發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口事故門啟閉機(jī)事故的分析與改進(jìn)

龐友誼，易宏斌

（1. 中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司，湖北宜昌 443007；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站的核心裝置。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組或壓力鋼管發(fā)生事故時(shí)，為防止事故擴(kuò)大，必須迅速在2 min內(nèi)切斷水流，從而在進(jìn)水口必須設(shè)置閘門即事故閘門，而事故閘門啟閉機(jī)就是一種專用于操作快速下降事故閘門的一種啟閉設(shè)備。為保證事故閘門在事故時(shí)可以快速關(guān)閉，事故閘門啟閉機(jī)應(yīng)有現(xiàn)地操作和遠(yuǎn)方操作兩套系統(tǒng)，并應(yīng)配有可靠電源。

某天下午13時(shí)許，受冰雪天氣影響，某電站送出的工程4回500 kV線路均出現(xiàn)斷線或倒桿現(xiàn)象，造成電站機(jī)組或孤網(wǎng)運(yùn)行、或解列停機(jī)、或事故停機(jī)。在電站的機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員按下進(jìn)水口啟閉機(jī)事故落門遠(yuǎn)方按鈕后，進(jìn)水口啟閉機(jī)正常下降約3分鐘后，其主電源停電，后來主電源又來電，啟閉機(jī)發(fā)生“飛車”故障，造成電機(jī)、減速器等損壞事故。1#機(jī)組進(jìn)水口閘門非正常下閘，其固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)電機(jī)損壞兩臺(tái)、鋼絲繩受損、減速器也出現(xiàn)了故障。

1 事故分析

1.1 事故門啟閉機(jī)電控系統(tǒng)分析

該電控系統(tǒng)主要由施耐德昆騰（140系列）PLC、施耐德ATV71系列變頻器等構(gòu)成，如圖1。

控制回路見圖2。啟閉機(jī)控制分為現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)方控制。現(xiàn)地控制時(shí)，開關(guān)1SAH轉(zhuǎn)換到現(xiàn)地位置，通過開關(guān)3SAH的切換來實(shí)現(xiàn)閘門的提門或落門。遠(yuǎn)方控制時(shí)，開關(guān)1SAH轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)方位置，正常提門時(shí)：遠(yuǎn)方通過MB+通訊發(fā)出提門指令給PLC，PLC輸出模塊D01②點(diǎn)有輸出（見圖3），KC01得電動(dòng)作，提門繼電器1KA1得電動(dòng)作，工作制動(dòng)器繼電器1KM11得電動(dòng)作，安全制動(dòng)器繼電器1KM12延時(shí)（1KT）得電動(dòng)作,（見圖3），同時(shí)1#變頻器工作，工作制動(dòng)器打開、安全制動(dòng)器延時(shí)打開，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，閘門上升，閘門上升到頂部時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作，1KA01得電動(dòng)作，1KA3得電動(dòng)作，1KA3的1-6常閉觸點(diǎn)斷開，閘門停止上升。在其操作回路還串有變頻器故障繼電器1KA22、啟閉機(jī)過載繼電器KC06，即當(dāng)變頻器故障或啟閉機(jī)過載時(shí)，提門繼電器1KA1失電動(dòng)作，1#變頻器停止工作，工作和安全制動(dòng)器制動(dòng)，閘門停止。正常落門時(shí)情況與提門相似。

機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，緊急進(jìn)行事故落門，由啟閉機(jī)遠(yuǎn)方廠房給一個(gè)命令，使事故繼電器KA01得電動(dòng)作，不通過限位開關(guān)保護(hù)（1KA3的1-6常閉觸點(diǎn)）、變頻器故障繼電器1KA22（2-10常閉觸點(diǎn)）、啟閉機(jī)過載繼電器KC06（1-9常閉觸點(diǎn)）的保護(hù)而直接使落門繼電器1KA2得電動(dòng)作，1#變頻器工作，工作制動(dòng)器打開、安全制動(dòng)器延時(shí)打開，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，閘門落下（見圖3）。

