電氣制動在巖灘發電公司水輪發電機組的應用

黃山

（大唐巖灘水力發電有限責任公司，廣西 大化 530811）

電氣制動在巖灘發電公司水輪發電機組的應用

黃山

（大唐巖灘水力發電有限責任公司，廣西 大化 530811）

介紹巖灘發電公司水輪發電機組電氣制動功能的工作原理、主回路接線及工作流程，以及在運行中出現的問題及解決方法。

水輪發電機;電氣制動;應用

巖灘水電站位于廣西紅水河中游,是一座以發電為主的大型水電站。電站安裝4臺單機容量302.5MW混流式水輪發電機組。電站于1985年3月動工興建 ，1992年9月第1臺機組投產發電，1995年6月4臺機組全部投產運行，是廣西電網的主力水電廠。

作為廣西電網第一調頻、調峰的水電廠，巖灘發電公司的水電機組的開停機比較頻繁，尤其是在枯水期，同時機組具有很大的轉動慣量，使停機問題顯得十分重要。水輪發電機組投產初期采用機械制動停機系統，機械制動的優點是結構簡單,但存在許多缺點：風閘磨損嚴重，產生機械疲勞和變形龜裂，風閘行程開關容易變形不復位，需運行人員到現場進行復歸，制動中產生的粉塵嚴重污染發電機定子繞組和轉子繞組，降低設備絕緣水平，危及發電機組的安全運行，同時增加檢修工作量。使用傳統的機械制動單一制動方式已經不能滿足現代控制運行方式的要求，大型水電機組裝設電氣制動停機顯得十分重要，巖灘公司曾于2001年在3號機組加裝電氣制動功能，由于當時國內電氣制動技術還不成熟，電氣制動設備可靠性不高，使電氣制動功能未能正常投入運行。2006年至2007年公司結合發電機組勵磁系統的升級改造重新加裝4臺機組電制動功能，采用在國產EXC9000型勵磁系統上開發出由軟件實現的電氣制動功能，稱為柔性電制動，即利用發電機勵磁系統的調節器和整流柜在機組制動時提供恒定的制動勵磁電流，以實現對機組停機制動。同時仍然保留機械制動方式，作為電氣制動失效時的后備或發電機內部電氣故障不允許投入電氣制動功能時對機組進行停機制動，也作為當水輪機漏水較大時在電氣制動退出后能對機組進行可靠制動。

1 電氣制動的工作原理

當發電機解列、滅磁以后，待機組轉速下降到額定轉速的50%～60%，將發電機定子在機端出口三相短路，通過一系列邏輯操作，提供制動電源，勵磁調節器轉到電制動運行模式，給發電機轉子加恒定的勵磁電流，因為發電機正在慣性轉動，定子繞組切割轉子磁場感應產生短路電流，三相定子短路電流產生旋轉磁場，定子旋轉磁場與轉子磁場相互作用產生的電磁力矩正好與轉子的慣性轉向相反，使機組減速制動停機。

在電氣制動過程中，定子繞組中的短路電流Ik是一恒定值，不隨機組轉速下降而變化。因為電氣制動過程中，通過轉子繞組的勵磁電流是相對穩定的，故可認為基波每極磁通量φ也是恒定的。

定子繞組感應的內電勢和縱軸同步電抗為：

式中：E—定子繞組感應的內電勢；

Kf—波形系數；

n—機組轉速；

P—發電機磁極對數；

KE—電壓系數，KE=4.44PWφKf/60；

Xd—縱軸同步電抗；

Kd—電樞反應系數，Kd=2πPL/60。

則短路電流Ik等于：

由式（4）可知，在電制動過程中，理論上定子短路電流Ik為恒定值，不隨轉速n改變。電氣制動轉矩ME的計算公式為:

由以上的分析可以得出在制動的過程中，有2個顯著特點：

（1）電制動轉矩ME與定子短路電流Ik的平方成正比；

（2）電制動轉矩ME與機組的轉速n成反比，在電氣制動過程中，由于定子短路電流基本不變，因此隨著轉速n的下降電制動轉矩ME反而加大,電氣制動的特性對低轉速停機具有獨特效果。

在電氣制動過程中，勵磁調節器要處于電制動模式，方能實現電制動功能。而EXC9000型勵磁系統只有在A通道或B通道這兩個自動通道中具有電制動工作模式，在C通道（模擬通道）不具有電制動工作模式。因此勵磁調節器只有處于A通道或B通道運行時方能實現停機電制動功能。電制動勵磁電流的給定可軟件設定，調整十分方便，有利于使制動過程達到最優。

