水电站自动化元件的介绍潘口

水电站自动化元件的介绍潘口第1页/共113页水电站自动化元件的选型配置及应用前言：

水电厂基础自动化是一个综合的、系统的工程，是水电厂能否实现无人值班(少人值守)的关键所在。自动化元件(装置)和辅机设备自动控制单元要选用符合国家标准要求的、质量可靠、适应潮湿环境的成熟产品，同时应注意改善自动化元件(装置)和辅机设备控制单元的使用环境。第2页/共113页基础自动化的智能化发展基础自动化元件(装置)按功用显示元件按用途分类：温度、压力、流量、液位、位移、转速、轴电流、油混水、压力脉动、水位差、流量水头效率等测量传感器、变送器、测量仪表和控制器、开关等。执行元件包括各种电磁阀、电磁空气阀和执行机构等。第3页/共113页自动化元件(装置)基础自动化元件(装置)的特殊性表现在：(1)运行时间长和不易维护；(2)重要程度高；(3)运行环境恶劣；(4)电磁干扰的强度相当大。第4页/共113页自动化元件(测速)(1)转速测量装置有机械测速和电气测速两种，机械测速由齿盘或钢带、传感器或接近开关和仪表组成。有DC4～20mA输出、RS232或RS485通讯接口；能与电站监控计算机通讯。具有断电记忆、过速记忆和参数自动保护功能。在转速上升或下降时，应在规定的转速发出信号，对机械转速信号装置，同一触点的动作误差不超过±3％。第5页/共113页测速装置原理示意图第6页/共113页自动化元件(油混水)(2)油混水监测装置采用电容式油混水信号装置，由测量探头和仪表组成。灵敏、准确探测油混水状况；有含水量显示，并有DC4～20mA输出；有报警点输出，报警值在含水量0．1％～5％可调。第7页/共113页油混水原理示意图当两极间油中混水后将改变其介电常数，从而引起电容值的变化，通过微电路设定油混水比例，在油中混水的比例达到设定值时，控制器输出报警接点信号。第8页/共113页自动化元件(压力)(3)水库拦污栅压差测量装置同时采集栅前栅后的水位信号，同时显示2个水位及其差值；有断电记忆和参数自动保护功能；有变送器断线检测功能；有2对报警点及DC4～20mA模拟量输出；能与电站监控计算机通讯。第9页/共113页差压变送器

测量时，作用在高、低压侧隔离膜片上的过程压力通过灌充液传递到δ-室传感器中心的测量膜片上。测量膜片是一个张紧的弹性元件，其位移量与压力成正比。测量膜片两电容固定极板的被放大电路线性地转换成4~20mA的二线制标准信号输出。第10页/共113页电接点压力表第11页/共113页压力变送器测量时，过程压力直接作用于坚固耐腐蚀的陶瓷膜片上，使膜片产生弹性位移，根据电容值的大小与两极间的距离成正比的原理，就可以从衬底电极和膜片电极之间检测到电容的变化，检测到的变化电容经微调电路放大后，可输出一个精确的电压信号，输出的电压信号通过变送器转换成4~20mA的电流信号输出。第12页/共113页(4)流量水头效率测量装置可同时采集来自流量、水头、有功的信号，同时显示瞬时流量、累积流量、水头、效率和耗水率；有断电记忆、参数自动保护功能；有变送器断线检测功能；有DC4～20mA输出；能与电站监控计算机通讯。自动化元件(装置)第13页/共113页热导式流量开关测量时，由发热模块发出热量，如果管道内没有介质流动，则感热模块接收到的热量是一个固定值，当有介质流动时，感热模块所接受到的热量将随介质的流速变化而变化，感热模块将这温差信号转化成电信号，再通过处理器将其转换为对应的标准模拟量信号或接点信号输出，流量开关通过这个信号对介质的流速进行显示及控制。第14页/共113页挡板式流量开关通过旋动调节旋钮设定流速动作点，当管道内有流体流过时，流体推动挡板偏转，挡板带动磁性模块上移，如果流体流速大于等于设定流速，则腔室内开关模块动作，输出接点信号；如果流体流速小于设定流速，则磁性模块下移，开关复位，接点断开。第15页/共113页电磁流量计工作原理电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律设计的，在测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装一对检测电极，当导电液体沿测量管流过交变磁场(磁力线垂直于液体流动方向)时，导电液体切割磁力线,产生感应电动势，通过测量管上的两个检测电极能够检测出这个感应电动势，通过以下公式可以计算出流量，最后转换成4~20mA输出。

