抽水蓄能電站中性點(diǎn)接地刀閘操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探析

田 博，劉 錦，王虎軍，王旭光，張海峰，馬慶宇

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

抽水蓄能電站作為發(fā)電系統(tǒng)中的重要輔助設(shè)施，具有調(diào)峰填谷的優(yōu)良特性，對(duì)保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站大多采用靜止變頻(static frequency converter,SFC)啟動(dòng)為主、背靠背(back-to-back,BTB)啟動(dòng)為輔的方式。其中，BTB啟動(dòng)作為一種必不可少的輔助啟動(dòng)方式，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的保障作用。在BTB啟動(dòng)過(guò)程中，拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的中性點(diǎn)刀閘安全、正確地分合動(dòng)作對(duì)啟動(dòng)過(guò)程至關(guān)重要。因此，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站在運(yùn)行過(guò)程中傳統(tǒng)中性點(diǎn)刀閘機(jī)構(gòu)的不足，設(shè)計(jì)了一套功能可靠的中性點(diǎn)刀閘操作系統(tǒng)，并成功參與發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，已穩(wěn)定運(yùn)行一年以上[1]。

1 BTB啟動(dòng)原理

BTB啟動(dòng)也稱(chēng)同步啟動(dòng)，即利用本電站內(nèi)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組(作為拖動(dòng)機(jī)組)來(lái)啟動(dòng)另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)組(作為被拖動(dòng)機(jī)組)的方式。作為機(jī)組抽水工況下重要的啟動(dòng)方式，BTB啟動(dòng)過(guò)程需要兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行密切的協(xié)調(diào)配合。該啟動(dòng)方式涉及拖動(dòng)機(jī)組的選擇、拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組的流程控制、中性點(diǎn)接地刀閘的分合控制、調(diào)速器控制、勵(lì)磁控制以及繼電器保護(hù)配合等,是一個(gè)復(fù)雜的聯(lián)合控制過(guò)程。

BTB啟動(dòng)過(guò)程如圖1所示。圖1中，兩臺(tái)機(jī)組定子之間通過(guò)電氣連接。啟動(dòng)前，在兩臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)子中注入勵(lì)磁電流，方向如圖1中虛線(xiàn)所示；然后開(kāi)啟拖動(dòng)機(jī)組導(dǎo)葉，向被拖動(dòng)機(jī)組提供定子電流，驅(qū)動(dòng)被拖動(dòng)機(jī)組運(yùn)行。

圖1 BTB啟動(dòng)過(guò)程示意圖

圖1中：T為中性點(diǎn)接地變壓器；D為中性點(diǎn)刀閘(隔離開(kāi)關(guān))；R為二次側(cè)電阻器；CT為電流互感器；L為銅質(zhì)母線(xiàn)；GND為地。

BTB啟動(dòng)機(jī)組抽水流程如下。

①操作系統(tǒng)選擇拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組。將選擇的兩臺(tái)機(jī)組通過(guò)啟動(dòng)母線(xiàn)連接在一起，并確定拖動(dòng)機(jī)組是否具備啟動(dòng)條件。

②拖動(dòng)機(jī)組滿(mǎn)足BTB啟動(dòng)條件以后，打開(kāi)拖動(dòng)機(jī)組中性點(diǎn)刀閘和換相刀閘，閉合拖動(dòng)機(jī)組的拖動(dòng)刀閘。

③被拖動(dòng)機(jī)組滿(mǎn)足BTB啟動(dòng)條件以后，被拖動(dòng)機(jī)組將換相刀閘投向抽水方向，閉合被拖動(dòng)機(jī)組的拖動(dòng)刀閘。

④閉合拖動(dòng)機(jī)組出口斷路器，使兩臺(tái)機(jī)組之間建立電氣連接。然后，拖動(dòng)機(jī)組開(kāi)啟輔機(jī)和球閥，被拖動(dòng)機(jī)組開(kāi)啟輔機(jī)壓水。

⑤被拖動(dòng)機(jī)組和拖動(dòng)機(jī)組被投入恒定的勵(lì)磁電流，使兩臺(tái)機(jī)組之間建立起同步電磁力矩。拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)調(diào)速器開(kāi)啟導(dǎo)葉，被拖動(dòng)機(jī)組在同步電磁力矩的作用下與拖動(dòng)機(jī)組一同加速。

⑥被拖動(dòng)機(jī)組同期裝置啟動(dòng)，調(diào)節(jié)拖動(dòng)機(jī)組調(diào)速器和勵(lì)磁裝置，直至滿(mǎn)足同期并網(wǎng)條件后，閉合被拖動(dòng)機(jī)組出口斷路器，打開(kāi)拖動(dòng)機(jī)組出口斷路器，解除電氣連接。

