带流道保护及蓄能型小型水电站机组进水闸门操控系统

1.本发明属于闸门启闭技术领域，尤其涉及一种带流道保护及蓄能型小型水电站机组进水闸门操控系统。


背景技术：

2.在水电站压力前池等控制水流的地方需要设置进水闸门，而机组进水闸门的启闭方式国内绝大多数采用电力卷扬式快速启闭机，即通过电动机带动启闭机绳毂、钢绳在绳毂上正(反)缠绕带动闸门上升、下降。在闸门启闭的控制系统中常设置有失压及短路、过载等保护。
3.水电站紧急事故停机过程中往往伴随厂用电中断，则启闭机电动机失去电源不能操作关闭机组进水闸门切断水流；进到水轮机的水流携带的势能往往造成机组转速事故性升高，造成机组飞逸引发机械过速事故。目前全国小型水电站机组进水闸门绝大部分都存在厂用电中断时不能落下机组进水闸门的问题。而小水电的闸门操控依靠厂用电提供能量。厂用电在事故时发生中断是水电站特别是小型水电站常见事故，发生机率很高。国内前几年有厂家推出用厂内直流电引到启闭机松闸线圈，当紧急事故厂用电又消失时，直流电经逆变(或者直接)给松闸供电，闸门也会自动落下。这种让松闸后闸门没有电动机倒拉反转进行制动，闸门以自由落体运动方式从十来米高处落下砸向门槽，数次动作后门页或者门槽就损坏了；另外前池闸门落下后则流道就全部关断，无法紧急开机恢复厂用电。
4.现有小型水电站前池进水闸门厂用电消失时除不能进行闸门操作外，还有一个重大缺陷，原有两个原有常规控制正反转交流接触器控制电动机正反转带动闸门升降的接线方式，由于原有常规控制正反转交流接触器触点极易造成粘连，或者闸门行程开关不能准确到位断开相应控制回路则闸门落闸、提闸到位时电动机不能及时停转，将导致闸门下落(或者上升)到位后电动机不停，钢丝绳反向缠绕在绳毂上使闸门又被提起，直至闸门上沿顶住启闭门架下沿，电动机仍不停止，最后拉断钢丝绳，闸门从空中落下，砸坏闸门，造成闸门重大事故。即原有闸门操控系统只有简单依靠逻辑编程实现的提闸落闸功能，不能监测流道事故，对压力管道破裂、顶盖破裂、卧式机组蜗壳破裂等流道严重事故不能保护，遇到以上流道事故往往水电站造成机毁人亡的重大事故，经济损失巨大。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种蓄能型闸门操控系统蓄能型闸门操控系统，以解决上述问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种带流道保护及蓄能型小型水电站机组进水闸门操控系统，包括：
7.变频器、用于控制闸门启闭机系统运行的控制系统和与控制系统通讯连接的上位机，所述变频器分别与水电站原有控制保护单元、水电站原有常规操控单元、电源保护单元、电机连接,所述水电站原有控制保护单元连接有流道保护系统。
8.可选地，所述水电站原有常规操控单元连接有三相逆变器，所述三相逆变器连接有水电站原有蓄电池组。
9.可选地，所述三相逆变器使用厂内直流220v供电。
10.可选地，所述三相逆变器将直流220v逆变成交流380v作为备用电源，所述控制系统、通过电源自动投入装置与所述备用电源连接。
11.可选地，所述流道保护系统包括设置在闸门后的流速传感器和安装于发电机出口开关柜的功率变送器，所述功率变送器的模拟量输入接入所述水电站原有控制保护单元。
12.可选地，所述控制系统兼容水电站原有两个原有常规控制正反转交流接触器控制电动机正反转的常规接线，用变频器取代所述原有常规控制正反转交流接触器，用于实现无触点输出电源改变相序，从而控制电机正反转。
13.可选地，所述水电站原有控制保护单元还连接有用于显示现场适时运行工况及现场图像的触摸屏。
14.可选地，所述水电站原有常规操控单元中包括第一投切开关，所述水电站原有常规操控单元与所述变频器之间设有第二投切开关。