第16页/共113页自动化元件(位移)基于一些金属（如镍铁合金）在相交磁场的作用下，具有磁致伸缩的特点，即韦德曼效应。测量时，传感器探头在磁致伸缩材料制成的波导线一端发出一个起始脉冲后，将形成一个与波导线垂直的磁场（如下图所示），磁场以光速随脉冲电流沿波导线传播，磁场遇到套在波导线外的磁环所产生的磁场时，产生相交磁场。在相交磁场的作用下波导线产生瞬时张力，使波导线扭动并产生扭动波，这个扭动波(波速约为音速)沿波导管运行，回传至传感器探头时，产生逆磁致伸缩现象，在传感器探头形成一个返回电脉冲。发射起始脉冲到接收返回脉冲的时间差与磁环位置相关，变送器将时间差信号(即磁环位移)转换为标准电流或电压信号输出。第17页/共113页自动化元件(位移)第18页/共113页自动化元件(位移)传感器内置转轴及高精度电位器等，测量时，如果直线位移或角位移发生变化，拉线伸缩，带动转轴旋转，电位器随转轴转动产生变化的线性电阻信号，变送器再将这个变化的电阻信号转换为标准电流或电压信号输出。

而DTC41编码器式由一组拉线式弹簧机构、转轮结合光电编码器而成。拉线拉动，从而带动旋转，通过光电编码器输出标准脉冲信号。第19页/共113页位移传感器第20页/共113页执行元件第21页/共113页执行元件第22页/共113页主令开关第23页/共113页自动化元件(装置)(5)自动补气装置用于电站压油装置及其他储能器系统中，为组合式多功能高压空气阀组，接受系统控制回路控制，实现自动补气。该装置由手动球阀，常闭电磁阀，单向阀，常开电磁阀，手动球阀，消声器及不锈钢管路组成。阀体的优化组合，避免了因阀漏气致使储能器的气压逐渐升高。可实现自动补气、手动补气和贮能器中多余气体的排放。第24页/共113页(6)水力控制阀主要工作原理是利用上、下阀腔的压力差控制阀盘的运动，再通过旁通管路和各种导阀的不同接法实现不同用途。水力控制阀建议小口径选用隔膜式，大口径选用活塞式。自动化元件(装置)第25页/共113页水力控制阀第26页/共113页(7)全自动滤水器设备主要用于水电厂技术供水系统自动过滤排污，是技术供水系统的必备装置，适用于无人值班(少人值守)的水电厂。全自动滤水器由执行机构及自动控制机构组成。执行机构主要由电动减速机、滤水器壳体及壳体内的滤网组件、反冲洗机构、排污机构和排污电动阀等组成。自动控制机构主要由控制箱和差压测量系统组成；实现定时、定差压和手动切换功能设置，并输出运行、故障、冲洗、差压报警和差压过高报警等信号。具有通讯接口，满足智能化要求。自动化元件(装置)第27页/共113页第28页/共113页自动化元件(装置)(9)全自动密闭水循环冷却系统由补水箱、自动控制循环水泵系统、尾水冷却器和电气控制箱等设备组成。第29页/共113页辅机设备主要包括水电厂压油、排水、压缩空气、闸门自控和机组自动测温刹车制动等，其作用如下。辅机设备自动控制单元第30页/共113页辅机设备自动控制单元1)水电厂压油设备自动控制单元以可编程序控制器(PLC)为控制核心，由软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成。控制单元通过液位、压力等外围检测设备检测压油罐油压和油位，通过控制软启动器控制油泵和自动补气装置实现自动补油和自动补气，自动完成油压装置各种工况的控制和信息传递。油压意外超高时，组合阀安全保护功能可自动控制回油，保证系统功能正常、设备安全。第31页/共113页第32页/共113页辅机设备自动控制单元(2)水电厂排水设备自动控制单元以可编程序控制器(PLC)为控制核心，由接触器或软启动器、交直流双路控制电源、触摸屏等组成。控制单元通过液位、流量等外围检测设备检测集水井水位和管内流体状态。通过控制接触器或软启动器控制水泵启动和停止，自动完成集水井各种工况的控制和信息传递。由于水泵电机启动不频繁，工作周期相对较长，其控制保护可采用先进可靠的接触器组件实现，对于功率较大的电机则最好使用软启动器完成。第33页/共113页排水设备第34页/共113页辅机设备自动控制单元(3)水电厂压缩空气设备自动控制单元以可编程序控制器(PLC)为控制核心，由软启动器、双路控制电源、触摸屏等组成。控制单元通过压力、温度、流量等外围检测设备检测储气罐压力、空压机及气缸的压力、气缸温度以及冷却水流量，通过软启动器启停空压机自动控制贮气罐内的气压在规定的工作压力范围内。在空压机的启、停过程中，实现卸荷启动、自动供停冷却水，自动排污控制以及备用空压机的自动投切控制。完成空压机各种工况的控制和信息传递。