水电站辅机设备及PLC控制

主要内容 辅机系统的原理及作用 辅机系统控制 辅机常用设备 PLC在辅机控制中的应用 两台泵轮换程序介绍

辅机系统的原理及作用 1 油系统 分类：水电站用油主要有润滑油和绝缘油。润滑油包括透平油、压缩机油、机械油和润滑脂；绝缘油包括变压器油、开关站油和电缆油。 油作用：透平油的作用有润滑、散热和液压操作。（轴承润滑、轴承冷却、调速器导叶等控制），绝缘油在设备中的作用是绝缘、消弧和散热。 油系统：是用管网把用油、贮油、油处理设备连接起来所组成的油务系统。

油系统的作用：接受新油； 贮备净油； 给设备充油； 给运行设备添油； 从设备中排出污油； 污油净化处理； 油的监督与维护； 收集和保存废油； 油系统组成： 　油库、油处理室、油化验室、油再生设备、管网和测量及控制元件。

气系统： 分类：厂内高压气系统、厂内低压气系统厂外高压气系统、厂外低压气系统。 气系统：是由空气压缩装置（空压机及其附属设备）、管网和测量控制元件组成。 气系统作用：是满足用户对压缩空气的气量和质量（压力、清洁及干燥）的要求。 厂内高压气：系统压力为2.5~4MPa，供油压装置压油槽用气。 厂内低压气系统：压力为0.7MPa，供机组停机制动、调相压水、风动工具及吹扫用气，及水导轴承检修密封围带、蝴蝶阀止水围带充气。

厂内低压气系统供以下设备用气： 机组制动供气： 在停机过程中，当转速下降到35%nr时，通常用压缩空气通入制动闸，强迫机组停止转动。制动装置供气系统，主要由制动闸、制动柜及供气管网组成部分。制动闸一般装置在发电机下机架上或水轮机顶盖的推力轴承油槽支架上。 机组调相压水供气： 在电力系统中，常选用距离负荷中心较近，年利用小时数不高的水轮发电机组作调相机运行，向系统输送超负荷运转功率，以提高电力系统的功率因素和保持电压水平。在调相运行时，为了减少电能消耗，通常采用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转。

风动工具、防冻吹冰供气： 水电站机组及其它设备检修时，常使用各种风动工具，常采用压缩空气除尘、吹污、吹扫。因此需用风动工具和其它工业供气。 空气围带供气： 水轮机常用空气围带止水，如水导轴承检修密封围带充气、蝴蝶阀止水围带充气等。

厂内高压气系统供以下设备用气： 油压装置压油槽是机组调节系统和机组控制系统的一种能源，也是进水阀、调压阀和电磁液压阀的能源。在压油槽（罐）容积中30~40%是透平油，60~70%是压缩空气。由于压缩空气具有弹性和可贮存压能，所以能保证和维持调节系统及其它设备操作所需的工作压力。 配电装置供气，主要是空气断路器、气动隔离开关及压缩空气操作的油开关。

3 供水系统： 分类：水电站的供水包括技术供水、消火供水和生活供水。 作用：发电机空气冷却器的冷却，发电机推力轴承及导轴承油冷却器的冷却，水轮机导轴承的润滑冷却，调节系统油压装置集油槽冷却器的冷却，水冷式变压器的冷却，水冷式空气压缩机的冷却，等等 技术供水的水源：有上游水库、下游尾水和地下水源。其中上游水库有压力钢管或蜗壳取水、坝前取水两种。 供水方式有自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水及其它供水方式。

排水系统 分类：生产用水的排水（一般列入技术供水系统之内），渗漏排水，检修排水，厂区排水。 作用：防止厂房内部积水和潮湿，保证机组过水部分和厂房水下部分检修。 渗漏排水： 电厂内渗漏排水是指排除厂房、机械设备的渗漏水和厂房下部设备的生产排水及生活的污水。它们经排水管或排水沟，依靠自流排入集水井，由液位信号器自动控制渗漏排水泵排至下游。水泵类型，常采用立式深井泵、卧式离心泵、射流泵等型式。

检修排水： 主要是检修时排出尾水管中的积水。水泵类型常用立式深井泵及离心泵。水泵台数应不少于两台，常用两台，无需备用泵，每台泵的扬程必须大于上、下游闸门漏水量之和，保持检修时尾水管无积水。排水方式：直接排水，常用离心泵；廊道排水，常用深井泵。

二 辅机系统控制 控制的要求及功能： 　辅机系统信号采集、状态显示、信号处理及自动控制、泵等设备运行次数及主备切换处理及外部通信等。 为了提高可靠性，辅机控制系统电源宜采用交流、直流两路输入，或两路交流输入。为了防止外部干扰损坏内部设备，宜采用两套开关电源，分别给PLC、人机界面等内部设备及I/O信号回路使用。

