電氣制動(dòng)在貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

鄔海軍

大源渡水電站總裝機(jī)容量為120MW（4×30MW），系衡陽(yáng)電網(wǎng)骨干電站。4臺(tái)發(fā)電機(jī)是全套引進(jìn)奧地利伊林公司的燈泡貫流式機(jī)組。系統(tǒng)要求啟、停機(jī)操作相當(dāng)頻繁，經(jīng)過(guò)十來(lái)年對(duì)電氣制動(dòng)在貫流式機(jī)組上應(yīng)用的探討摸索和不斷改進(jìn)，目前4臺(tái)機(jī)組的電氣制動(dòng)裝置均已投入使用，且運(yùn)行可靠良好，取得了很好的效果。

1.電氣制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)及原理

（1）傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組的停機(jī)制動(dòng)一般是在機(jī)組轉(zhuǎn)速降至20%ne（額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，投入機(jī)械制動(dòng)（大多采用機(jī)械活塞式制動(dòng)器），發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在摩擦阻力矩的作用下減速運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摩擦后最終停止運(yùn)轉(zhuǎn)。采用這種制動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)器直接作用在制動(dòng)環(huán)上，工作原理簡(jiǎn)單，通用性很強(qiáng)。但是由于是采用直接機(jī)械摩擦方式制動(dòng)，必須在機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到較低轉(zhuǎn)速后才能投入制動(dòng)，否則會(huì)使機(jī)組制動(dòng)產(chǎn)生很大的機(jī)械振動(dòng)并容易燒毀制動(dòng)塊，而機(jī)組在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段過(guò)程中，有可能導(dǎo)致推力軸承和軸承瓦面油膜破壞，造成瓦面磨損或燒壞，在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)塊與制動(dòng)環(huán)的摩擦?xí)煞蹓m，如果機(jī)組內(nèi)受油器或其他設(shè)備有漏油現(xiàn)象時(shí)，這些粉塵和油霧混合后會(huì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)機(jī)膛內(nèi)，粘附在定子和轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈及空氣冷卻器的表面，長(zhǎng)時(shí)間將會(huì)影響機(jī)組的散熱與絕緣。

（2）水輪發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的主要原理是當(dāng)機(jī)組與系統(tǒng)解列并滅磁成功停機(jī)，在轉(zhuǎn)速下降到一定轉(zhuǎn)速時(shí)（一般在95%ne）將發(fā)電機(jī)出口三相短路，同時(shí)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路施加一恒定制動(dòng)勵(lì)磁電流。這時(shí)同步發(fā)電機(jī)發(fā)生電樞反應(yīng)，其直軸分量體現(xiàn)為減磁，而交軸分量將產(chǎn)生一與轉(zhuǎn)速方向相反的電磁制動(dòng)力矩。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在此電磁制動(dòng)力矩與其他阻力矩的共同作用下，快速通過(guò)低轉(zhuǎn)速區(qū)，從而縮短了停機(jī)時(shí)間，避免了機(jī)組因低轉(zhuǎn)速運(yùn)行可能帶來(lái)的危害，延長(zhǎng)了發(fā)電機(jī)電氣壽命和機(jī)械壽命。目前在大中型水輪發(fā)電機(jī)組上普遍采用了電氣制動(dòng)方式，但在貫流式水輪發(fā)電機(jī)組上由于傳統(tǒng)觀念等因素的影響，一般都是設(shè)計(jì)配套了電氣制動(dòng)，但在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中應(yīng)用電氣制動(dòng)方式制動(dòng)的較少。

2.大源渡水電站電氣制動(dòng)系統(tǒng)

大源渡水電站采用奧地利伊林公司生產(chǎn)的電氣制動(dòng)裝置。該裝置由制動(dòng)電源勵(lì)磁變壓器和定子三相短路開(kāi)關(guān)柜、勵(lì)磁系統(tǒng)控制柜等構(gòu)成。機(jī)組勵(lì)磁為并激勵(lì)方式，該系統(tǒng)由勵(lì)磁開(kāi)關(guān)QF1、三相高壓保險(xiǎn)、勵(lì)磁變T1、三相全控可控硅整流橋、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、測(cè)量用電壓互感器、電流互感器、交直流回路保護(hù)系統(tǒng)和操作繼電器等組成。原理見(jiàn)圖1，制動(dòng)電源取自10.5kV母線(xiàn)，制動(dòng)勵(lì)磁電流根據(jù)發(fā)電機(jī)額定短路勵(lì)磁電流設(shè)置為560A，由10.5kV母線(xiàn)經(jīng)勵(lì)磁變壓器和三相全控可控硅整流橋供給。整流橋采用電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，整流輸出穩(wěn)定。通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置邏輯控制，主要完成檢測(cè)電氣制動(dòng)投入條件，即機(jī)組LCU是否發(fā)出投電氣制動(dòng)命令，其控制程序見(jiàn)圖2。

