唐鵬程

(中國(guó)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(dòng)裝置，以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分從20% ～30%(當(dāng)推力軸承采用合金瓦時(shí))和10% ～20%(當(dāng)推力軸承采用彈性塑料瓦時(shí))的額定轉(zhuǎn)速能夠連續(xù)制動(dòng)停機(jī)［1］。機(jī)械制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但隨著使用次數(shù)的增多，會(huì)出現(xiàn)漏油或卡阻現(xiàn)象，從而增大維護(hù)工作量;制動(dòng)過程中，因制動(dòng)環(huán)表面溫度急劇升高會(huì)產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致制動(dòng)閘和制動(dòng)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(dòng)方式縮短機(jī)組的停機(jī)時(shí)間十分必要。

水輪發(fā)電機(jī)組單純采用機(jī)械制動(dòng)裝置所暴露的問題也越來越多，如制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、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(dòng)的方式。電制動(dòng)是在機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到50%～60%的額定轉(zhuǎn)速時(shí)［1］，按設(shè)置的程序投入運(yùn)行;當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降到額定轉(zhuǎn)速的10% ～5%時(shí)，再投入機(jī)械制動(dòng)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(dòng)失效或機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)電氣事故時(shí)，程序控制才會(huì)投入機(jī)械制動(dòng)。

1 電制動(dòng)原理

電制動(dòng)原理是基于同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)，見圖1。制動(dòng)時(shí)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(shì)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(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)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(shí)，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(lì)磁電源;同時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)至電制動(dòng)模式運(yùn)行，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組加恒定勵(lì)磁電流。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)正在轉(zhuǎn)動(dòng)，定子在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)期間，該制動(dòng)力矩和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在水中轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)縮短停機(jī)時(shí)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(dòng)電流等于或大于定子額定電流，則電制動(dòng)在低速區(qū)就可獲得滿意的轉(zhuǎn)速下降率。

制動(dòng)時(shí)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(gè)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(lì)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(dòng)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(shí)踐

湖北省潘口水電站安裝有2臺(tái)同型號(hào)，額定功率為250 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，采用中國(guó)電器科學(xué)研究所生產(chǎn)的EXC9000型勵(lì)磁裝置。勵(lì)磁系統(tǒng)由3個(gè)單相干式勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器、制動(dòng)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(hào)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(lì)磁電壓為UfN=370 V;空載勵(lì)磁電壓為UfO=215V;額定勵(lì)磁電流為IfN=2030 A;空載勵(lì)磁電流為IfNO=1185 A。

(2)勵(lì)磁變壓器。該勵(lì)磁變壓器的型號(hào)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(dòng)變壓器。制動(dòng)變壓器的型號(hào)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(dòng)短路開關(guān)(RES)。RES的型號(hào)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(dòng)主回路

該系統(tǒng)正常工況時(shí)與電制動(dòng)共用勵(lì)磁裝置，勵(lì)磁方式采用靜止可控硅自并勵(lì)方式，電制動(dòng)主回路如圖2所示。當(dāng)機(jī)端短路時(shí)，勵(lì)磁變無電源，制動(dòng)電源來自于專用制動(dòng)變壓器，制動(dòng)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(dòng)工況的轉(zhuǎn)換。

圖2 電制動(dòng)原理

2.3 電制動(dòng)工作流程

當(dāng)停機(jī)信號(hào)給出、機(jī)組與系統(tǒng)解列后，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉，同時(shí)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(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)投入令，電制動(dòng)過程的流程控制是通過勵(lì)磁系統(tǒng)的專用可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)。

(1)檢測(cè)電制動(dòng)投入的條件。正常停機(jī)時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列后，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)出停機(jī)令，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行逆變滅磁。在具備以下條件時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)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(dòng)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(lì)磁系統(tǒng)的電制動(dòng)PLC檢測(cè)到電制動(dòng)投入命令并判斷條件滿足后，依次閉鎖繼電保護(hù)、分勵(lì)磁變副邊開關(guān)QF1，合短路開關(guān)RES、合電制動(dòng)電源交流開關(guān)QF2。

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

(4)在電制動(dòng)過程中，任何一步如果不能滿足電制動(dòng)的條件，那么PLC都會(huì)發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)為機(jī)械制動(dòng)，并向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，電制動(dòng)退出;同時(shí)進(jìn)入第7步。

(5)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于10%時(shí)，電制動(dòng)完成，PLC向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)逆變滅磁信號(hào)，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(shí)發(fā)信號(hào)給電制動(dòng)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(lì)磁裝置恢復(fù)到正常開機(jī)前的狀態(tài)。

2.4 機(jī)械制動(dòng)流程

(1)啟動(dòng)機(jī)械制動(dòng)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(dòng)失敗。

(2)機(jī)械制動(dòng)啟動(dòng)后，保持?jǐn)?shù)秒后復(fù)歸啟動(dòng)信號(hào)。

2.5 電制動(dòng)失敗

在電制動(dòng)過程中，PLC始終對(duì)整個(gè)制動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)遇到以下異常情況時(shí)，PLC將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)失敗報(bào)警信號(hào)，并退出電制動(dòng)過程。此時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)投入機(jī)械制動(dòng)裝置完成制動(dòng)。

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

(2)電制動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)(超過300 s)。

(3)電制動(dòng)啟動(dòng)后一定時(shí)間內(nèi)，勵(lì)磁電流小于空載勵(lì)磁電流的50%。

(4)定子電流大于額定定子電流的130%。

2.6 1號(hào)機(jī)組制動(dòng)時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1號(hào)機(jī)組制動(dòng)時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。

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

表1 1號(hào)機(jī)組制動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)過電流持續(xù)60 min而不會(huì)損壞［1］。電制動(dòng)卻是在空載情況下承受1.3倍額定電流，時(shí)間少于4 min。因此，定子絕緣和溫升不會(huì)超出規(guī)定的上限。

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

3 電制動(dòng)對(duì)繼電保護(hù)的影響

(1)電制動(dòng)的短路點(diǎn)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(dòng)保護(hù)范圍之內(nèi)。制動(dòng)時(shí)將在差動(dòng)保護(hù)回路內(nèi)形成差流，為防止差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、誤發(fā)信號(hào)，在投電制動(dòng)時(shí)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(duì)于消弧線圈接地保護(hù)方式而言，在電制動(dòng)停機(jī)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1/3的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)定子繞組中3次諧波電勢(shì)引起的基波電壓諧振［4］，將導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。采取電制動(dòng)停機(jī)時(shí)，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(dòng)只有電磁聯(lián)系，無機(jī)械直接接觸，它能克服機(jī)械制動(dòng)的缺點(diǎn)，同時(shí)，機(jī)械制動(dòng)可作為電制動(dòng)失敗或機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)電氣事故時(shí)的后備制動(dòng)。因此，電制動(dòng)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(dòng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)制動(dòng)力矩與定子短路電流的平方成正比。

(2)制動(dòng)力矩與機(jī)組的轉(zhuǎn)速成反比，制動(dòng)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(dòng)力矩反而會(huì)加大，制動(dòng)力矩的最大值出現(xiàn)在機(jī)組將停止轉(zhuǎn)動(dòng)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(guó)電力出版社，2006.

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

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