1 油系统 PLC按照预置程序完成对油压系统的自动测量控制，实现油泵电机的自动启停及工作、备用运行状态的自动切换，以维持压力油罐中的工作压力。当油面升高并达到补气油位时, 自动地控制补气阀组进行补气。压力油罐的油压、油位、回油箱油位及各种运行状态可在当地人机界面上显示，并通过硬接线或通信方式上送LCU。

２中／低压气系统 PLC按照预置程序完成对压力控制系统的自动测量控制，实现空气压缩机的自动启停和排污阀的开闭，以及两台空压机的工作、备用运行状态的自动切换，保证储气罐的正常工作压力。压力控制系统的储气罐压力值和各种运行状态，可在当地人机界面上显示，并通过硬接线或通信方式上送LCU。

３技术供水系统 PLC 按照预置程序完成对水位控制系统的自动测量控制，实现水泵电机的自动启停，以及水泵的工作、备用运行状态的自动切换以维持供水的正常运转，水位值和各种运行故障状态可在当地人机界面上显示，并通过硬接线或通信方式上送LCU。

４渗漏排水水系统 PLC 按照预置程序完成对水位控制系统的自动测量控制，实现水泵电机的自动启停，以及水泵的工作、备用运行状态的自动切换，以维持集水井的正常工作水位。水位控制系统的集水井水位和各种运行状态可在当地人机界面上显示，并通过硬接线或通信方式上送LCU。

５检修排水水系统 PLC 按照预置程序完成对水位控制系统的自动测量控制，实现水泵电机的自动启停，以及水泵的工作、备用运行状态的自动切换，以维持集水井的正常工作水位。水位控制系统的集水井水位和各种运行状态可在当地人机界面上显示，并通过硬接线或通信方式上送LCU。

三　辅机常用设备 1 软起动器 什么是软起动器： 　软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能与一体的新颖电机电机控制装置，被国外称为Soft Starter。它的主要构成是串联于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。 软起动器的工作方式： 　软起动器是一种减压起动器，既能保证电动机在负载要求的启动特性下平滑起动，降低电动机自身所承受的较大结构冲击力，又能降低对电网的冲击。软起动指的是装置输出电压按指定要求上升，使被控电机电压由零按指定斜率上升到全电压，转速相应地由零平滑加速至额定转速地过程。

传统减压起动方式： 　传统的减压起动方式有Y－△起动，自耦降压起动，电抗器起动等，最常用的是Y－△起动。 Y－△起动： 　在电机启动时将电机负载降低采用星型接线, 当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线，慢慢加载。 传统的启动方式存在以下几个问题: 对电网的冲击大,影响了电网供电质量,对变压器裕量要求较大； 对机械设备冲击大,降低设备使用寿命； Y—Δ启动的切换时间一般根据经验设定,对生产工艺要求稳启动的场合不宜采用；

软起动器的优点： 　软启动是使用调压装置在规定的启动时间内,自动地将启动电压连续、平滑地上升,直到达到额定电压。此时电动机的转矩就会平滑地增大,一直到转矩为最大值Mm时为止,启动过程结束。软启动可以使电动机启停自如,减少空转,有节能作用。 　软启动器具有下列优点： 减少冲击力,延长设备寿命； 根据不同负载选用不同启动方式以提高加/减速特性； 保护功能全面； 提高可靠性； 通过 修改参数,匹配不同的负载对象； 智能化,可以与PLC等相互通讯；

软起动的起动方式： 斜坡升压软起动： 这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。 斜坡恒流软起动： 这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。

阶跃起动: 开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。 脉冲冲击起动: 在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动,该起动方法。在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。

电动机的软停车: 电机停机时,传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的,但有许多应用场合，不允许电机瞬间关机。例如：高层建筑、大楼的水泵系统，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道，甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应，需要电机逐渐停机，即软停车，采用软起动器能满足这一要求。在泵站中，应用软停车技术可避免泵站的“拍门”损坏，减少维修费用和维修工作量。软起动器中的软停车功能是，晶闸管在得到停机指令后，从全导通逐渐地减小导通角，经过一定时间过渡到全关闭的过程。停车的时间根据实际需要在0~120s调整。

软起动器的主要保护功能： 过载保护功能： 软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。 缺相保护功能： 工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。 过热保护功能： 通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。

软起动器的旁路： 　　　软起动结束，旁路接触器闭合，使软起动器退出运行，直至停车时，再次投入，这样即延长了软起动器的寿命，又使电网避免了谐波污染，还可减少软起动器中的晶闸管发热损耗。

2 变频器: 什么是变频器: 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。 软起动器和变频器的区别: 变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。 。

变频器的应用:

3 接触器: 什么是接触器: 接触器是一种应用广泛的开关电器。接触器主要用于频繁接通或分断交、直流主电路和大容量的控制电路，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制及各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。 接触器的分类: 接触器按被控电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。交流接触器又可分为电磁式和真空式2种。

