揚水泵站中變頻器機組閉鎖設(shè)計的應(yīng)用

李曉剛 潘自林

摘 要：本文對變頻器與液控蝶閥的聯(lián)動控制進行探究，以確保在變頻器出現(xiàn)各種故障跳閘時，液控蝶閥可以迅速動作，消除水錘，確保揚水工程安全穩(wěn)定運行，減少不必要的財產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：變頻器;揚水泵站;液控蝶閥

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0035-03

Abstract： This paper explores the linkage control of frequency converter and hydraulic control butterfly valve， so as to ensure that when the frequency converter trips due to various faults， the hydraulic control butterfly valve can act quickly， eliminate water hammer， ensure the safe and stable operation of water lifting project and reduce unnecessary property losses.

Keywords： frequency converter;pumping station;hydraulic control butterfly valve

揚水泵站作為一項民生設(shè)施，普遍存在于我國西北干旱地區(qū)。近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，以及相關(guān)部門對地下水資源保護的重視和開采限制，對地表水資源的利用提出了更高的要求，為此，需要更新改造老舊泵站，提高輸水能力和供水保障率，鞏固西北地區(qū)脫貧攻堅成果[1]。

為了提高改擴建泵站的運行效率，降低能耗，減少多級泵站水量匹配過程中的開停機次數(shù)，變頻裝置被越來越多地應(yīng)用到水利梯級揚水泵站中?，F(xiàn)有的關(guān)于各類水利工程變頻裝置應(yīng)用的研究中，闡述的重點有兩方面：一方面是描述配置變頻裝置在機組啟動時對電網(wǎng)的沖擊是如何減小的，減小的程度有多大;另一方面是闡述變頻裝置在調(diào)流和降低能耗方面的作用[2]。目前，較少有人關(guān)注增加變頻裝置后可能出現(xiàn)的問題，例如，若變頻裝置出現(xiàn)故障導(dǎo)致跳閘，而液控蝶閥未能聯(lián)動關(guān)閉，將會發(fā)生倒流，造成水錘破壞，輕則水泵倒轉(zhuǎn)達到飛逸轉(zhuǎn)速，重則水泵損壞，淹沒泵房。

近年來，變頻器也逐漸被應(yīng)用于西北地區(qū)揚水泵站工程中。研究者所接觸到的安裝有變頻器的揚水泵站投入生產(chǎn)運行也只有僅僅兩年的時間，相關(guān)單位對變頻器在揚水泵站的應(yīng)用及運行方式仍處于探索階段。本文嘗試對變頻器與液控蝶閥的聯(lián)動控制進行探究，以確保在變頻器出現(xiàn)各種故障跳閘時，液控蝶閥可以迅速動作，消除水錘，確保揚水工程安全穩(wěn)定運行，減少不必要的財產(chǎn)損失。

1 變頻器原理介紹

交流電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：

式中：[n]為異步電動機的轉(zhuǎn)速;[f]為異步電動機的頻率;[s]為電動機轉(zhuǎn)差率;[p]為電動機極對數(shù)。從式（1）可以看出，轉(zhuǎn)速[n]和頻率[f]成正比，只要改變頻率[f]即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率[f]在0～50 Hz變化時，電動機的轉(zhuǎn)速也會隨之一起變化。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是一種理想的高效率、高性能、可靠的調(diào)速手段。

變頻器使用最多的變頻調(diào)速裝置是電壓型變頻調(diào)速器，由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。變頻器首先將三相交流電經(jīng)橋式整流裝置整為直流電，脈動的直流電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下，用逆變器將直流電在逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源，輸出到需要調(diào)速的電動機上。電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過變頻器可任意改變電源輸出頻率，從而任意調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。

2 應(yīng)用變頻器的優(yōu)點

在揚水泵站中，經(jīng)常出現(xiàn)空管道開機上水的情況。利用變頻器之前，泵站都是利用小流量泵壓閥對管道進行充水，以避免電動機過載，降低能源消耗。而利用變頻器不僅可以代替小流量泵的充水功能，而且可以避免初充水時電機過力矩情況的發(fā)生。

變頻機組的應(yīng)用可以有效減小噪聲;降低轉(zhuǎn)差率以及電機溫升、振動;實現(xiàn)設(shè)備軟啟動，消除啟動沖擊，改善設(shè)備機械性能，大幅度降低設(shè)備損耗，延長設(shè)備使用壽命，減少維護費用;有效抑制電路諧波的產(chǎn)生，與異步電動機、同步電動機交叉使用形成容性互補，提高功率因數(shù)，減少無功功率，節(jié)約功率因數(shù)補償設(shè)備的投資費用等。將其應(yīng)用于梯級揚水泵站中，還可以有效調(diào)節(jié)級間流量匹配，減少開停機次數(shù)，延長設(shè)備使用壽命，降低泵站運行能耗。