⑦打開(kāi)拖動(dòng)機(jī)組拖動(dòng)刀閘，關(guān)閉調(diào)速器和球閥，閉合中性點(diǎn)刀閘，拖動(dòng)機(jī)組進(jìn)入停機(jī)穩(wěn)態(tài)；與此同時(shí)，被拖動(dòng)機(jī)組收到拖動(dòng)機(jī)組分拖動(dòng)刀閘信號(hào)后，打開(kāi)啟動(dòng)刀閘，并根據(jù)設(shè)定進(jìn)入抽水調(diào)相工況運(yùn)行[2-4]。

2 中性點(diǎn)接地刀閘在BTB啟動(dòng)中的作用

在機(jī)組實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的切換控制是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要措施。在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行或處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，機(jī)組的中性點(diǎn)接地刀閘為閉合狀態(tài)。裝設(shè)有多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的電站中，若其中有幾臺(tái)處于檢修狀態(tài)，那么正常運(yùn)行的設(shè)備中性點(diǎn)就存在位移電壓。這樣運(yùn)行設(shè)備存在的位移電壓就有可能通過(guò)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)傳導(dǎo)給檢修的設(shè)備，形成危險(xiǎn)電壓。因此，當(dāng)機(jī)組處于停電檢修狀態(tài)時(shí)，為了防止系統(tǒng)發(fā)生接地等事故，應(yīng)打開(kāi)檢修機(jī)組的中性點(diǎn)接地刀閘。

上文分析了中性點(diǎn)接地刀閘在系統(tǒng)控制中的基本用途。除此之外，中性點(diǎn)刀閘的正確分合對(duì)BTB的正常啟動(dòng)至關(guān)重要。在BTB啟動(dòng)過(guò)程中，拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)被拖動(dòng)機(jī)組時(shí)，機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制單元(local control unit,LCU)發(fā)出打開(kāi)拖動(dòng)機(jī)組中性點(diǎn)接地刀閘的指令，中性點(diǎn)刀閘動(dòng)作處于分開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，被拖動(dòng)機(jī)組的中性點(diǎn)接地刀閘處于閉合狀態(tài)。當(dāng)拖動(dòng)完成后，拖動(dòng)機(jī)組中性點(diǎn)接地刀閘由LCU發(fā)令恢復(fù)至合閘狀態(tài)。

①在啟動(dòng)時(shí)，若不打開(kāi)拖動(dòng)機(jī)組中性點(diǎn)刀閘，將使拖動(dòng)機(jī)組及被拖動(dòng)機(jī)組的100%接地保護(hù)同時(shí)作用。在低頻運(yùn)行時(shí)，流過(guò)定子的少量低頻不平衡電流會(huì)造成定子100%接地保護(hù)誤動(dòng)。

②在拖動(dòng)機(jī)進(jìn)入停機(jī)過(guò)程時(shí)，為確保機(jī)組安全，中性點(diǎn)接地刀閘的合閘時(shí)序十分重要。如果在勵(lì)磁退出前閉合中性點(diǎn)刀閘，閉合過(guò)程中可能因機(jī)組發(fā)生故障而損壞刀閘。如果在勵(lì)磁退出后立即恢復(fù)中性點(diǎn)，可能在中性點(diǎn)刀閘還沒(méi)有完全閉合的情況下投入電氣制動(dòng)，而此時(shí)機(jī)組帶勵(lì)磁，則中性點(diǎn)刀閘有可能被損壞。因此，在停機(jī)過(guò)程中，拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降后不投入電氣制動(dòng)，而投入機(jī)械制動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速降為零時(shí)，閉合中性點(diǎn)接地刀閘。這樣可以避免損毀設(shè)備，保證機(jī)組的安全。

3 中性點(diǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在抽水蓄能電站中，中性點(diǎn)機(jī)構(gòu)由2個(gè)部分組成。中性點(diǎn)設(shè)備柜和中性點(diǎn)刀閘操作機(jī)構(gòu)控制箱。

3.1 中性點(diǎn)設(shè)備柜

中性點(diǎn)設(shè)備柜由銅質(zhì)母線(xiàn)、中性點(diǎn)刀閘、二次側(cè)電阻器、中性點(diǎn)接地變壓器及電流互感器等裝置組成。中性點(diǎn)設(shè)備連接模型如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)設(shè)備連接模型