交流接触器的结构: 电磁系统：电磁系统包括电磁线圈和铁心，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。 触点系统：触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流，而辅助触点是在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。 灭弧系统：灭弧装置用来保证触点断开电路时，产生的电弧可靠的熄灭，减少电弧对触点的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧，通常接触器都装有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有吹弧回路。 其它部分：有绝缘外壳、弹簧、短路环、传动机构。

交流接触器的工作原理: 当接触器电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触点保持断开位置。当电磁线圈通过控制回路接通控制电压(一般为额定电压)时，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心，带动主触点闭合，接通电路，辅助接点随之动作。

热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。 热继电器的结构: 4 热继电器: 什么是热继电器: 热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。 热继电器的结构: 热继电器主要由热元件、双金属片和触点组成，如图所示，热元件由发热电阻丝做成。双金属片由两种热膨胀系数不同的金属辗压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。使用时，把热元件串接于电动机的主电路中,而常闭触点串接于电动机的控制电路中。 1-热元件 2-金属片 3-导板 4-常闭触点

热继电器的工作原理: 当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使热继电器的触点动作。当电动机过载时，双金属片弯曲位移增大，推动导板使常闭触点断开，从而切断电动机控制电路以起保护作用。热继电器动作后一般不能自动复位，要等双金属片冷却后按下复位按钮复位。热继电器动作电流的调节可以借助旋转凸轮于不同位置来实现。 热继电器的缺点: 双金属片靠发热元件间接加热，热偶合较差；元件容易老化,双金属片的弯曲程度受环境温度影响较大，不能正确反映负载的过流情况。

5 塑壳断路器: 塑壳断路器结构: 塑壳断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。 塑壳断路器工作原理: 当短路时,大电流（一般10至12倍）产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短)。现在有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。

四 PLC在辅机控制中的应用 1 辅机PLC程序需实现的功能: 综合状态判断: 电磁阀全开/全关位、主泵具备启动条件等。 被控设备的启动、停止条件判断: 模入量、开入量均可作为设备启停条件，模入量信号优先。正常情况下以模入量信号作为启停的判断条件，当模入量品质坏时，使用开入量作为启停的判断条件。信号满足时，需进行一定的延时滤波（一般为1~2s），防止误信号。 设备运行次数、运行时间统计: 运行时间包括：时、分、秒。

主、备轮换: 能分别按运行次数、运行时间两种方式进行倒换，并能在触摸屏上进行选择。默认方式可在初始程序中设置。 运行次数轮换： 当主泵运行次数大于m次（m次数在初始程序中设置，可在触摸屏上修改），进行主备倒换。 运行时间轮换： 当主泵运行时间大于n小时（n小时数在初始程序中设置，可在触摸屏上修改），进行主备倒换。

通信功能: 送给外部系统的数据： 开入量：模件开入量、模件开出量、综合状态量、报警信息等。 模入量：模件模入量、综合模拟量（如设备运行次数、时间等），所有模入量均需转换成工程实际值，为保证测值精度，实际值需放大一定的倍数。 外部系统发送给辅机PLC的数据： 如:闸门的开度控制。

通信方式: 尽量采用MODBUS通讯规约（串口不支持MODBUS规约的PLC除外)。 物理连接: 使用CPU的RS232/485口与其它系统通信，当距离较远时需使用RS485方式，多套PLC也需通过RS485方式并联实现与其它系统的通信，同一RS485总线并联的PLC数不宜超过5套。

与触摸屏数据的交换: 需在触摸屏上显示：模件开入量、模件开出量、综合状态量、报警信息等、模件模入量、综合模拟量（如设备运行次数、时间等）。 控制方式: 主要有：设备自启控制流程、人工启、停设备控制流程（如监控系统通过硬接线、通信等方式发令，触摸屏发令，现地开关启停等）。

流程编写的注意事项: 设置一台泵（气机）的最大运行时间，超过泵（气机）的最大运行时间停泵并报警。防止传感器故障，水泵停不下来。 无论自动还是手动控制泵，都应有故障保护即故障停泵。 无论在手动还是自动状态，切回到停止位时，必须停泵和闭锁一切流程。 对于没有软启动器靠空开，接触器来控制泵的要在启动继电器动作后一直监视运行信号，如果中途运行信号消失，判断为故障，起备泵。 如果有电机保护器/热继电器（过流保护),当出现故障时（保护器的接点）必须保持住，并报警，直到现场人员来手动复归，无论实际故障信号是否消失。这样做是因为故障信号如果消失，泵具备启动条件又启动，这样造成泵频繁启动，急易损坏设备。 启动信号应该和没有停止信号串起来防止仪表故障时启动停止信号同时动作出现问题。