3 應(yīng)用變頻器的過程中存在的問題

在揚水泵站中，液控蝶閥作為閉路閥和止回閥，用于避免和減少管路系統(tǒng)中介質(zhì)的倒流和產(chǎn)生過大的水擊，以保護管路系統(tǒng)安全運行。液控蝶閥存在三個工作位置可做切換，分別為“現(xiàn)地”“聯(lián)動”“遠控”。“現(xiàn)地”模式是做調(diào)試用的，不考慮聯(lián)動及閉鎖，僅僅在“聯(lián)動”“遠控”兩個模式下進行。

原有設(shè)計是在開關(guān)柜斷路器輔助節(jié)點上各取一個常開、常閉節(jié)點，接入液控蝶閥“聯(lián)動”位置下的開閥和關(guān)閥回路中，以實現(xiàn)在“聯(lián)動”位置與開關(guān)柜的聯(lián)動閉鎖功能，即電動機斷路器QF合閘時，液控蝶閥延時開啟;電動機斷路器QF斷開時，液控蝶閥關(guān)閉。在液控蝶閥“遠程”模式下，取關(guān)閥“75°”（閥位15°信號，0°為全關(guān)，90°為全開）常開輔助節(jié)點信號接入開關(guān)柜跳閘回路中，實現(xiàn)當液控蝶閥故障關(guān)閥或“遠控”位置關(guān)閥時，開關(guān)柜斷路器可以聯(lián)動跳閘斷開[3]。

在加入變頻器后，接線原理如圖1所示。電動機電源由原有的開關(guān)柜直接供電，變成了開關(guān)柜供電到變頻器，再由變頻器輸出給電動機。維持原有閉鎖設(shè)計，在“聯(lián)動”模式下，開關(guān)柜QF合閘后，變頻器還未完全啟動輸出動力給電動機，而液控蝶閥已經(jīng)開啟，會造成管道水倒流、電機過載，嚴重的會在啟動瞬間造成斷軸;每次停機時，無論是在“聯(lián)動”還是“遠程”模式，都只能通過斷開QF，聯(lián)動液控蝶閥關(guān)閉，防止水錘發(fā)生，維護系統(tǒng)安全運行。但是，變頻器高壓側(cè)頻繁地突然斷電，會使變頻器頻繁進入故障狀態(tài)，縮短使用壽命，增加維護成本。此外，還有一種特殊情況，即當變頻器的KM2開關(guān)因變頻器自身故障分閘或其他外部原因造成分閘（此處不做贅述），而旁路柜KM3又沒有自動合閘，無法為電動機繼續(xù)供電時，水泵將失去動力來源。而此時斷路器QF處于合閘狀態(tài)，液控閥不能聯(lián)動關(guān)閥，起不到保護作用，將會造成機組倒轉(zhuǎn)，甚至達到飛逸轉(zhuǎn)速，這會嚴重損壞設(shè)備，甚至造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失[4]。變頻機組接線原理如圖2所示。

4 解決建議

解決此類問題，應(yīng)該改善原有閉鎖功能，并增加新的閉鎖功能。對原有液控閥和高壓開關(guān)柜的閉鎖功能進行修改[5-6]，具體如下。

在液控蝶閥“聯(lián)動”模式下，應(yīng)實現(xiàn)以下兩個功能：①聯(lián)動開閥。取KM2、KM3常開輔助接點，并聯(lián)接入蝶閥開閥回路中，在KM2和KM3正常合閘后由蝶閥PLC控制液控蝶閥延時打開，具體延時時間應(yīng)根據(jù)實際運行工況計算確定。②聯(lián)動關(guān)閥。取KM2、KM3常閉輔助接點，串聯(lián)接入蝶閥關(guān)閥回路中，當KM2、KM3斷開后，可實現(xiàn)蝶閥的自動關(guān)閥，有效消除水錘作用。

同樣，變頻器內(nèi)部控制中，取KM2的常閉接點，進入變頻控制器中，當KM2分閘后，應(yīng)立刻按照正常關(guān)機程序，斷開KM1;再取KM1、KM3的常閉接點，串聯(lián)接入開關(guān)柜的跳閘回路中，以實現(xiàn)變頻器或旁路柜出現(xiàn)故障時，可以及時斷開QF開關(guān)斷路器。這樣可避免變頻器高壓側(cè)突然掉電使變頻器進入故障狀態(tài)，下次開機時無法直接遠程控制開機，延長設(shè)備使用壽命[7]。

在液控蝶閥“遠程”模式下，取關(guān)閥“75°”信號，接入變頻器控制系和旁路柜的跳閘回路中，當信號接通時，變頻器控制器可以斷開KM2或旁路柜可以跳開自身斷路器KM3，以便可以及時切斷電動機動力[8]。

5 結(jié)語

將變頻器引入水利工程行業(yè)，可利用其調(diào)速作用有效減少揚水泵站的開停機次數(shù)，提高運行效率，降低能源單耗，值得大力推廣應(yīng)用。但也應(yīng)該充分考慮變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及加入變頻器后，一次接線圖發(fā)生的變化，應(yīng)根據(jù)運行工況優(yōu)化電氣設(shè)計方案，完善與液控蝶閥的聯(lián)動方式，減少人為干擾因素，實現(xiàn)系統(tǒng)全自動事故響應(yīng)，確保泵站安全穩(wěn)定運行。

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