為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，柜體選型為ZXD-20。根據(jù)機(jī)組額定電壓和發(fā)電機(jī)組電壓回路對(duì)地電容等參數(shù)，對(duì)T、R和CT進(jìn)行配置，使之滿(mǎn)足相互匹配的原則。經(jīng)計(jì)算，中性點(diǎn)設(shè)備型號(hào)和參數(shù)如表1所示。

表1 中性點(diǎn)設(shè)備型號(hào)和參數(shù)

3.2 中性點(diǎn)刀閘操作機(jī)構(gòu)控制箱

中性點(diǎn)刀閘操作機(jī)構(gòu)控制箱作為中性點(diǎn)設(shè)備柜的配套裝置，主要用于控制設(shè)備柜內(nèi)中性點(diǎn)刀閘的分合。上文已詳細(xì)討論了中性點(diǎn)刀閘的正確分合對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行的影響，特別是在BTB啟動(dòng)過(guò)程中的重要作用。因此，設(shè)計(jì)一套安全可靠、易于操作的中性點(diǎn)刀閘控制機(jī)構(gòu)有著重要的實(shí)際意義[5]。

根據(jù)中性點(diǎn)設(shè)備柜內(nèi)中性點(diǎn)刀閘的型號(hào)和參數(shù)指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際刀閘的機(jī)械連接方式，利用Solidworks軟件仿真出操作機(jī)構(gòu)控制箱與中性點(diǎn)刀閘的連接。中性點(diǎn)刀閘操作機(jī)構(gòu)連接如圖3所示。圖3中，中性點(diǎn)刀閘與操作機(jī)構(gòu)控制箱通過(guò)外部的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。

圖3 中性點(diǎn)刀閘操作機(jī)構(gòu)連接示意圖

依據(jù)Solidworks軟件仿真的結(jié)果，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制箱的平面圖。控制箱包括CPU、減速機(jī)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA、分合閘按鈕SB、斷相與相序保護(hù)繼電器GDH、溫濕度顯示器EHD等元器件。本著箱內(nèi)方便布線(xiàn)的原則，合理設(shè)計(jì)了各元器件的位置。

控制箱內(nèi)的輸出軸作為轉(zhuǎn)矩的輸出裝置，直接影響著連桿機(jī)構(gòu)的操作是否順暢，最終關(guān)系到中性點(diǎn)刀閘能否可靠地分合到位。據(jù)此，確定輸出軸、電機(jī)和減速機(jī)三者之間的位置關(guān)系。根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的特性，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定了控制箱輸出軸的實(shí)際安裝位置。輸出軸采用側(cè)面安裝,具有噪音小的特點(diǎn)。

4 中性點(diǎn)刀閘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 中性點(diǎn)刀閘控制系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)

為配合中性點(diǎn)刀閘操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其刀閘控制功能，設(shè)計(jì)了中性點(diǎn)刀閘控制系統(tǒng)。中性點(diǎn)刀閘控制系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4中主要包括3個(gè)回路：電機(jī)回路、控制回路和溫濕度控制回路，所需電源分別為AC 380 V(50 Hz)、DC 220 V和AC 220 V?？刂苹芈钒ìF(xiàn)地自動(dòng)和遠(yuǎn)方自動(dòng)2種工作方式。為保障在電源掉線(xiàn)后依然可以操作機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手柄進(jìn)行分合閘的現(xiàn)地手動(dòng)模式，保證了緊急情況下機(jī)構(gòu)的正常操作。

圖4 中性點(diǎn)刀閘控制系統(tǒng)原理圖

圖4中，M為永磁同步電機(jī)。電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如下：額定電壓為AC 380 V；額定功率為37 W；額定電流為1.7 A；額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min；啟動(dòng)電流為≤10 A。

GDH是電機(jī)綜合保護(hù)器。該保護(hù)器是根據(jù)隔離開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)的,采用電流檢測(cè)技術(shù),無(wú)需外電源，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的對(duì)稱(chēng)性故障(如過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等)及非對(duì)稱(chēng)性故障(如斷相、電流不平衡等)有可靠的保護(hù)功能。其輸出接口采用無(wú)源觸點(diǎn)的固態(tài)式電子開(kāi)關(guān)，故檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)不能簡(jiǎn)單地用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量，在檢測(cè)其他線(xiàn)路時(shí)可將接點(diǎn)GDH-1/GDH-2短接。EHD是溫濕度自動(dòng)控制器，可自動(dòng)控制調(diào)節(jié)潮濕環(huán)境下箱體的溫濕度，使元器件持續(xù)正常運(yùn)行。

