電制動在水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)中的應(yīng)用

唐鵬程

(中國水利水電第三工程局有限公司制造安裝分局，陜西安康 725000)

按照《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》的要求，水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)一套采用壓縮空氣操作的機(jī)械制動裝置，以在規(guī)定時間內(nèi)使機(jī)組轉(zhuǎn)動部分從20% ～30%(當(dāng)推力軸承采用合金瓦時)和10% ～20%(當(dāng)推力軸承采用彈性塑料瓦時)的額定轉(zhuǎn)速能夠連續(xù)制動停機(jī)［1］。機(jī)械制動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但隨著使用次數(shù)的增多，會出現(xiàn)漏油或卡阻現(xiàn)象，從而增大維護(hù)工作量;制動過程中，因制動環(huán)表面溫度急劇升高會產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致制動閘和制動環(huán)磨損加劇、變形、龜裂。由于水輪發(fā)電機(jī)組擔(dān)負(fù)著調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用的重大任務(wù)，啟停頻繁，故采用電制動方式縮短機(jī)組的停機(jī)時間十分必要。

水輪發(fā)電機(jī)組單純采用機(jī)械制動裝置所暴露的問題也越來越多，如制動時間長、易磨損、有粉塵污染等。為此，目前均采用電氣和機(jī)械混合制動的方式。電制動是在機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到50%～60%的額定轉(zhuǎn)速時［1］，按設(shè)置的程序投入運行;當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降到額定轉(zhuǎn)速的10% ～5%時，再投入機(jī)械制動系統(tǒng)直到停機(jī)。作為正常的停機(jī)方式，只有當(dāng)電制動失效或機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)電氣事故時，程序控制才會投入機(jī)械制動。

1 電制動原理

電制動原理是基于同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)，見圖1。制動時將發(fā)電機(jī)出口三相短路，給轉(zhuǎn)子加恒定電流，由電樞電流產(chǎn)生的電樞磁勢可分解為直軸分量和交軸分量［2］。直軸分量(即無功分量)僅產(chǎn)生電磁力，不形成電磁轉(zhuǎn)矩;而交軸分量(即有功分量)則產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉(zhuǎn)距Tem，其方向與慣性轉(zhuǎn)距方向相反，從而實現(xiàn)減速制動停機(jī)。

圖1 同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)

當(dāng)機(jī)組與電網(wǎng)解列、滅磁以后，待轉(zhuǎn)速大約降至額定轉(zhuǎn)速的50%～60%時，將發(fā)電機(jī)定子在機(jī)端出口三相短路，通過一系列邏輯操作，切換勵磁電源;同時，勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)至電制動模式運行，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組加恒定勵磁電流。因為發(fā)電機(jī)正在轉(zhuǎn)動，定子在轉(zhuǎn)子磁場的作用下，感應(yīng)產(chǎn)生短路電流，由此產(chǎn)生的電磁力矩正好與轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)向相反。在機(jī)組制動期間，該制動力矩和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在水中轉(zhuǎn)動摩擦引起的水阻力矩、發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗引起的風(fēng)摩擦阻力矩及軸承摩擦損耗引起的阻力矩構(gòu)成機(jī)組總的阻力矩。電制動力矩ME表達(dá)式為［3］:

式中，PE為銅損耗;ω為角頻率為常數(shù);R為定子有效電阻(75℃);Ik為定子短路電流。

通過表達(dá)式可以說明，電磁轉(zhuǎn)矩與定子短路電流的平方成正比，而與機(jī)組轉(zhuǎn)速成反比的關(guān)系;電制動力矩隨機(jī)組轉(zhuǎn)速下降而增大。因此，增大定子短路電流對縮短停機(jī)時間相當(dāng)有效。停機(jī)過程中的關(guān)鍵在于低轉(zhuǎn)速區(qū)中機(jī)組轉(zhuǎn)速下降的陡度，只要電制動電流等于或大于定子額定電流，則電制動在低速區(qū)就可獲得滿意的轉(zhuǎn)速下降率。

制動時必須將發(fā)電機(jī)定子繞組出線端直接短路或者串聯(lián)一個負(fù)載電阻短路，如果發(fā)變組為單元接線，也可在主變高壓側(cè)短路，勵磁電流由蓄電池組或三相廠用電系統(tǒng)經(jīng)整流后的外部電源供給。為了獲得最大的制動力矩，應(yīng)充分利用發(fā)電機(jī)的定子容量，使定子短路電流約等于定子額定電流，通常按1～1.3的額定定子電流選取。

