分析電制動在水輪發電機組停機中的應用

【摘要】水輪發電機的電氣制動停機是理想的制動方式，但是隨著它的投入也導致一些新問題。本文作者闡述了水輪發電機電氣制動系統的工作原理及實現途徑，給出了電制動的各種改造方案，并結合電站勵磁系統，并對各方案具體原理、實現及特點進行深入探討。

【關鍵詞】水輪發電機機械制動裝置電氣制動

水輪發電機組由于啟動、停機方便迅速，因而在電網系統中常肩負起調峰、調頻及事故備用的重大責任。大、中型水輪發電機組在停機過程中，為了縮短機組的惰性時間，防止在轉速逐漸下降過程中推力軸承的油膜減薄、變干、發生硬碰硬的摩擦而燒壞推力軸瓦的現象，水輪發電機組在低轉速區必須進行連續的強制剎車。尤其是機組被迫在高轉速下投入機械制動時，由于機組轉動慣量巨大，制動閘塊和制動盤間將產生強烈的摩擦和扭曲應力，造成制動盤變形、龜裂甚至折斷損壞。

一、電制動原理

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

當機組與電網解列、滅磁以后，待轉速大約降至額定轉速的50%～60%時，將發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，勵磁調節器轉至電制動模式運行，給發電機轉子繞組加恒定勵磁電流。因為發電機正在轉動，定子在轉子磁場的作用下，感應產生短路電流，由此產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：

RES為電制短路開關；GCB為發電機出口斷路器；MB為主變；LB為勵磁變；ZB為制動變；QF1，QF2為空氣斷路器；AVR為機端電壓控制；FMK為滅磁開關；L為轉子繞組。

2.2電制動工作流程

當停機信號給出、機組與系統解列后，導水機構關閉，同時發電機逆變滅磁。當轉速下降到50%的額定轉速以下時，由監控系統向勵磁系統發出電制動投入令，電制動過程的流程控制是通過勵磁系統的專用可編程控制器（PLC）實現。（1）檢測電制動投入的條件。正常停機時，當發電機與系統解列后，監控系統就會向勵磁調節器發出停機令，由勵磁調節器進行逆變滅磁。在具備以下條件時，監控系統向勵磁系統發出電制動投入命令，即：①機組停機令已發；②發電機出口斷路器已分；③滅磁、發電機機端殘壓<10% UN；④導葉全關，機組不再有原動力矩；⑤發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）控制勵磁調節器轉入電制動模式，使勵磁系統向轉子繞組輸出設定的勵磁電流值（60% If N）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都會發信號轉為機械制動，并向計算機監控系統發送報警信號，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向勵磁調節器發逆變滅磁信號，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，解除發電機繼電保護，使勵磁裝置恢復到正常開機前的狀態。

2.3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，保持數秒后復歸啟動信號。

2.4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測，當遇到以下異常情況時，PLC將向監控系統發出電制動失敗報警信號，并退出電制動過程。此時，監控系統會投入機械制動裝置完成制動。（1）在規定時間內QF1不能分斷，或RES、QF2開關不能合上。（2）電制動時間過長（超過300s）。（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%。

2.5水輪發電機組停機后的檢查項目

（l）進水口和壓力管道等經運行后應無變化現象。（2）水輪機各部分應無不正常的漏水現象。（3）密封填料和軸承殼應無異?，F象。（4）發電機軸承殼和繞組、滑環與電刷接線柱等不應過熱，刷并接觸應良好，不應有灼痕。（5）配電屏上各電器（開關、熔絲、電阻、電容等）應無過熱和灼痕。（6）變壓器油位和色澤應正常，并無過熱或漏油現象。

三、電制動對繼電保護的影響

（1）電制動的短路點一般設在發電機出口與斷路器之間，在發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、誤發信號，在投電制動時將保護閉鎖。（2）通常，發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，發電機定子繞組中3次諧波電勢引起的基波電壓諧振，將導致保護誤動作。采取電制動停機時，將發電機短路接地，以有效地消除其串聯諧振現象。

四、結束語

電制動只有電磁聯系，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電氣事故時的后備制動。

參考文獻

[1]邱景安，于啟生.水輪發電機組電制動停機的試驗研究[J].水力發電. 2010年02期

[2]忽樹岳，李永生.水輪發電機組電制動控制系統的設計問題[J].大電機技術. 2011年04期