15.本发明的技术效果为：1正常运行时利用本装置可以借助厂用电对系统进行灵活方便的操控；2厂用电因故失电时，利用装置自身蓄能保证对电动机和操控系统可靠供电，完成闸(阀)门操控的能量供应；还能保证事故落闸后无厂用电时闸门提闸，快速恢复发电、恢复厂用电；3流道发生严重事故时，本发明的流道保护操控装置能自动发出相应操作命令(含流道发生严重事故时紧急关闭闸(阀)门命令，实施可靠有效关闭闸门操作。本装置对提高现有水电站前池进水闸门工作可靠性有重大作用；而且这种装置充分利用电站原有设备和直流系统，构造简单，运行可靠造价低廉。
附图说明
16.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1为本发明实施例的结构示意图；
具体实施方式
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
19.实施例一
20.如图1所示，本实施例中提供一种带流道保护及蓄能型小型水电站机组进水闸门操控系统，包括：变频器、用于控制闸门启闭机系统运行的控制系统和与控制系统通讯连接的上位机，所述变频器分别与水电站原有控制保护单元、水电站原有常规操控单元、电源保护单元、电机连接,所述水电站原有控制保护单元连接有流道保护系统。变频器自身带有电流、电压、频率等保护和软启动功能，不再需要另外配置荷载扭矩传感器等外部昂贵的保护；变频器启动后可方便准确计时，启动过程超时即停机，防止原有闸门位移传感器和控制回路因故不能断开引起的启闭机不能停止，闸门提起或者落下过程中闸门已经操作到位而不能停机拉断启闭钢丝绳闸门从空中落下砸坏门槽、门页等恶性事故。
21.所述电机采用交流三相异步电动机。由启闭机生产厂根据闸门启门力要求配置电动机型号容量电压等级等参数；设计本系统时根据启闭机生产厂家匹配电动机参数进行本装置设计，匹配逆变器、变频器容量。
22.进一步优化方案，所述水电站原有常规操控单元连接有三相逆变器，所述三相逆变器连接有水电站原有蓄电池组，当厂用电因故中断时依靠原有蓄电池组逆变供电保证闸门操作。
23.进一步优化方案，所述三相逆变器使用厂内直流220v供电。原有直流系统容量充足，一般都有100ah以上；直流系统有完善的充放电和监测功能以及性能优良的防外部过电压功能可以放心使用；变频器驱动电动机关闭机组进水闸门时时间只有规范规定的两分钟，属于短时供电，消耗蓄电池能量很小且时间很短，操作完成后很快蓄电池就会由充电得到补充，不会引起蓄电池蓄能不足；只要不是蓄电池大充大放电且时间很长，对蓄电池不会有大的影响；事故停机落下前池闸门后，若需紧急再开机发电紧急恢复厂用电，此时可将前池闸门利用蓄电池逆变能量重新提闸快速恢复发电，恢复厂用电保证取水口提闸及厂内诸多生产机械恢复运行。本装置不再独立装设直流蓄电池及充放电机构和监测机构，整个装置造价就会非常低。如果电站容量较大可能有两组220v直流系统，则可将两组蓄电池串联输出440v直流，经电源自动投入装置ats(止逆二极管)直接连接到变频器直流输入端，不再装设逆变器，接线更简单，效果更好,造价更低。本实施例中选用止逆二极管作为电源自动投入装置ats，当厂用电中断时，蓄电池组输出440v电压经二极管直接输入变频器直流输入端直接驱动变频器末级进行逆变；而又可止逆变频器前级整流器。
24.进一步优化方案，所述三相逆变器将直流220v逆变成交流380v作为备用电源，所述控制系统、通过电源自动投入装置与所述备用电源连接。
25.进一步优化方案，流道保护系统包括设置在闸门后的流速传感器和安装于发电机出口开关柜的功率变送器，所述功率变送器的模拟量输入接入所述水电站原有控制保护单元。结合原已经采集的发电机出口断路器位置信号，根据发电机出口断路器合闸状态，则当前本发电机输出的电磁功率p
出
可适时精确测出；根据闸门后流道内水的流速以及流道断面面积可以精确计算通过流道水量q，而对于已建电站水头h是固定的，则输入水轮发电机的适时水能则p