機(jī)組LCU發(fā)出投電氣制動(dòng)命令的前提是發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)分位、導(dǎo)葉全關(guān)、機(jī)組內(nèi)部無(wú)事故、轉(zhuǎn)速降低至95%ne。當(dāng)電氣制動(dòng)條件滿(mǎn)足，即收到投電氣制動(dòng)命令，在機(jī)端電壓Uf＜5%U（e發(fā)電機(jī)額定電壓）時(shí)，將順序閉鎖發(fā)電機(jī)保護(hù)，閉合發(fā)電機(jī)定子三相短路開(kāi)關(guān)RES和直流開(kāi)關(guān)QF2。制動(dòng)過(guò)程中，短路開(kāi)關(guān)RES和直流開(kāi)關(guān)QF2之一合不上，或電氣制動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，即機(jī)組轉(zhuǎn)速由95%ne降至1%ne時(shí)間超過(guò)60s（電氣制動(dòng)正常投入時(shí)應(yīng)為120s左右），或裝置本身故障時(shí)，PLC將向機(jī)組LCU發(fā)出電氣制動(dòng)失敗信號(hào)，電氣制動(dòng)退出，并且PLC發(fā)出逆變滅磁信號(hào)。滅磁后，PLC順序分?jǐn)嘀绷鏖_(kāi)關(guān)QF2和短路開(kāi)關(guān)RES，恢復(fù)投入繼電保護(hù)，等待下次停機(jī)投電制動(dòng)命令。

3.調(diào)試運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析與處理

電氣制動(dòng)在調(diào)試和投運(yùn)以來(lái)出現(xiàn)了以下幾種現(xiàn)象：①發(fā)電機(jī)出口斷路器在位置分閘試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)合上電制動(dòng)電源開(kāi)關(guān)后，電氣制動(dòng)自動(dòng)投入。②在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)組在水機(jī)事故時(shí)，電氣制動(dòng)不能自動(dòng)投入。③當(dāng)機(jī)組與系統(tǒng)解列后電氣制動(dòng)立即投入，使發(fā)電機(jī)三相短路開(kāi)關(guān)帶壓合閘，出現(xiàn)了短路電流。④投電氣制動(dòng)后機(jī)組完全停下后，制動(dòng)不能自動(dòng)退出，依靠制動(dòng)超時(shí)故障才將電氣制動(dòng)退出的故障現(xiàn)象。⑤投入電制動(dòng)后，機(jī)組轉(zhuǎn)速在即將停止但還未停止就報(bào)制動(dòng)失敗，并將制動(dòng)退出運(yùn)行的故障現(xiàn)象。

（1）針對(duì)故障現(xiàn)象①，將電氣制動(dòng)的程序傳出進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在程序中投發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的條件是：發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)分閘（%I001）、導(dǎo)葉全關(guān)（%I002）、機(jī)組無(wú)事故（%I003）、機(jī)組轉(zhuǎn)速≤95%ne（%I004）4個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足要求時(shí)，PLC就發(fā)出投電氣制動(dòng)的命令，這種邏輯控制程序存在很大缺陷。因在正常停機(jī)狀態(tài)下，以上4個(gè)條件都能滿(mǎn)足，但是此時(shí)不能投電氣制動(dòng)。電氣制動(dòng)是在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中才能投入，除此之外無(wú)論是在空載、并網(wǎng)運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)下均禁止投入，否則將造成嚴(yán)重的后果。為杜絕此現(xiàn)象，在投電氣制動(dòng)（%Q001）梯形圖中加入一個(gè)由機(jī)組LCU發(fā)出的“停機(jī)令”（%I007）的閉鎖點(diǎn)，即只有在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中才開(kāi)放投電氣制動(dòng)（%Q001）這一程序，其他任何狀態(tài)均閉鎖此回路。