2 應(yīng)用實踐

湖北省潘口水電站安裝有2臺同型號，額定功率為250 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，采用中國電器科學(xué)研究所生產(chǎn)的EXC9000型勵磁裝置。勵磁系統(tǒng)由3個單相干式勵磁變壓器、三相全控橋可控硅整流裝置、滅磁裝置、雙微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器、制動變壓器和發(fā)電機(jī)短路裝置(RES)等組成。

2.1 主要參數(shù)

(1)發(fā)電機(jī)。該電站發(fā)電機(jī)的型號為SF250-52/13800;額定容量為SN=285.71 MVA;額定電壓為UN=15.75 kV;額定電流為IN=10182.5 kV;額定轉(zhuǎn)速為n=115.4 r/min;功率因數(shù)為cos φ=0.9;額定勵磁電壓為UfN=370 V;空載勵磁電壓為UfO=215V;額定勵磁電流為IfN=2030 A;空載勵磁電流為IfNO=1185 A。

(2)勵磁變壓器。該勵磁變壓器的型號為ZLDCB-1100/15.75/;額定容量為SN=1100 kVA;額定電壓為UN=9093V/770V;額定電流為IN=121/1428.6 A。

(3)制動變壓器。制動變壓器的型號為2LSCB-630/400;額定容量為SN=630 kVA;額定電壓為UN=400/220 V;額定電流為IN=721.7/1312.2 A。

(4)電制動短路開關(guān)(RES)。RES的型號為GN23-20Z/12500;額定電壓為UN=20 kV;額定電流為IN=12500 A。

2.2 電制動主回路

該系統(tǒng)正常工況時與電制動共用勵磁裝置，勵磁方式采用靜止可控硅自并勵方式，電制動主回路如圖2所示。當(dāng)機(jī)端短路時，勵磁變無電源，制動電源來自于專用制動變壓器，制動變接至廠用電，通過整流橋交流側(cè)斷路器QF1和QF2的切換，進(jìn)行發(fā)電工況和電制動工況的轉(zhuǎn)換。

圖2 電制動原理

2.3 電制動工作流程

當(dāng)停機(jī)信號給出、機(jī)組與系統(tǒng)解列后，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉，同時發(fā)電機(jī)逆變滅磁。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到50%的額定轉(zhuǎn)速以下時，由監(jiān)控系統(tǒng)向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動投入令，電制動過程的流程控制是通過勵磁系統(tǒng)的專用可編程控制器(PLC)實現(xiàn)。

(1)檢測電制動投入的條件。正常停機(jī)時，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列后，監(jiān)控系統(tǒng)就會向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出停機(jī)令，由勵磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行逆變滅磁。在具備以下條件時，監(jiān)控系統(tǒng)向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動投入命令，即:①機(jī)組停機(jī)令已發(fā);②發(fā)電機(jī)出口斷路器已分;③滅磁、發(fā)電機(jī)機(jī)端殘壓＜10%UN;④導(dǎo)葉全關(guān)，機(jī)組不再有原動力矩;⑤發(fā)電機(jī)無內(nèi)部電氣故障;⑥機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到50%的額定值以下。

(2)當(dāng)勵磁系統(tǒng)的電制動PLC檢測到電制動投入命令并判斷條件滿足后，依次閉鎖繼電保護(hù)、分勵磁變副邊開關(guān)QF1，合短路開關(guān)RES、合電制動電源交流開關(guān)QF2。

(3)控制勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入電制動模式，使勵磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子繞組輸出設(shè)定的勵磁電流值(60%IfN)形成制動力矩，完成電制動。

(4)在電制動過程中，任何一步如果不能滿足電制動的條件，那么PLC都會發(fā)信號轉(zhuǎn)為機(jī)械制動，并向計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信號，電制動退出;同時進(jìn)入第7步。

(5)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于10%時，電制動完成，PLC向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)逆變滅磁信號，滅磁成功后進(jìn)入第7步。

(6)逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開關(guān)，然后進(jìn)入第7步。

(7)當(dāng)完成第3～5步或第6步后，PLC同時發(fā)信號給電制動電源交流開關(guān)QF2、短路開關(guān)RES、合整流變副邊開關(guān)QF1，解除發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)，使勵磁裝置恢復(fù)到正常開機(jī)前的狀態(tài)。

2.4 機(jī)械制動流程

(1)啟動機(jī)械制動應(yīng)具備的條件為:機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到10%的額定值或電制動失敗。