入
＝9.81qh可精确算出，按照物理学的能量守恒定律，当p
出
发生大量值的突变甚至突降为零，p
入
发生大量值突变突然大幅度增加，则可立即判定本水轮发电机组的压力管道或者是机组顶盖损坏，水流大量外溢(正在或者即将发生重大水力事故)，经软件编程可生成判断流道严重故障紧急关闭机组进水闸门命令，并作用紧急关闭机组进水闸门，切断水流保证机组，厂房安全。
26.进一步优化方案，根据所述水电站原有控制保护单元lcu、流道流速传感器，已建好电站流道面积s、水头h均为定值，测出流速v,即可算出通过流道流量q(q＝vs)，就可算出输入本机组水力势能p
水
(p
水
＝9.81qh)；在发电机出口开关柜中装设功率变送器(亦可从原发电机已经取样检测的电压、电流、相位诸量中用p
电
＝√3uicosφ关系生成一个电磁功率p
电
)；当发生流道水力事故时，流道中因压力管爆管，顶盖破裂，蜗壳破裂事故时，依据物理学上能量守恒关系，会检测到p
水
》》p
电
,可判定水力事故发生立即作用关闭前池闸(阀)门。虽然也可依据流道流速大大超过正常流速作出判断，但是可靠性、准确性比能量平衡方式准确。以上保护方式可在没有厂用电时，在2分钟内关断流道损坏机组的快速闸门，流道损坏
这台机可能受到一定损失，但是防止了其他正常运行机组正在运行时全电压进水，避免造成机毁人亡机电设备重大损失的严重后果，也争取到这种事故发生时厂房内运行检修人员增加逃生的时间。
27.进一步优化方案，所述控制系统兼容水电站原有常规控制正反转2个交流接触器控制电动机正反转的常规接线，用变频器取代所述原有常规控制正反转交流接触器，用于实现无触点输出电源改变相序，从而控制电动机正反转。取消接触器后避免由于接触器接点粘连或者闸门行程接点失控造成启闭机、闸门、钢丝绳被破坏的恶性事故。
28.进一步优化方案，所述水电站原有控制保护单元还连接有用于显示现场适时运行工况及现场图像的触摸屏。
29.进一步优化方案，所述水电站原有常规操控单元中包括第一投切开关dk2，所述水电站原有常规操控单元与所述变频器之间设有第二投切开关dk1。dk1投入dk2断开为本装置投入自动运行；dk1断开，dk2投入为本装置退出自动运行，投入水电站原有常规操控单元，并手动常规操作；可由原有常规控制正反转交流接触器代换后进行自动手动切换，还作为本自动控制装置故障时的后备。
30.进一步优化方案，水电站原有控制保护单元lcu包括可编程控制器plc和显示屏,可编程控制器plc带模拟量、开关量输入输出接口及通讯接口，可通过厂内以太网与上位机连接，接受上位机指令进行操作，向上位机上传本控制保护单元运行工况。水电站原有控制保护单元lcu的主要输入量为：闸(阀)门流道流速传感器模拟量(4～20ma)信号；流道水流浊度传感器模拟量(4～20ma)信号；发电机出口(多台发电机电站可改为线路出口开关柜功率变送器)(4～20ma)信号；发电机出口(或者电站输电线路出口)断路器位置信号开关量；开、关闸(阀)命令信号开关量；闸(阀)门开度传感器模拟量(4～20ma)信号。
31.当水电站压力管道、水机顶盖、卧式机组蜗壳破裂等流道严重故障时往往水淹厂房，厂用电中断而原来的控制系统因失电而闸门不能关闭，极大的扩大了事故，往往造成重大的水毁事故和重大的人员伤亡。使用本装置对提高现有水电站前池进水闸门工作可靠性有重大作用，而且本装置充分利用电站原有设备和直流系统，构造简单，极大的提高了闸门控制的可靠性，特别是紧急事故且伴生厂用电消失时闸门操控的可靠性；增加的流道水力事故保护，发生水淹厂房事故时增加人员逃生机会，减少机电设备巨大损失；采用先进的变频器对电动机进行控制，功能强大，接线简单，操控方便，造价低廉可靠性高。
32.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。