第35页/共113页空压机系统第36页/共113页辅机设备自动控制单元(4)闸门自动控制单元安装在闸门启闭机室，由开度传感器、荷重传感器、智能闸门测控仪表、控制电器、逻辑保护电路、操作按钮、状态指示灯、电流电压显示表等组成。可以根据用户要求进行闸门的单控、群控。第37页/共113页辅机设备自动控制单元第38页/共113页辅机设备自动控制单元(5)机组自动测温刹车制动单元具有机组自动测温和机组刹车制动两种功能。测温单元可实现机组多点温度的自动监测，并输出DC4～20mA的模拟量信号和温度报警的开关量信号。机组制动单元可完成机组的刹车制动、制动复位等功能。机械部分采用进口电磁阀和不锈钢管路。第39页/共113页辅机设备自动控制单元(6)水电厂工业电视监视系统是现代化管理、监视的重要手段，它的主要用途是及时而真实准确地反应被监控对象的实际信息，从而为决策提供依据。水电站的监控人员借助于工业电视监控系统的辅机监视作用，对设备进行控制操作，能大大提高设备远方操作的安全性及生产管理效率和自动化水平。并在一定程度上起到安全保卫的作用。为防止影响或干扰，一般水电站工业电视系统不与计算机监控系统结合，工业电视监视系统前端设备获取的信息经本系统网络传送到主控室或分控室主机。第40页/共113页工业电视第41页/共113页基础自动化的发展水电厂基础自动化的发展方向是：(1)向智能化方向发展，以满足机组故障诊断和在线状态检修的需要；(2)向集成化方向发展，是基础自动化创新发展的要求和发展趋势；减轻设计、选型、采购、安装、调试的工作量；第42页/共113页基础自动化的发展(3)向优化配置的方向发展，现阶段水电厂机组自动化元件(装置)没有一个完善的配置标准，应根据不同的装机容量，不同的水轮机结构形式，通过研究进行优化配置；(4)调研不同产品的安装使用注意事项，提高自动化元件(装置)工作的稳定性和可靠性。第43页/共113页基础自动化的智能化发展基础自动化元件(装置)智能化的发展方向是能检测、测量、分析和处理在各种生产环境下发生的变化，如：位置、长度、高度、移动和外形等方面的变化，其有助于对未来发生的情况做出预测和预防。第44页/共113页基础自动化的智能化发展(1)自校零、自标定和自校正功能；(2)自动补偿功能；(3)能够自动采集数据，并对数据进行预处理；(4)能够自动进行检验、自选量程和自寻故障；(5)数据存储、记忆与信息处理功能；(6)双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能(7)判断和策处理功能。第45页/共113页智能仪表和智能传感器智能仪表和智能传感器一般是用在现场总线系统中，这种仪表和传感器内部嵌入的有通讯模块和控制模块，可以完成数据采集，数据处理和数据通讯功能。第46页/共113页自动化元件的种内和选用1、测温电阻水轮发电机组的瓦温保护和定子线圈的过热保护广泛使用电阻作测温元件。铜热电阻存在着体积大，对温度响应速度慢的缺陷。第47页/共113页

2、液位控制浮子式水控制：就是由于水质差，油污泥将浮子活动部件卡位，使它的上、下可动部件失去一定的灵活性。另外，有时因厂家质量问题，浮子密封不良，造成绝缘不好，还有浮子里渗有少量的油水，使排水系统失灵。浮子、干簧管接头的液位信号器，如ZWX一150，FX—l型浮子信号器，其本身存在易卡和信号不能自保持的缺点。尤其是转动油盆式稀油水导轴承的液位信号器，一般投产一、二年后就不能正常工作了。在运行过程中又往往误发信号，干扰运行人员正常运行监视。建议采用带两接点的浮子开关增强其稳定性和使用寿命，改善监视条件。第48页/共113页3、流量开关水轮发电机组轴承冷却水的监视大都是在冷却器冷却水排出管道中装设SLX型示信号器来判断冷却水是否中断。SLX型流器的动作原理是当水流处于正常流动状态，挡板在液流的作用下，克服弹簧力(或自重)而偏离中间位置，从而推动微动开关使常开接点闭合，常闭接点断开，当液体流量减小到低于或等于整定动作流量时，磁铁离开弹簧接点返回。这种型式的示流信号动作灵敏度及可靠性尚可。但其缺点是使用一段时间旋转机构生锈卡阻和洪水季节泥沙卡阻，使动作接点有时失灵。第49页/共113页常用自动化元器件第一节低压电器的基本知识第二节开关电器第三节接触器第四节继电器第五节熔断器第六节主令电器本章小结第50页/共113页第一节低压电器的基本知识一、低压电器的分类按电器的动作性质分：手动电器和自动电器按电器的性能和用途分：控制电器和保护电器按有无触点分：有触点电器和无触点电器按工作原理分：电磁式电器和非电量控制电器。第51页/共113页第一节低压电器的基本知识二、电磁式电器1.电磁机构——将电磁能转换为机械能并带动触头动作。