4.2 中性點(diǎn)刀閘控制策略

水輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型、制動(dòng)器模型和導(dǎo)流渦輪模型3種，通過(guò)試驗(yàn)得到靜特性、恒轉(zhuǎn)差、頻率死區(qū)、繼電器響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)[6]。

根據(jù)水輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理和中性點(diǎn)接地刀閘的機(jī)械特性，運(yùn)用MATLAB建模平臺(tái)，利用改進(jìn)的遺傳算法(genetic algorithm,GA)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型識(shí)別，所建模型符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

刀閘的輸出力矩方程為：

(1)

刀閘控制電機(jī)作用力模型為：

(2)

式中:I為激勵(lì)電流;h為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù);x0為目標(biāo)位置;x為當(dāng)前位置。

(3)

對(duì)式(3)作拉普拉斯變換：

k1I(s)=ms2X(s)+ksX(s)-k2X(s)

(4)

激勵(lì)電流對(duì)電機(jī)控制電壓的傳遞函數(shù)為：

(5)

式中:L為轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)線(xiàn)圈電感;R為電機(jī)線(xiàn)圈的電阻值。

通過(guò)以上推導(dǎo)，最終可得到控制時(shí)間與角度之間的傳遞函數(shù)：

(6)

系統(tǒng)特征方程為:

mLs3+(Lk+mR)s2+(Rk-Lk2)s-Rk2=0

(7)

二階閉環(huán)特性方程為:

s2-(0.003 8-52.202 5Kd)s-0.041 7+

52.202 5Kp=0

(8)

對(duì)于二階控制系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)的性能進(jìn)行極點(diǎn)配置。根據(jù)系統(tǒng)性能要求，假設(shè)系統(tǒng)的理想超調(diào)量為1%、調(diào)節(jié)時(shí)間為0.1 s，則理想的特征方程為:

s2+80s+3 358=0

(9)

利用MATLAB仿真模塊得到傳遞函數(shù)階躍的響應(yīng)仿真曲線(xiàn)。中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)間和角度仿真曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)間和角度仿真曲線(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制方法不僅有效地增強(qiáng)了操縱區(qū)域，而且實(shí)現(xiàn)了角度控制。因此，所提出的復(fù)合控制方法以及設(shè)計(jì)的控制器是可行的。

4.3 中性點(diǎn)刀閘操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該中性點(diǎn)刀閘操作系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速裝置,帶動(dòng)輸出軸工作，輸出軸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)分合刀閘，具備掉電保護(hù)、缺相保護(hù)、電機(jī)過(guò)流保護(hù)、過(guò)力矩保護(hù)、位置越限保護(hù)等功能[7]?？刂葡到y(tǒng)的工作方式分為以下三種。

(1)現(xiàn)地手動(dòng)方式。

現(xiàn)地手搖操作電動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(QC)合在“切除”位置。將手柄插入電動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸桿，順時(shí)針或者逆時(shí)針搖動(dòng)，即可進(jìn)行相應(yīng)的分、合閘操作。操作時(shí)，需注意觀(guān)察刀閘到位情況，以免損壞限位開(kāi)關(guān)。

(2)現(xiàn)地自動(dòng)方式。

現(xiàn)地電動(dòng)操作電動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(QC)合在“就地”位置。

①電動(dòng)分閘：按下分閘按鈕(SB3)，分閘接觸器(KM2)線(xiàn)圈接通：接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合并自鎖，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速裝置，主軸逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與主軸相連的隔離開(kāi)關(guān)分閘。當(dāng)主軸接近分閘終點(diǎn)位置時(shí)，裝在主軸上的定位件使終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)分開(kāi)，切斷分閘接觸器的控制線(xiàn)圈電源,接觸器主觸點(diǎn)打開(kāi)，切斷電動(dòng)機(jī)電源，機(jī)械限位裝置使機(jī)構(gòu)限制在分閘位置。

②電動(dòng)合閘：按下合閘按鈕(SB1)，合閘接觸器(KM1)線(xiàn)圈接通，接觸器主觸點(diǎn)閉合并自鎖,使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速裝置，主軸順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與主軸相連的隔離開(kāi)關(guān)合閘。當(dāng)主軸接近合閘終點(diǎn)位置時(shí)，裝在主軸上的定位件使終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)分開(kāi)，切斷合閘接觸器的控制線(xiàn)圈電源,接觸器主觸點(diǎn)打開(kāi),切斷電動(dòng)機(jī)電源，機(jī)械限位裝置使機(jī)構(gòu)限制在合閘位置。

