揚水泵站中變頻器機組閉鎖設計的應用

李曉剛 潘自林

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

關鍵詞：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施，普遍存在于我國西北干旱地區。近年來，隨著社會經濟的發展，以及相關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，變頻裝置被越來越多地應用到水利梯級揚水泵站中。現有的關于各類水利工程變頻裝置應用的研究中，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流和降低能耗方面的作用[2]。目前，較少有人關注增加變頻裝置后可能出現的問題，例如，若變頻裝置出現故障導致跳閘，而液控蝶閥未能聯動關閉，將會發生倒流，造成水錘破壞，輕則水泵倒轉達到飛逸轉速，重則水泵損壞，淹沒泵房。

近年來，變頻器也逐漸被應用于西北地區揚水泵站工程中。研究者所接觸到的安裝有變頻器的揚水泵站投入生產運行也只有僅僅兩年的時間，相關單位對變頻器在揚水泵站的應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動控制進行探究，以確保在變頻器出現各種故障跳閘時，液控蝶閥可以迅速動作，消除水錘，確保揚水工程安全穩定運行，減少不必要的財產損失。

1 變頻器原理介紹

交流電動機的轉速表達式為：

式中：[n]為異步電動機的轉速;[f]為異步電動機的頻率;[s]為電動機轉差率;[p]為電動機極對數。從式（1）可以看出，轉速[n]和頻率[f]成正比，只要改變頻率[f]即可改變電動機的轉速，當頻率[f]在0～50 Hz變化時，電動機的轉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轉速的調節，是一種理想的高效率、高性能、可靠的調速手段。

變頻器使用最多的變頻調速裝置是電壓型變頻調速器，由整流器、濾波系統和逆變器三部分組成。變頻器首先將三相交流電經橋式整流裝置整為直流電，脈動的直流電壓經平滑濾波后在微處理器的調控下，用逆變器將直流電在逆變為電壓和頻率可調的三相交流電源，輸出到需要調速的電動機上。電機的轉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，從而任意調節電機轉速，實現平滑的無級調速。

2 應用變頻器的優點

在揚水泵站中，經常出現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生。

變頻機組的應用可以有效減小噪聲;降低轉差率以及電機溫升、振動;實現設備軟啟動，消除啟動沖擊，改善設備機械性能，大幅度降低設備損耗，延長設備使用壽命，減少維護費用;有效抑制電路諧波的產生，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，減少無功功率，節約功率因數補償設備的投資費用等。將其應用于梯級揚水泵站中，還可以有效調節級間流量匹配，減少開停機次數，延長設備使用壽命，降低泵站運行能耗。

3 應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中介質的倒流和產生過大的水擊，以保護管路系統安全運行。液控蝶閥存在三個工作位置可做切換，分別為“現地”“聯動”“遠控”。“現地”模式是做調試用的，不考慮聯動及閉鎖，僅僅在“聯動”“遠控”兩個模式下進行。

原有設計是在開關柜斷路器輔助節點上各取一個常開、常閉節點，接入液控蝶閥“聯動”位置下的開閥和關閥回路中，以實現在“聯動”位置與開關柜的聯動閉鎖功能，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，液控蝶閥關閉。在液控蝶閥“遠程”模式下，取關閥“75°”（閥位15°信號，0°為全關，90°為全開）常開輔助節點信號接入開關柜跳閘回路中，實現當液控蝶閥故障關閥或“遠控”位置關閥時，開關柜斷路器可以聯動跳閘斷開[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柜直接供電，變成了開關柜供電到變頻器，再由變頻器輸出給電動機。維持原有閉鎖設計，在“聯動”模式下，開關柜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“聯動”還是“遠程”模式，都只能通過斷開QF，聯動液控蝶閥關閉，防止水錘發生，維護系統安全運行。但是，變頻器高壓側頻繁地突然斷電，會使變頻器頻繁進入故障狀態，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，液控閥不能聯動關閥，起不到保護作用，將會造成機組倒轉，甚至達到飛逸轉速，這會嚴重損壞設備，甚至造成人員傷亡和巨大的經濟損失[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柜的閉鎖功能進行修改[5-6]，具體如下。

在液控蝶閥“聯動”模式下，應實現以下兩個功能：①聯動開閥。取KM2、KM3常開輔助接點，并聯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，具體延時時間應根據實際運行工況計算確定。②聯動關閥。取KM2、KM3常閉輔助接點，串聯接入蝶閥關閥回路中，當KM2、KM3斷開后，可實現蝶閥的自動關閥，有效消除水錘作用。

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

在液控蝶閥“遠程”模式下，取關閥“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 結語

將變頻器引入水利工程行業，可利用其調速作用有效減少揚水泵站的開停機次數，提高運行效率，降低能源單耗，值得大力推廣應用。但也應該充分考慮變頻器的內部結構，以及加入變頻器后，一次接線圖發生的變化，應根據運行工況優化電氣設計方案，完善與液控蝶閥的聯動方式，減少人為干擾因素，實現系統全自動事故響應，確保泵站安全穩定運行。

參考文獻：

[1]曹居峰.小浪底引黃工程板澗河補水泵站變頻器的選擇[J].水電站機電技術，2013（6）：42-44.

[2]曹居峰.變頻器在水利工程中的應用及其選擇[J].科技情報開發與經濟，2008（28）：215-217.

[3]古曉麗.變頻裝置在供水工程中的選型及應用探討[J].電氣傳動，2017（4）：72-75.

[4]水利部第八稽察組完成寧夏回族自治區大型灌排泵站更新改造項目專項稽察[J].水利技術監督，2017（5）：154.

[5]陳旭東，朱文軍，道華.淺談紅寺堡揚水泵站主水泵和電動機運行現狀及更新改造[J].水泵技術，2017（6）：19-22.

[6]何飛，肖悅，徐峰，等.變頻器在水位變幅較大的取水泵站中的應用[J].市政技術，2015（4）：92-94.

[7]孟耀凱，孔丙亞，崔占奇，等.六脈波交交變頻器高頻段連續變頻調速研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2021（5）：124-131.

[8]DEGEN C. Inductive coupling for wireless power transfer and near-field communication[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2021（1）：1-20.