组成

原理：线圈通入电流，产生磁场，经铁芯、衔铁和气隙形成回路，产生电磁力，将衔铁吸向铁芯。

铁芯衔铁线圈交流：硅钢片叠加直流：整块铸铁或铸钢直动式转动式电压线圈：并联在电路中，匝数多、导线细。电流线圈：串联在电路中，匝数少、导线粗。交流线圈：短而粗，有骨架。直流线圈：细而长，无骨架。第52页/共113页第一节低压电器的基本知识二、电磁式电器2.短路环——减小衔铁吸合时产生的振动和噪音。第53页/共113页第一节低压电器的基本知识二、电磁式电器3.触头系统——通过触头的开合控制电路通、断。

类型

材料：一般采用铜材料制成；对于小容量电器常用银质材料制成桥式触头指形触头第54页/共113页第一节低压电器的基本知识二、电磁式电器3.灭弧系统

电弧：开关电器切断电流电路时，触头间电压大于

10V，电流超过80mA时，触头间会产生蓝色的光柱，即电弧。

电弧的危害：

延长了切断故障的时间；

高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏；

形成飞弧造成电源短路事故。

灭弧措施：吹弧、拉弧、长弧割短弧、多断口灭弧、利用介质灭弧、改善触头表面材料。第55页/共113页第二节开关电器一、刀开关

作用：隔离电源，不频繁通断电路

分类：

按刀的级数分:单极、双极和三极

按灭弧装置分：带灭弧装置和不带灭弧装置

按刀的转换方向分为：单掷和双掷

按接线方式分为：板前接线和板后接线

按操作方式分为：手柄操作和远距离联杆操作

按有无熔断器分：带熔断器和不带熔断器第56页/共113页第二节开关电器一、刀开关1.开关板用刀开关（不带熔断器式刀开关）

作用：不频繁地手动接通、断开电路和隔离电源用。

结构图和符号：QS第57页/共113页第二节开关电器一、刀开关2.带熔断器式刀开关——用作电源开关、隔离开关和应急开关，并作电路保护用。第58页/共113页第二节开关电器一、刀开关3.负荷开关(1)开启式负荷开关

用途：作不频繁带负荷操作和短路保护用。

结构：由刀开关和熔断器组合成。瓷底板上装有进线座、静触头、熔丝、出线座及刀片式动触头，工作部分用胶木盖罩住，以防电弧灼伤人手。

分类：单相双极和三相三极两种第59页/共113页第60页/共113页第二节开关电器一、刀开关3.负荷开关(2)封闭式负荷开关（铁壳开关）

作用：手动通断电路及短路保护。第61页/共113页第二节开关电器二、组合开关（转换开关）

结构：静触头一端固定在胶木盒内，另一端伸出盒外，与电源或负载相连。动触片套在绝缘方杆上，绝缘方轴每次作90°正或反方向的转动，带动静触头通。

特点：结构紧凑，安装面积小，操作方便。

用途：电源的引入开关；通断小电流电路；控制５ＫＷ以下电动机。第62页/共113页（a）外形（b）符号（c)结构第63页/共113页第64页/共113页第二节开关电器三、低压断路器

功能：不频繁通断电路，并能在电路过载、短路及失压时自动分断电路。

特点：操作安全，分断能力较高。

分类：框架式（万能式）和塑壳式（装置式）

结构：触头系统、灭弧装置、脱扣机构、传动机构。第65页/共113页万能式低压断路器结构图第66页/共113页塑壳式低压断路器原理图1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器6．失压脱扣器7．按钮第67页/共113页塑壳式低压断路器原理图1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器6．失压脱扣器7．按钮线路短路或严重过载保护第68页/共113页塑壳式低压断路器原理图1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器6．失压脱扣器7．按钮远距离跳闸，对电路不起保护作用第69页/共113页塑壳式低压断路器原理图1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器6．失压脱扣器7．按钮线路过载保护第70页/共113页塑壳式低压断路器原理图1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器6．失压脱扣器