③電動(dòng)停止：在分、合閘過(guò)程中，需要中途停止時(shí)，可按下停止按鈕(SB2),切斷控制電源。

(3)遠(yuǎn)程自動(dòng)方式。

在遠(yuǎn)程工作模式下，機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過(guò)可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)操作中性點(diǎn)閘刀的分合，并通過(guò)PLC將閘刀的位置狀態(tài)上送至監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程操作電動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(QC)合在“遠(yuǎn)程”位置，電動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)接收到的由機(jī)組發(fā)送的“合閘”或者“分閘”信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，到位之后自動(dòng)停止。

PLC主要輸入輸出信號(hào)如表2所示。

表2 PLC主要輸入輸出信號(hào)

在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，總結(jié)了中性點(diǎn)分合閘狀態(tài)位與輸出軸的關(guān)系。操作機(jī)構(gòu)在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)輸出軸在上下限位時(shí)，刀閘能夠分合到位，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[8]。

傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，不能及時(shí)地反饋合分閘是否到位，只是以上下限機(jī)械位作為單一的開(kāi)關(guān)量判斷。由于抽水蓄能電站在抽水和發(fā)電的工況下，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置偏移，經(jīng)常出現(xiàn)已收到合分閘到位信號(hào)但是閘刀尚未到位的情況，導(dǎo)致故障報(bào)警，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。在出現(xiàn)故障時(shí)，用旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x測(cè)量了刀閘實(shí)際位置與合分閘到位位置之間的夾角(設(shè)定合閘到位位置為0°，分閘到位位置為150°)。分、合閘過(guò)程發(fā)生6次故障時(shí)，刀閘位置與到位位置之間的夾角和所需時(shí)間如表3所示。

表3 刀閘位置與到位位置之間的夾角和所需時(shí)間

本文設(shè)計(jì)的操作機(jī)構(gòu)解決了刀閘分合不到位的問(wèn)題，在輸出軸上加裝了角度傳感器，能夠準(zhǔn)確測(cè)量輸出軸的偏移量。輸入偏移量到控制器中，控制器程序自動(dòng)校正輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。轉(zhuǎn)動(dòng)角度模擬信號(hào)與上下限位開(kāi)關(guān)信號(hào)共同用于判斷刀閘是否分合到位，形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)不到位的情況，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障報(bào)警，有效地提高了運(yùn)行的安全性。此外，該設(shè)計(jì)優(yōu)化了轉(zhuǎn)動(dòng)軸與連桿機(jī)構(gòu)的連接位置，除用螺栓固定外，還加裝了U形卡，有效防止了機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)帶來(lái)的影響，縮短了分合閘到位所需的時(shí)間，提高了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性[9]。

在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)計(jì)的中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)能夠精確地實(shí)現(xiàn)刀閘的分合到位。改進(jìn)后中性點(diǎn)機(jī)構(gòu)分合閘到位位置與輸出軸的關(guān)系如表4所示。

表4 改進(jìn)后中性點(diǎn)機(jī)構(gòu)分合閘到位位置與輸出軸的關(guān)系

傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)在正常運(yùn)行下，傳統(tǒng)中性點(diǎn)機(jī)構(gòu)分合閘到位位置與輸出軸的關(guān)系如表5所示。

表5 傳統(tǒng)中性點(diǎn)機(jī)構(gòu)分合閘到位位置與輸出軸的關(guān)系

由以上分析可知，與傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)相比，本文設(shè)計(jì)的操作機(jī)構(gòu)具有分合閘速度快、分合閘位置精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)對(duì)控制刀閘的正確分合和分合到位起到了至關(guān)重要的作用，直接影響著發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行[10]。

本文從機(jī)組BTB啟動(dòng)的基本原理及中性點(diǎn)接地刀閘在其中的用途入手，分析了其分合閘的正確時(shí)機(jī)及工作原理。針對(duì)傳統(tǒng)中性點(diǎn)操作機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)Solidworks及MATLAB建模進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。這套中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)具有控制方式靈活、保護(hù)功能齊全、控制策略?xún)?yōu)良等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地刀閘操作機(jī)構(gòu)相比，優(yōu)勢(shì)明顯：工作性能良好，連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作平順，滿(mǎn)足實(shí)際工況要求；大大降低了發(fā)電機(jī)組的故障率及事故率；溫濕度加熱器降低了潮濕環(huán)境對(duì)電氣元件的影響，進(jìn)一步提高了設(shè)備整體運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期效果，節(jié)省了設(shè)備維護(hù)成本。經(jīng)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，該操作系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。