置，每臺(tái)主泵配置一路獨(dú)立電源，電源來自不同的400 V母線。主泵配有變頻器，用以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和日后的調(diào)速運(yùn)行，并設(shè)有工頻運(yùn)行回路，一旦變頻器發(fā)生故障，可以直接采用工頻運(yùn)行。主循環(huán)泵工頻與變頻裝置現(xiàn)場布置如圖1所示。

1.2 主循環(huán)泵切換邏輯

主循環(huán)泵日常運(yùn)行采用變頻方式，而將工頻運(yùn)行方式作為應(yīng)急備用。

圖1 主循環(huán)泵變頻裝置

1.2.1 正常切換模式

正常運(yùn)行時(shí)，主循環(huán)泵的工作模式為自動(dòng)切換或者人工切換兩種。例如：在自動(dòng)切換模式下，當(dāng)P01主循環(huán)泵變頻運(yùn)行168 h后，自動(dòng)停泵啟動(dòng)P02主循環(huán)泵變頻投運(yùn)。人工切換時(shí)，運(yùn)行人員可以通過閥冷設(shè)備間AP5或者AP6控制柜上的人機(jī)操作界面，按鍵切換運(yùn)行泵與備用泵，也可通過操作面板將主循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)間清零。

1.2.2 故障切泵模式

1）主循環(huán)泵出口壓力低＋進(jìn)閥壓力低 2臺(tái)主循環(huán)泵出口各設(shè)置1臺(tái)壓力變送器；進(jìn)閥廳主管道口設(shè)置2臺(tái)壓力變送器，任意1臺(tái)主泵出水壓力變送器測量值低于保護(hù)定值與任意1臺(tái)進(jìn)閥壓力變送器測量值低于保護(hù)定值時(shí)，延時(shí)3 s后切換主泵，控制系統(tǒng)報(bào)“主泵出水壓力低＋進(jìn)閥壓力低”告警，控制邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 主泵出水壓力低＋進(jìn)閥壓力低”告警

2）主循環(huán)泵過熱 2臺(tái)主循環(huán)泵軸承通過設(shè)置的PT100熱敏電阻進(jìn)行軸承溫度檢測，當(dāng)溫度傳感器檢測值超過95℃時(shí)，延時(shí)2 s后切換主泵，控制系統(tǒng)報(bào)“主循環(huán)泵過熱”告警。

3）主循環(huán)泵故障 主循環(huán)泵故障分為“主循環(huán)泵變頻回路故障”和“主循環(huán)泵工頻回路故障”，變頻回路設(shè)置開關(guān)保護(hù)和變頻器自身保護(hù)。當(dāng)斷路器脫扣或變頻器故障報(bào)警時(shí)，延時(shí)500 ms后切換到備用主循環(huán)泵。工頻回路設(shè)置斷路器保護(hù)和熱繼電器保護(hù)，當(dāng)斷路器脫扣或變頻器故障報(bào)警時(shí)，延時(shí)500 ms后切換到備用主循環(huán)泵，主循環(huán)泵故障切泵邏輯如圖3所示。

圖3 主循環(huán)泵故障切泵邏輯

4）主循環(huán)泵安全開關(guān)未合 主循環(huán)泵動(dòng)力回路設(shè)置就地檢修安全開關(guān)，當(dāng)檢修安全開關(guān)被斷開時(shí)，延時(shí)500 ms切換主循環(huán)泵，控制系統(tǒng)報(bào)“主循環(huán)泵安全開關(guān)未合”告警。

5）400 V交流電源故障 P01主循環(huán)泵動(dòng)力電源接在400 V母線Ⅰ段上，P02主循環(huán)泵動(dòng)力電源接在400 V母線Ⅱ段上。假設(shè)P01主循環(huán)泵變頻運(yùn)行時(shí)400 V母線Ⅰ段失電，延時(shí)500 ms后P01主循環(huán)泵切至P02主循環(huán)泵變頻運(yùn)行。

1.3 其他故障切泵邏輯分析

1.3.1 變頻器回路故障

當(dāng)主循環(huán)泵變頻回路出現(xiàn)故障時(shí)（包括變頻器故障未手動(dòng)復(fù)歸），可切換為主循環(huán)泵工頻運(yùn)行。假設(shè)P01主循環(huán)泵變頻運(yùn)行時(shí)，發(fā)生回路過載、開關(guān)脫扣器動(dòng)作、變頻器故障，系統(tǒng)很快切至P02主循環(huán)泵變頻運(yùn)行。當(dāng)P02主循環(huán)泵也發(fā)生變頻回路故障，系統(tǒng)切至P01主循環(huán)泵工頻運(yùn)行。當(dāng)P01主循環(huán)泵工頻故障時(shí)，系統(tǒng)切至P02主循環(huán)泵工頻運(yùn)行。當(dāng)P02主循環(huán)泵發(fā)生工頻回路故障、熱偶繼電器動(dòng)作、交流電源失電，或者冷卻水進(jìn)閥壓力小于等于400 k Pa、冷卻水流量小于等于5325 L／min時(shí)，系統(tǒng)在發(fā)“進(jìn)閥壓力低”或“冷卻水流量低”告警的同時(shí)停運(yùn)系統(tǒng)。