7．按钮电动机的失压保护第71页/共113页第72页/共113页触头系统：主触头、辅助触头

常开触头（动合触头）常闭触头（动断触头）电磁系统：动、静铁芯，吸引线圈和反作用弹簧灭弧系统：灭弧罩及灭弧栅片灭弧第三节接触器1．结构

一、交流接触器

第73页/共113页第三节

接触器交流接触器结构图主触头常闭辅助触头常开辅助触头静铁心动铁心吸引线圈灭弧装置第74页/共113页2．工作原理

线圈加额定电压，衔铁吸合，常闭触头断开，常开触头闭合；线圈电压消失，触头恢复常态。为防止铁心振动，需加短路环。第三节

接触器第75页/共113页用途：远距离通断直流电路或控制直流电动机的频繁起停。结构：电磁机构、触头系统和灭弧装置。工作原理：与交流接触器基本相同。第三节接触器二、直流接触器

第76页/共113页KM常闭辅助触点线圈KM主触点KM常开辅助触点KM第三节

接触器三、接触器的符号

第77页/共113页额定电压

交流接触器：127、220、380、500V直流接触器：110、220、440V交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接触器：40、80、100、150、250、400、600A额定电流

吸引线圈额定电压交流接触器：36、110（127）、220、380V直流接触器：24、48、220、440V第三节

接触器四、接触器的主要技术指标

第78页/共113页

根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。第三节

接触器四、接触器的使用选择原则

第79页/共113页作用：控制、放大、联锁、保护和调节分类：按用途分：控制和保护继电器按动作原理分：电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式按输入量分：电流、电压、时间、速度、压力按动作时间分：瞬时、延时继电器特点：额定电流不大于5A第四节

继电器第80页/共113页一、电流继电器特点：线圈串接于电路中，导线粗、匝数少、阻抗小。分类：过电流继电器、欠电流继电器过流电流继电器欠流电流继电器第四节

继电器第81页/共113页欠电流继电器KAI<KAKA过电流继电器>IKAKAKA一、电流继电器第四节

继电器第82页/共113页动作电流Ｉq：使电流继电器开始动作所需的电流值；返回电流Ｉf：电流继电器动作后返回原状态时的电流值；返回系数Ｋf：返回值与动作值之比，Ｋf＝Ｉf/Ｉq。主要技术指标：一、电流继电器第四节

继电器第83页/共113页特点：线圈并联在电路中，匝数多，导线细分类：过电压继电器和欠电压继电器结构原理：与电流继电器类似欠电压继电器KAU<KAKA过电压继电器>UKAKAKA二、电压继电器第四节

继电器第84页/共113页

中间继电器实质上是一种电压继电器，结构和工作原理与接触器相同。但它的触点数量较多，在电路中主要是扩展触点的数量。另外其触头的额定电流较大。

三、中间继电器第四节

继电器第85页/共113页作用：电动机的过载保护利用双金属片受热弯曲去推动杠杆使触头动作利用电阻值随温度变化而变化的特性制成利用过载电流发热使易熔合金熔化而使继电器动作四、热继电器第四节

继电器型式：双金属片式

热敏电阻式易熔合金式结构：由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成。第86页/共113页四、热继电器第四节

继电器a）

外形

b）结构图

1-电流整定装置2-主电路接线柱3-复位按钮

4-常闭触头5-动作机构6-热元件31-常闭触头接线柱32-公共动触头接线柱33-常开触头接线柱

双金属片式热继电器第87页/共113页1-1.接线端子2-主双金属片3-热元件4-推动导板5-补偿双金属片

6-常闭触头7-常开触头8-复位调节螺钉9-动触头

110-复位按钮11-偏心轮12-支撑件13-弹簧

四、热继电器第四节

继电器双金属片式热继电器原理示意图第88页/共113页四、热继电器第四节

继电器第89页/共113页使用与选择使用：作为电动机的过载保护，注意与熔断器的配合。选择：ＩeR≥Ｉed

ＩeR：热继电器热元件的额定电流；Ｉed：电动机的额定电流。四、热继电器第四节

继电器第90页/共113页作用：按整定时间长短通断电路分类：按构成原理分：电磁式电动式空气阻尼式晶体管式数字式按延时方式分：通电延时型断电延时型

四、时间继电器第91页/共113页(a