2 電氣制動系統的組成

巖灘發電公司4臺機組勵磁裝置為自并勵結線方式，電制動功能的實現是在EXC9000型勵磁系統中增加1個勵磁切換柜，勵磁切換柜中主要有實現電制動邏輯操作的PLC控制回路，另外還有勵磁電源進線開關QL1、電制動電源開關QL2及其分合閘控制回路。電制動的啟勵、逆變及勵磁電流控制在勵磁調節器中實現，電制動PLC邏輯控制回路所需的發電機機端電壓、定子電流和轉子電流等各模擬量接點也是由勵磁調節器提供。電制動的主回路接線如圖1所示。在圖1中，正常運行時，勵磁電源進線開關QL1合上，電制動電源開關QL2及短路開關RES斷開，勵磁電源由發電機機端提供，經勵磁變ET、整流橋整流后為發電機轉子提供直流電。當電制動運行時，勵磁電源進線開關QL1斷開，短路開關RES合上將機端三相短路，機端短路時，勵磁變ET無電源，合上電制動電源開關QL2，制動電源來自于專用制動變壓器BT，制動變接至廠用電。也就是說，發電機勵磁系統在由發電工況轉至制動工況下，整流電源需經由操作回路控制整流橋交流側斷路器QL1和QL2進行切換。巖灘發電公司4臺機組共用1臺制動變，限于制動變的容量，一次只能投入1臺機組的電制動。

圖1 電制動主接線圖

發電機主要參數：

發電機額定功率Pe=302.5MW；發電機額定電壓Ue=15.75kV；發電機額定電流Ie=12673A；發電機額定功率因數cosφ=0.875；發電機額定頻率fe=50Hz；發電機額定勵磁電流ILn=1968A；發電機額定勵磁電壓ULn=464V；發電機額定空載勵磁電流IL0=1056A；發電機額定空載勵磁電壓UL0=156V

QL1、QL2主要參數：

型號E3H/E MS；額定電壓1000V；額定電流2500A

短路開關RES主要參數：

型號GN22-20Z型戶內高壓隔離開關；額定電壓20kV；額定電流16000A

制動變主要參數：

額定容量280kVA；額定一次電壓400V；額定二次電壓179V；額定一次電流404A；額定二次電流903A

3 電氣制動的工作流程

電氣制動中的流程控制是通過勵磁切換柜中的可編程控制器（PLC）實現的，PLC在實現整個電制動過程中起著關鍵的作用。電制動的工作流程圖如圖2所示。

3.1 電制動的投入控制

當機組解列后需要正常停機時，首先由監控系統發出停機令，勵磁調節器逆變滅磁，具備以下條件時，由監控系統向勵磁系統發出電制動準備就緒令和投電制動令，啟動電制動流程。

圖2 電制動工作流程圖

（1）導葉全關

（2）機組電制動功能投入且其余機組電制動短路開關未處于合閘位

（3）機組轉速下降到60%額定值

（4）滅磁開關處于合閘位（即機組無事故）

3.2 勵磁系統電氣制動程序的執行

（1）當勵磁切換柜中的可編程控制器（PLC）收到監控系統發出的電制動投入命令后，首先判斷出口開關跳開且n＜60%ne（投電制動條件1）滿足后，開出電制動投入令，驅動外部繼電器，為短路開關RES合閘操作提供準備。然后判斷機端電壓U＜10%Ue且勵磁電流IL＜10%ILe（投電制動條件2）滿足后依次閉鎖發電機差動保護、發電機啟停機保護、注入式發電機定子接地保護，分勵磁電源進線開關QL1,合短路開關RES，合電制動電源開關QL2。

（2）隨后開出啟動調節器電制動令去啟動勵磁調節器的調節程序，使勵磁調節器由發電運行模式轉換為電制動運行模式，延時5s鐘開出調節器電制動開機令至勵磁調節器，勵磁調節器收到電制動開機令后進行起勵操作，發出脈沖，控制整流柜輸出勵磁電流至整定值40%ILn，形成制動力矩，對發電機進行電氣制動。

（3）在電制動過程中，PLC始終監測整個制動過程是否正常，當遇到以下異常情況時，PLC停止向勵磁調節器發出啟動調節器電制動令和調節器電制動開機令，使勵磁調節器逆變滅磁，退出電制動過程，同時向監控系統發出電制動故障信號，當監控系統收到電制動故障信號且機組轉速n＜20%ne時投入機械制動裝置完成機組的制動。

1）QL1不能分斷，或RES、QL2開關不能合上；

2）電制動啟動10s后勵磁電流IL＜10%IL0（IL0為空載額定勵磁電流）；

3）電制動啟動10s后仍未閉鎖繼電保護；

4）定子短路電流 I＞120%Ie；

5）電制動時間過長，超過整定值（電制動時間整定值為 400s）。

（4）在電制動過程中，若沒有發生任何異常情況，則當機組的轉速下降到5%ne時，延時15s后PLC退出啟動調節器電制動令和調節器電制動開機令，使調節器逆變滅磁，退出電制動，并向監控系統發出電制動完成信號，監控系統收到電制動完成信號且判斷轉速n＜5%ne時投入機械制動裝置完成機組的制動。