1.2 事故過程分析

按照事故記錄表中的遠(yuǎn)方LCU記錄的1F進(jìn)水口閘門動(dòng)作記錄，事故發(fā)生的整個(gè)過程分析如下： 13：44：01操作人員在廠房機(jī)組LCU處，按下事故停機(jī)按鈕（圖3）； KA01動(dòng)作---1KA2動(dòng)作---正常落門），1秒鐘后（13：44：02）啟閉機(jī)的變頻器開始運(yùn)行，啟閉機(jī)的工作及安全制動(dòng)器相繼打開，啟閉機(jī)正常下降，8秒鐘后（13：44：10）1F進(jìn)水口2#事故門全開限位開關(guān)復(fù)位（原處于動(dòng)作狀態(tài)）、19秒鐘后（13：44：21）1F進(jìn)水口1#事故門全開限位開關(guān)復(fù)位、21秒鐘后（13：44：23）1F進(jìn)水口3#事故門全開限位開關(guān)復(fù)位；3分32秒后（13：47：35），啟閉機(jī)主電源（交流380 V）斷電，與此同時(shí)變頻器停止運(yùn)行（電機(jī)運(yùn)行復(fù)歸1KA21、2KA21、3KA21復(fù)位），制動(dòng)器斷電制動(dòng)；啟閉機(jī)主電源（交流380 V）斷電（13：47：35）48秒鐘（13：48：15）后，啟閉機(jī)主電源（交流380 V）來電，與此同時(shí)啟閉機(jī)安全和工作制動(dòng)器立即打開（因?yàn)橛兄绷?20 V的UPS不間斷電源供電從而使給PLC供電的24 V電源一直有電，即PLC一直處于正常工作狀態(tài)，造成KA01繼電器自保持見圖4；1KA2、2KA2、3KA2動(dòng)作見圖3；1KM11（2）、2KM11（2）、3KM11（2）動(dòng)作見圖3；1#啟閉機(jī)工作、安全制動(dòng)器立即打開），而此時(shí)變頻器一通電才進(jìn)入自檢過程，電機(jī)處于無電源、幾乎是自由落體狀態(tài)（除門槽、卷筒等有一定的阻力外），幾秒鐘后變頻器自檢過程完成 ，而此時(shí)PLC由于有直流220 V不間斷電源，繼電器KC02、KC10、KC18一直吸合，變頻器自檢過程完成后，變頻器進(jìn)入下降能耗制動(dòng)狀態(tài)，這對閘門起到一定的制動(dòng)作用，一定程度上控制了閘門的下降速度，但由于前面變頻器自檢過程中，閘門處于自由落體狀態(tài)，速度超過電機(jī)本身的極限速度，造成電機(jī)“飛車”（電機(jī)定子線圈被轉(zhuǎn)子上飛掉的平衡件所損壞），變頻器報(bào)“電機(jī)短路”故障，閘門繼續(xù)高速下降，直到閘門全關(guān)行程開關(guān)（1KA04、2K04、3KA04）動(dòng)作，工作及安全制動(dòng)器才閉合，但此時(shí)閘門的下降速度非?？欤苿?dòng)器已無法剎?。。ㄔ谥苿?dòng)盤上有高速剎車形成高溫而留下來的發(fā)藍(lán)痕跡）；2分鐘26秒后（13：50：39）1F進(jìn)水口3#事故門到底，2分鐘37秒后（13：50：50）1F進(jìn)水口1#事故門到底，2分鐘39秒后（13：50：52）1F進(jìn)水口2#事故門到底。

2 本事故門啟閉機(jī)在此次事故中暴露的問題

本事故門啟閉機(jī)在此次事故中暴露的設(shè)計(jì)方面問題：第一，設(shè)計(jì)時(shí)，未充分考慮到極端情況下，啟閉機(jī)運(yùn)行過程中，380 V交流主電源可能全部斷電（如本事故），在380 V交流主電源恢復(fù)時(shí)，按照此啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)，變頻器在還沒有建立力矩前（自檢過程），制動(dòng)器就立即打開，從而造成電機(jī)“飛車”事故；第二，此啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)，在380 V交流主電源全部斷電的情況下，事故門啟閉機(jī)的工作、安全制動(dòng)器均無法打開！也就是說：當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，而380 V交流主電源又全部斷電的情況下，事故門無法落下，起不到保護(hù)機(jī)組的作用！第三，在啟閉機(jī)輸入總電源處，沒有相序繼電器，無法防止電源缺相、相序反造成事故；第四，沒有零位、失壓保護(hù)功能，即在啟閉機(jī)處于現(xiàn)地手動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行過程中，如遇到380 V交流主電源斷電，而手動(dòng)開關(guān)3SAH未轉(zhuǎn)換到切除位置，當(dāng)380 V交流主電源再次來電時(shí)，啟閉機(jī)將立即啟動(dòng)，非常危險(xiǎn)。