(2)機(jī)械制動啟動后，保持?jǐn)?shù)秒后復(fù)歸啟動信號。

2.5 電制動失敗

在電制動過程中，PLC始終對整個制動過程進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)遇到以下異常情況時，PLC將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出電制動失敗報警信號，并退出電制動過程。此時，監(jiān)控系統(tǒng)會投入機(jī)械制動裝置完成制動。

(1)在規(guī)定時間內(nèi)QF1不能分?jǐn)?，或RES、QF2開關(guān)不能合上。

(2)電制動時間過長(超過300 s)。

(3)電制動啟動后一定時間內(nèi)，勵磁電流小于空載勵磁電流的50%。

(4)定子電流大于額定定子電流的130%。

2.6 1號機(jī)組制動時間試驗數(shù)據(jù)

1號機(jī)組制動時間試驗數(shù)據(jù)列于表1。

通過潘口電站1號機(jī)組的停機(jī)試驗數(shù)據(jù)可知，采用常規(guī)制動方式，從10%額定轉(zhuǎn)速時加閘，從停機(jī)解列到零轉(zhuǎn)速制動時間為372 s;當(dāng)采用電制動與機(jī)械制動的混合方式，短路電流分別為1～1.3倍定子額定電流時，在50%額定轉(zhuǎn)速時投入電制動，10%額定轉(zhuǎn)速時加制動閘，從停機(jī)解列到零轉(zhuǎn)速制動時間分別為 326 s、300 s、268 s、227 s;當(dāng)制動電流為額定值的1.3倍時，停機(jī)時間縮短145 s，而線圈最高溫升為3.8℃。

表1 1號機(jī)組制動時間數(shù)據(jù)

根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》的規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)能在額定負(fù)荷下承受1.3倍額定電流的短時過電流持續(xù)4 min;在額定負(fù)荷下承受1.2倍額定電流的短時過電流持續(xù)6 min;在額定負(fù)荷下承受1.1倍額定電流的短時過電流持續(xù)60 min而不會損壞［1］。電制動卻是在空載情況下承受1.3倍額定電流，時間少于4 min。因此，定子絕緣和溫升不會超出規(guī)定的上限。

通過電制動停機(jī)試驗，定子電流在1～1.3倍額定電流時，溫升在1～4℃之間，可見不會給發(fā)電機(jī)定子線圈帶來任何威脅。同時，數(shù)據(jù)分析說明，用增加定子電流提高制動轉(zhuǎn)矩的方式來縮短制動時間的效果非常明顯。

3 電制動對繼電保護(hù)的影響

(1)電制動的短路點一般設(shè)在發(fā)電機(jī)出口與斷路器之間，在發(fā)電機(jī)差動保護(hù)范圍之內(nèi)。制動時將在差動保護(hù)回路內(nèi)形成差流，為防止差動保護(hù)動作、誤發(fā)信號，在投電制動時將保護(hù)閉鎖。

(2)通常，發(fā)電機(jī)是采用零序過電壓型定子接地保護(hù)裝置，對于消弧線圈接地保護(hù)方式而言，在電制動停機(jī)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1/3的額定轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)定子繞組中3次諧波電勢引起的基波電壓諧振［4］，將導(dǎo)致保護(hù)誤動作。采取電制動停機(jī)時，將發(fā)電機(jī)短路接地，以有效地消除其串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

4 結(jié)語

電制動只有電磁聯(lián)系，無機(jī)械直接接觸，它能克服機(jī)械制動的缺點，同時，機(jī)械制動可作為電制動失敗或機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)電氣事故時的后備制動。因此，電制動能使水輪發(fā)電機(jī)組快速、更加安全可靠地停機(jī)。電制動的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)制動力矩與定子短路電流的平方成正比。

(2)制動力矩與機(jī)組的轉(zhuǎn)速成反比，制動過程中，定子短路電流基本不變。因此，隨著轉(zhuǎn)速的下降，制動力矩反而會加大，制動力矩的最大值出現(xiàn)在機(jī)組將停止轉(zhuǎn)動前的瞬間。

［1］ GB/T7894-2009水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件［S］.

［2］ 辜承林.電機(jī)學(xué)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［3］ 肖 賓，肖 浩.大中型水輪機(jī)組電制動選型與設(shè)計［J］. 水電廠自動化，2000，8(3):18-21.

［4］ 胡清洲.水輪發(fā)電機(jī)組電制動技術(shù)分析［J］.電力自動化設(shè)備，2002，8(8):32-34.