1.3.2 切換失敗回切流程

1）手動(dòng)或定時(shí)切泵失敗 假設(shè)P01主循環(huán)泵變頻運(yùn)行，正常運(yùn)行168 h后定期切換主泵：當(dāng)P01切換P02變頻運(yùn)行，成功切換后開始計(jì)時(shí)T（P01變頻器停止時(shí)間）。當(dāng)T大于等于30 s，倘若此時(shí)發(fā)生內(nèi)冷故障，將P02切換到P01變頻運(yùn)行；當(dāng)T小于30 s時(shí)，倘若此時(shí)發(fā)生內(nèi)冷故障，將P02切換到P01工頻運(yùn)行。內(nèi)冷故障包括主泵出水壓力低＋進(jìn)閥壓力低、主泵過熱、變頻回路故障、安全開關(guān)未合、400 V母線失電）。當(dāng)P01切換P02變頻運(yùn)行由于內(nèi)冷故障不成功，P02啟動(dòng)回切邏輯，切換到P01工頻運(yùn)行。

2）壓力低故障切泵失敗 P01泵由于“主泵出水壓力低＋進(jìn)閥壓力低”故障（簡稱壓力低故障）啟動(dòng)切泵邏輯，P01變頻切至P02變頻，P02由于壓力低故障切至P01工頻運(yùn)行，P01工頻運(yùn)行由于壓力低故障最后切至P02工頻運(yùn)行，不再切換，操作站、操作員面板上故障報(bào)文顯示“主泵已切換，請檢修并確認(rèn)”，未確認(rèn)壓力低故障原因前不可去操作員面板上手動(dòng)復(fù)歸。

3）安全開關(guān)異常切泵失敗 P01泵變頻運(yùn)行由于內(nèi)冷故障，此時(shí)P02安全開關(guān)未合，P01變頻運(yùn)行切至P01工頻；當(dāng)P01泵變頻運(yùn)行中，“安全開關(guān)合位”信號(hào)回路由于接線松動(dòng)、線圈不勵(lì)磁，導(dǎo)致“安全開關(guān)合位”不輸出給可編程邏輯控制器（PLC），PLC內(nèi)部邏輯判定為主循環(huán)泵故障，此時(shí)P01泵切至P02變頻運(yùn)行，P02發(fā)生同樣故障，系統(tǒng)跳閘，發(fā)生交流母線電壓失去，同樣系統(tǒng)跳閘，發(fā)生主泵過熱故障，不啟動(dòng)切泵邏輯，發(fā)生變頻回路故障，P02泵切至工頻運(yùn)行。

4）電源失卻切泵失敗 P01主循環(huán)泵變頻運(yùn)行由于400 V母線Ⅰ段電源失去，啟動(dòng)切泵邏輯，P01變頻運(yùn)行切換至P02變頻運(yùn)行，當(dāng)400V母線Ⅱ段電源也失去，系統(tǒng)跳閘。

2 切換邏輯隱患分析

2.1 主泵溫度傳感器設(shè)置不合理

隱患排查時(shí)發(fā)現(xiàn)主循環(huán)泵系單溫度傳感器配置，即P01主循環(huán)泵對應(yīng)一個(gè)溫度傳感器TT06，P02主循環(huán)泵對應(yīng)一個(gè)溫度傳感器TT07，受控于“主泵過熱”切泵邏輯。長時(shí)間的變頻運(yùn)行會(huì)提高電機(jī)溫升，當(dāng)TT06和TT07傳感器發(fā)生故障或異常時(shí)，由于傳感器具有自檢功能，TT06和TT07故障時(shí)將退出工作，導(dǎo)致主循環(huán)泵發(fā)熱，處在惡劣的工況下運(yùn)行，甚至燒壞主循環(huán)泵。由于TT06和TT07溫度傳感器安置于AP5控制柜內(nèi)，因此在同一柜內(nèi)進(jìn)行PLC檢修時(shí)，應(yīng)做好安全措施，隔離TT06和TT07，否則一旦受干擾，TT06和TT07上傳模擬量達(dá)到保護(hù)定值，會(huì)引發(fā)過熱切泵誤動(dòng)。