3 本事故門啟閉機(jī)的改進(jìn)

根據(jù)本事故門啟閉機(jī)在此次事故中暴露的設(shè)計(jì)方面問題，我們對本事故門啟閉機(jī)進(jìn)行如下改進(jìn)。

第一，變頻器的運(yùn)行輸出信號(hào)接點(diǎn)應(yīng)串入制動(dòng)器的控制回路中，即變頻器自檢完成后有一個(gè)變頻器準(zhǔn)備好的信號(hào)輸出點(diǎn)，把該信號(hào)輸出點(diǎn)串入工作制動(dòng)器回路中（1KA1的7-11常開觸點(diǎn)與1KM11線圈之間，即串入一個(gè)1KA21的常開觸點(diǎn)），用于防止變頻器在還沒有建立力矩前（自檢過程），制動(dòng)器就打開，從而造成電機(jī)“飛車”事故；第二，為保證閘門在事故時(shí)可以快速關(guān)閉，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范（SDJ13-78）規(guī)定，快速閘門啟閉機(jī)，應(yīng)有就地操作和遠(yuǎn)方操作兩套系統(tǒng)，并應(yīng)配有可靠電源。由于機(jī)組發(fā)生事故時(shí)可能影響到啟閉機(jī)的交流電源供應(yīng)，遠(yuǎn)方操作系統(tǒng)一般采用由廠房內(nèi)蓄電池組供應(yīng)的直流電源。所以，為了當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，事故門能落下，起到保護(hù)機(jī)組的作用，又不會(huì)造成啟閉機(jī)等設(shè)備的損壞，宜采用快速事故門設(shè)計(jì)。第三，在啟閉機(jī)輸入總電源處，增加相序繼電器，防止電源缺相、相序反造成事故；第四，在隔離變壓器TC1的輸出端,加失壓保護(hù)回路，手動(dòng)提、落門轉(zhuǎn)換開關(guān)3SAH改用兩個(gè)按鈕分別控制手動(dòng)提、落門，從而實(shí)現(xiàn)零位、失壓保護(hù)功能。

4 結(jié)論

本事故門啟閉機(jī)由于設(shè)計(jì)上存在的問題，又碰到極端情況，造成了啟閉機(jī)“飛車”事故，啟閉機(jī)的減速器、電機(jī)、制動(dòng)器、鋼絲繩均受到損壞，不僅啟閉機(jī)本身需修復(fù)，而且還影響機(jī)組重新投產(chǎn)的時(shí)間，經(jīng)濟(jì)損失極大。

所以，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要從這起事故中汲取教訓(xùn)，綜合考慮各方面工況，完善各種安全保護(hù)，設(shè)計(jì)出既能滿足各種性能要求，又安全可靠的產(chǎn)品。由于水電站發(fā)電機(jī)進(jìn)水口事故門直接關(guān)系到機(jī)組發(fā)生事故時(shí)的安全問題，所以從本事故中可以看出，如事故門啟閉機(jī)采用固定式啟閉機(jī)形式，則宜采用卷揚(yáng)式快速閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)，從發(fā)展趨勢看，事故門啟閉機(jī)采用液壓啟閉機(jī)是一個(gè)很好的選擇。

[1] 夏翔. 起重機(jī)電控設(shè)計(jì)參考手冊. 機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2] 黃慧敏. 通用變頻器應(yīng)用中的問題及對策. 礦山機(jī)械, 2004.

[3] 施耐德電氣中國. ATV71變頻器軟件版本V2.7編程手冊. 2011.

[4] 鄭阿奇，徐斌. 施耐德PLC應(yīng)用技術(shù). 北京： 電子工業(yè)出版社, 2011.

[5] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組. 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊金屬結(jié)構(gòu)（二）.水利電利出版社, 1988.