（2）針對(duì)故障現(xiàn)象②，經(jīng)分析認(rèn)為，機(jī)組水機(jī)事故如熱風(fēng)、冷風(fēng)和軸瓦過(guò)高事故停機(jī)時(shí)可以投入電氣制動(dòng)，特別是軸承溫度過(guò)高時(shí)，即時(shí)投入電氣制動(dòng)讓機(jī)組立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)有利于保護(hù)軸承和軸瓦。而原設(shè)計(jì)的程序是當(dāng)機(jī)組有事故時(shí)閉鎖投電氣制動(dòng)，機(jī)組事故閉鎖點(diǎn)中包括了電氣事故和水機(jī)事故，經(jīng)修改機(jī)組LCU的程序，讓其發(fā)出一個(gè)機(jī)組電氣事故點(diǎn)，將電氣制動(dòng)PLC中的%I003由原來(lái)的“機(jī)組無(wú)事故”定義為機(jī)組無(wú)電氣事故，從而使得機(jī)組出現(xiàn)水機(jī)事故停機(jī)也能可靠投入電氣制動(dòng)。（3）針對(duì)故障現(xiàn)象③，經(jīng)分析，認(rèn)為主要原因是當(dāng)機(jī)組與系統(tǒng)解列停機(jī)轉(zhuǎn)速降至95%ne時(shí)，發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)分閘（%I001）、導(dǎo)葉全關(guān)（%I002）、機(jī)無(wú)電氣事故（%I003）、機(jī)組轉(zhuǎn)速≤95%ne（%I004）、停機(jī)令（%I007）5個(gè)條件均滿(mǎn)足要求，投制動(dòng)令輸出，但由于勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)逆變滅磁的條件是轉(zhuǎn)速≤95%ne，由于這一條件同時(shí)滿(mǎn)足勵(lì)磁滅磁和投電氣制動(dòng)，當(dāng)滅磁未完成電氣制動(dòng)投入時(shí)會(huì)有上述現(xiàn)象，這不利于發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，為此，在投電氣制動(dòng)梯形圖加入一個(gè)“停機(jī)滅磁成功”（%I006）閉鎖點(diǎn)，只有在勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁成功后才能投入電氣制動(dòng)。

（4）針對(duì)故障現(xiàn)象④，從原程序中可以看出，電氣制動(dòng)完成的唯一判據(jù)是機(jī)組轉(zhuǎn)速＜1%ne，只有PLC收到這個(gè)信號(hào)后才認(rèn)為制動(dòng)完成，而出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因就是用于測(cè)速的齒盤(pán)測(cè)速裝置出現(xiàn)故障不能正確測(cè)量轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致≤1%ne這一開(kāi)關(guān)量不能及時(shí)傳給電制動(dòng)的PLC。而實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)機(jī)組停下來(lái)后為了防止轉(zhuǎn)子過(guò)熱應(yīng)立即撤掉加在轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁電流，為了安全，當(dāng)測(cè)速裝置出現(xiàn)故障，停機(jī)時(shí)不應(yīng)投入電氣制動(dòng)。為此，在投電氣制動(dòng)的梯形圖中加入了一個(gè)“轉(zhuǎn)速裝置故障”（%I008）閉鎖點(diǎn)。

（5）針對(duì)故障現(xiàn)象⑤，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原程序設(shè)計(jì)了一個(gè)制動(dòng)計(jì)時(shí)器，整定值是60s，當(dāng)發(fā)出電氣制動(dòng)令后開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果60s機(jī)組轉(zhuǎn)速未＜1%ne，就認(rèn)為制動(dòng)失敗，經(jīng)過(guò)多次實(shí)際檢測(cè)，機(jī)組在每次停機(jī)時(shí)，由額定轉(zhuǎn)速降至0的時(shí)間不完全相同，最大有近20s的時(shí)差，考慮到這個(gè)計(jì)時(shí)只是一個(gè)保護(hù)作用，為此根據(jù)實(shí)際情況，將原程序的60s延時(shí)改為80s延時(shí)，徹底解決了這一問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)幾次故障分析并處理后，得到了如圖3修改后的程序，經(jīng)過(guò)十來(lái)年的實(shí)際運(yùn)行表明電氣制動(dòng)運(yùn)行良好，完全達(dá)到了運(yùn)行要求，每次停機(jī)過(guò)程都能可靠投入與退出。

水輪發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)是一種清潔的制動(dòng)方式，其優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出機(jī)械制動(dòng)。它在機(jī)組停機(jī)時(shí)能使轉(zhuǎn)速快速下降并且無(wú)機(jī)械摩擦，通過(guò)不斷完善電氣制動(dòng)的控制程序，可以完全保證電氣制動(dòng)在投入與退出時(shí)的可靠性和安全性。