水輪發電機組的電氣制動在水電站自動化上的研究及應用

胡國頌

【摘要】水電站自動化系統在國內已經具備20多年的應用時間，在這20多年里，隨著計算機硬件的不斷強大，通信技術的迅速發展，軟件功能的持續更新，水電站的綜合自動化系統也向著更為可靠、功能更為全面的方向邁進，水電站自動化系統的開放性和擴展性以及智能等性能均有了很大的提高。作為水電站自動化系統中的關鍵組成，水輪發電機組的電氣制動是推動水電站自動化發展的重要條件。鑒于此，本文主要分析水輪發電機組的電氣制動在水電站自動化上的研究與應用問題。

【關鍵詞】水輪發電機組的電氣制動;水電站自動化;研究;應用

引言

水輪發電機組是水電站自動化系統中的重要組成部分，其功能主要是完成機械能向電能的轉換，水輪發電機組的運行質量直接關系到水電站運行的的穩定性和安全性，進而影響到水電站的運行效率。水輪發電機的制動系統是影響水輪發電機組運行水平的重要因素，傳統的制動方式為機械制動，但是其在工作過程中會存在一些弊端。因此，本文對以電氣制動為主要制動方式的水輪發電機組在水電站自動化系統中的應用研究具有重要的實踐價值與意義。

1、水輪發電機組的電氣制動概述

1.1 水輪機發電機制動系統的功能

水輪發電機組在運行過程中面臨的關鍵問題是制動停機問題，即水輪發電機組在工作過程中會經歷較為頻繁的起動和停機過程，在起動和停機時對轉動慣量的要求較高，因此在短時間內不能自主停下。然而，當水輪發電機組長時間處于低速遠轉狀態時會威脅到水輪發電機組推力軸承的安全性和穩定性。因此，水輪發電機制動系統就是為了解決水輪發電機組的起動和停機問題。

1.2 機械制動與電氣制動的特點分析

機械制動方式是水輪發電機制動的一般形式，為了避免機組減速過程后期時間較長，引起推力瓦的磨損，在機組轉速降低到額定轉速的25%到35%時，會自動投入制動器，加閘停機。對沒有配備高壓油頂起裝置的機組，當經歷較長時間的停機以后，當再次啟動機組前，利用油泵將壓力油打入到制動器當中頂起轉子，時推力瓦重新建立油膜，從而為推力瓦創造出良好的工作條件。但是，在采用機械制動方式時具有如下問題：1.產生的金屬粉塵會對水輪發電機組造成污染;2.機械故障卡澀;3.存在較多的安全運行隱患。

與機械制動方式相比，電氣制定方式具備突出的安全、環保、便捷和高效等應用優勢，其制動原理為純電感電樞反應，如圖1所示，即定子繞組中的短路電流是一個恒定的值，不會隨著機組轉速的降低而發生變化。當機組運行在高速區時，水輪發電機轉輪的水阻力矩會起到主要的制動作用，當機組運行在轉速相對較低的區間時，定子繞組短路銅耗形成的電氣制動力矩發揮主要制動作用。

如表1所示，其為三種不同電氣制動方式間的對比，其中我國水電站應用較為普遍的電氣制動方式為定子三相短路制動方式。

2、水輪發電機組的電氣制動在水電站自動化中的應用

2.1 應用案例

某水電站配置8臺300MW的電動發電機組，機組相關參數如下：額定功率：300MW，定子額定電壓：18KV，定子額定電流：10.692KA，額定勵磁電壓：330V，額定勵磁電流：1818A，轉動慣量：3300tm2，制動勵磁電流：1090A。采用電氣制動方式和機械制動方式混合的制動系統運行近10年，具有一定的可靠性和穩定性。

2.2 電氣制動方式運行控制的基本流程

在接收停機令以后，此時處于運行負荷為0的狀態，發電機斷路器以及勵磁開關依次發生斷開操作，此后進行部分保護閉鎖，當v<50%vn時，投入電氣制動刀，其相關參數如下：最大電壓：24KV，額定電壓：18KV，額定電流：12000A，在6%額定電壓下，設備的關合容量為8000A，三秒內的短時耐受電流為60KA。在電氣制動刀投入以后，投入勵磁開關，當v<5%vn時，投入機械制動方式，最后完成停機操作。因此，電氣制動方式的應用可以保證水電站自動化系統運行的穩定性和安全性，同時還可以滿足環保的應用要求。

2.3 電氣制動方式的應用優勢

電氣制動與勵磁統一規劃設計的實現可以減少設備，節省投資，從而保證水電站運行的經濟效益。電氣制動方式可以快速有效的實現自動控制，從而進一步推動水電站自動化系統的發展。其次，電氣制動方式運行簡單可靠，制動效果良好，無噪音和污染，是一種理想的環保技術。

2.4 電氣制動方式應用于水電站自動化系統時要注意的問題

首先，選擇合理的，應用性強的短路制動刀是應用電氣制動方式的基礎。其次，在設計控制回路的過程中要注意刀閘位置、勵磁信息以及電氣閉鎖等方面的設計。最后，選擇合理的制動電流。

結論

綜上所述，通過分析水輪發電機組的電氣制動，說明了電氣制動方式的特點和優勢，通過實際案例分析水輪發電機組的電氣制動在水電站自動化中的應用，說明了電氣制動方式的引用在水電站自動化系統中占據重要的地位。

參考文獻：

[1]張紅. 水輪發電機組的電氣制動在水電站自動化上的研究及應用[D].廣西大學，2004.

[2]丘恩華. 計及保護和安全控制的水輪發電機組電氣制動方法及應用[D].重慶大學，2014.