2.2 安全開關(guān)信號(hào)回路設(shè)置不合理

隱患排查時(shí)發(fā)現(xiàn)安全開關(guān)閉合信號(hào)回路存在24 V電源抗干擾差，容易使內(nèi)冷水控制回路發(fā)生誤動(dòng)作。究其原因主要是主循環(huán)泵正常工作狀態(tài)安全開關(guān)在合閘位置，閘刀副節(jié)點(diǎn)QS1和QS2因?yàn)楹衔籏53和K54線圈勵(lì)磁帶電，K53和K54常開節(jié)點(diǎn)閉合，開關(guān)量輸入模塊（Msr1A）得電，通過IM1A通信擴(kuò)展模塊，將P01和P02主泵安全開關(guān)閉合信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場總線上傳給PLC。而閥內(nèi)冷PLC實(shí)時(shí)監(jiān)視主泵安全開關(guān)的輔助接點(diǎn)，從而判斷安全開關(guān)是否在合閘狀態(tài)，當(dāng)此監(jiān)視回路中接線松動(dòng)或輔助觸點(diǎn)本身存在異常時(shí)，必然導(dǎo)致主泵切換，倘若另一臺(tái)主泵也存在故障，系統(tǒng)則判斷2臺(tái)主泵故障，不再進(jìn)行回切，這樣會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)。

2.3 變頻器無抵御交流擾動(dòng)能力

內(nèi)冷水變頻器是某公司產(chǎn)品，電源適應(yīng)性較差，當(dāng)交流電網(wǎng)由于故障跳閘等產(chǎn)生的短時(shí)交流擾動(dòng)，會(huì)對變頻器的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。投運(yùn)后的內(nèi)冷水系統(tǒng)由于交流擾動(dòng)，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)短時(shí)停止重啟并報(bào)故障，雖經(jīng)生產(chǎn)廠家修改變頻器保護(hù)定值，不再發(fā)生由于交流擾動(dòng)報(bào)變頻器故障導(dǎo)致的切泵行為。然而，變頻器掉電重啟參數(shù)重新設(shè)置后，雖能躲過交流擾動(dòng)，變頻器不再報(bào)變頻器故障，但實(shí)際主泵仍會(huì)切換主泵，原因是由于“主泵出水壓力低＋進(jìn)閥壓力低”故障啟動(dòng)切泵邏輯。查閱保護(hù)定值發(fā)現(xiàn)，變頻器再試等待時(shí)間為0.5 s，停電再啟動(dòng)上升時(shí)間為2 s，系統(tǒng)建立正常水壓一般為3～5 s。變頻器發(fā)生異常再試2次，從0 Hz加速到50 Hz為3 s。變頻器一次重啟動(dòng)，系統(tǒng)建立正常水壓時(shí)間為0.5 s＋2 s＋系統(tǒng)建壓，大于“主泵出水壓力低＋進(jìn)閥壓力低”延時(shí)3 s切泵時(shí)間。

3 改進(jìn)措施

1）“主泵過熱”TT06和TT07溫度傳感器應(yīng)該采用雙重化配置，防止溫度傳感器失靈導(dǎo)致主循環(huán)泵燒壞。

2）安全開關(guān)等出屏的信號(hào)回路，應(yīng)全部改用110 V強(qiáng)電開出，防止被干擾而導(dǎo)致內(nèi)冷水控制回路誤動(dòng)作。

3）變頻器應(yīng)能適應(yīng)交流電源波動(dòng)。交流變頻器因具有復(fù)雜的交—直—交環(huán)節(jié)，而輸出側(cè)又接有具有反電勢的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，一旦輸入電源波動(dòng)就會(huì)引起內(nèi)部直流母線電壓跌落，從而導(dǎo)致輸出異常。一般變頻器能抵御15 ms的交流波動(dòng)，然而絕大部分交流擾動(dòng)均由短路故障引起，通常當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障到繼電保護(hù)動(dòng)作切除故障，最快需要20 ms，這就導(dǎo)致了交流電網(wǎng)一旦發(fā)生電壓波動(dòng)，變頻器就要重啟或報(bào)故障，為防止這一現(xiàn)象，部分變頻器設(shè)有“柔性響應(yīng)”控制字，將該控制字投入后變頻器就能適應(yīng)長時(shí)間的交流擾動(dòng)，當(dāng)交流波動(dòng)時(shí)盡可能保證電機(jī)出力不變或較少變化。然而，楓涇站的變頻器不具備該控制字，因此其很難適應(yīng)主循環(huán)泵等對可靠性要求高的設(shè)備。鑒于大功率變頻器價(jià)格昂貴，更換開支較大，建議增加該變頻器的直流側(cè)平波電容器的容量，或外接平波電容器，借助電容器儲(chǔ)能使短時(shí)交流擾動(dòng)不致影響變頻器內(nèi)部直流母線電壓，從而防止變頻器因交流擾動(dòng)重啟而頻繁切泵，增加事故隱患。

4 結(jié)語

楓涇換流站內(nèi)冷水主循環(huán)泵控制回路總體設(shè)計(jì)較為合理，但由于傳感器數(shù)量過多以及變頻器等新技術(shù)的引入，導(dǎo)致部分細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不夠完善，尤其是變頻器對交流擾動(dòng)適應(yīng)性差的問題，可能會(huì)對換流站的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，建議相關(guān)廠家和設(shè)計(jì)單位對此問題，以及本文所提建議加以研究，提出合理的解決方案，進(jìn)一步提高換流站水冷系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。