電制動在水輪發(fā)電機組停機中的應用

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)電機基本技術條件》的要求，水輪發(fā)電機應裝設一套采用壓縮空氣操作的機械制動裝置，以在規(guī)定時間內使機組轉動部分從20% ～30%(當推力軸承采用合金瓦時)和10% ～20%(當推力軸承采用彈性塑料瓦時)的額定轉速能夠連續(xù)制動停機［1］。機械制動的優(yōu)點是結構簡單，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)電機組擔負著調峰、調頻及事故備用的重大任務，啟停頻繁，故采用電制動方式縮短機組的停機時間十分必要。

水輪發(fā)電機組單純采用機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械混合制動的方式。電制動是在機組轉速下降到50%～60%的額定轉速時［1］，按設置的程序投入運行;當轉速繼續(xù)下降到額定轉速的10% ～5%時，再投入機械制動系統(tǒng)直到停機。作為正常的停機方式，只有當電制動失效或機組內部出現(xiàn)電氣事故時，程序控制才會投入機械制動。

1 電制動原理

電制動原理是基于同步發(fā)電機的電樞反應，見圖1。制動時將發(fā)電機出口三相短路，給轉子加恒定電流，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，不形成電磁轉矩;而交軸分量(即有功分量)則產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉距Tem，其方向與慣性轉距方向相反，從而實現(xiàn)減速制動停機。

圖1 同步發(fā)電機的電樞反應

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

通過表達式可以說明，電磁轉矩與定子短路電流的平方成正比，而與機組轉速成反比的關系;電制動力矩隨機組轉速下降而增大。因此，增大定子短路電流對縮短停機時間相當有效。停機過程中的關鍵在于低轉速區(qū)中機組轉速下降的陡度，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)就可獲得滿意的轉速下降率。

制動時必須將發(fā)電機定子繞組出線端直接短路或者串聯(lián)一個負載電阻短路，如果發(fā)變組為單元接線，也可在主變高壓側短路，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，應充分利用發(fā)電機的定子容量，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)電機組，采用中國電器科學研究所生產(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、雙微機勵磁調節(jié)器、制動變壓器和發(fā)電機短路裝置(RES)等組成。

2.1 主要參數(shù)

(1)發(fā)電機。該電站發(fā)電機的型號為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(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。當機端短路時，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，通過整流橋交流側斷路器QF1和QF2的切換，進行發(fā)電工況和電制動工況的轉換。

圖2 電制動原理

2.3 電制動工作流程

當停機信號給出、機組與系統(tǒng)解列后，導水機構關閉，同時發(fā)電機逆變滅磁。當轉速下降到50%的額定轉速以下時，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。正常停機時，當發(fā)電機與系統(tǒng)解列后，監(jiān)控系統(tǒng)就會向勵磁調節(jié)器發(fā)出停機令，由勵磁調節(jié)器進行逆變滅磁。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機組停機令已發(fā);②發(fā)電機出口斷路器已分;③滅磁、發(fā)電機機端殘壓＜10%UN;④導葉全關，機組不再有原動力矩;⑤發(fā)電機無內部電氣故障;⑥機組轉速下降到50%的額定值以下。

(2)當勵磁系統(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、分勵磁變副邊開關QF1，合短路開關RES、合電制動電源交流開關QF2。

(3)控制勵磁調節(jié)器轉入電制動模式，使勵磁系統(tǒng)向轉子繞組輸出設定的勵磁電流值(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)信號轉為機械制動，并向計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信號，電制動退出;同時進入第7步。

(5)當機組轉速小于10%時，電制動完成，PLC向勵磁調節(jié)器發(fā)逆變滅磁信號，滅磁成功后進入第7步。

(6)逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開關，然后進入第7步。

(7)當完成第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QF2、短路開關RES、合整流變副邊開關QF1，解除發(fā)電機繼電保護，使勵磁裝置恢復到正常開機前的狀態(tài)。

2.4 機械制動流程

(1)啟動機械制動應具備的條件為:機組轉速下降到10%的額定值或電制動失敗。

(2)機械制動啟動后，保持數(shù)秒后復歸啟動信號。

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行監(jiān)測，當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)會投入機械制動裝置完成制動。

(1)在規(guī)定時間內QF1不能分斷，或RES、QF2開關不能合上。

(2)電制動時間過長(超過300 s)。

(3)電制動啟動后一定時間內，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號機組制動時間試驗數(shù)據(jù)

1號機組制動時間試驗數(shù)據(jù)列于表1。

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

表1 1號機組制動時間數(shù)據(jù)

根據(jù)《水輪發(fā)電機基本技術條件》的規(guī)定，水輪發(fā)電機應能在額定負荷下承受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 電制動對繼電保護的影響

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

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

4 結語

電制動只有電磁聯(lián)系，無機械直接接觸，它能克服機械制動的缺點，同時，機械制動可作為電制動失敗或機組內部出現(xiàn)電氣事故時的后備制動。因此，電制動能使水輪發(fā)電機組快速、更加安全可靠地停機。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)制動力矩與機組的轉速成反比，制動過程中，定子短路電流基本不變。因此，隨著轉速的下降，制動力矩反而會加大，制動力矩的最大值出現(xiàn)在機組將停止轉動前的瞬間。

［1］ GB/T7894-2009水輪發(fā)電機基本技術條件［S］.

［2］ 辜承林.電機學［M］.北京:中國電力出版社，2006.

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

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