（5）當逆變滅磁失敗，PLC將發出跳滅磁開關命令，將滅磁開關跳開。

（6）當電制動PLC程序向勵磁調節器發出逆變滅磁命令后延時10s發令分電制動電源開關QL2、短路開關RES，合勵磁電源進線開關QL1,解除對發電機差動保護、啟停機保護、注入式定子接地保護的閉鎖，使勵磁裝置恢復到正常開機前的狀態。

4 電氣制動投入對機組繼電保護的影響

在電制動工況下，需要合上短路開關RES將發電機出口三相短路，產生定子短路電流，從而產生制動力矩，使機組制動停機，此時會在發電機差動保護回路內形成較大差動電流，導致差動保護誤動作，因此在電制動投入過程中閉鎖發電機差動保護，同時還閉鎖發電機啟停機保護、注入式發電機定子接地保護，防止保護誤動作出口跳開滅磁開關，導致電氣制動失敗。

5 短路開關二次接線回路的閉鎖

為防止短路開關RES在機組正常發電運行時誤合上導致發電機端發生三相短路的重大事故，必須在短路開關控制回路設置可靠的閉鎖。電制動回路的設計從下面幾方面保證短路開關可靠不誤動。

（1）在短路開關的合閘回路串接入勵磁電源進線開關QL1的常閉輔助接點，當機組正常發電運行時勵磁電源進線開關QL1在合位，其常閉輔助接點斷開短路開關的合閘回路，防止短路開關誤合閘。

（2）在短路開關的合閘回路串接入由監控系統發來的外部允許合短路開關令所控制的重動繼電器接點，只有監控系統在判斷投電制動的條件滿足后才向電制動回路發出允許合短路開關命令，此命令所驅動的繼電器動作，其接點閉合，方允許短路開關合閘，防止短路開關誤動。

（3）在短路開關合閘回路串接入由電制動流程開出的電制動投入令所驅動的外部繼電器接點，只有在電制動程序啟動并判斷所有條件滿足后才發出電制動投入令，此命令所驅動的外部繼電器動作，其接點閉合，作為允許短路開關合閘的條件之一。

（4）監控系統在開機時向電制動控制回路發出開機聯跳短路開關命令，此命令驅動重動繼電器，其接點閉合，接通短路開關跳閘回路，保證開機時短路開關處于分閘位置。

（5）將勵磁電源進線開關QL1、電制動電源開關QL2、短路開關RES位置信號以及電制動閉鎖發電機保護的接點接入監控系統，以便運行人員及時監視電制動回路各開關的位置狀態。

6 電制動投運中存在的問題及解決辦法

巖灘發電公司電制動在投運之后曾出現一些問題，隨著對出現問題的逐步解決，電制動可靠性大大提高。

（1）短路開關在合閘時發生動觸頭進入靜觸頭過程中卡死，造成短路開關合閘不到位，導致開關操作機構電機長期通電發熱燒毀。通過對短路開關觸頭壓力進行調整，加裝導引槽，引導動觸頭順利進入靜觸頭，同時在短路開關分、合閘控制回路中加裝時間繼電器，時間整定為10s，即合閘時間達10s后斷開短路開關控制回路，防止操作電機長時間運行發熱燒壞。

（2）在電制動投入過程中，定子繞組有短路電流，機端也有一定數值的短路電壓，因此電測儀表中的機組有功變送器和無功變送器測量到一定數值的機組有功功率和無功功率，并經過遠傳系統上傳至調度中心，影響調度中心對整個發電站發出功率的正確判斷，進而影響對機組有功功率和無功功率的分配。為解決電制動投入過程中功率的誤上傳問題，將勵磁電源進線開關QL1的常開輔助接點和電制動電源開關QL2的常閉輔助接點并聯后串接入機組有功變送器和無功變送器的輸出回路中，當機組正常運行時，勵磁電源進線開關QL1合上，電制動電源開關QL2斷開，可靠接通機組有功變送器和無功變送器的輸出回路，將機組正常發電時的功率傳送到調度中心。在電制動投入時，勵磁電源進線開關QL1斷開，電制動電源開關QL2合上，斷開機組有功變送器和無功變送器的輸出回路，使機組功率不誤傳至調度中心。

（3）機組振動使電制動控制回路中的繼電器松動接觸不良，使電制動投入過程中各開關未能正常分合操作，造成電制動失敗。通過對繼電器進行檢驗、緊固以及更換新的繼電器后問題得到解決。

（4）短路開關的操作電源采用220V交流電源，與整流柜風機電源同取自廠用電與自用電的切換電源，以廠用電為主用電源，廠用電消失后切換至自用電運行。電制動過程中如果廠用電消失，會使短路開關的操作電源切換至自用電，此時自用變的一次側電壓已切換為制動變壓器BT的副邊電壓，不是發電運行時的勵磁變副邊980V電壓，因此自用電的電壓會明顯下降，使短路開關不能正常操作，造成電制動失敗。為避免此種情況發生，在電制動投入過程中，盡量避免進行機組廠用電源的倒閘操作，同時考慮短路開關操作電源采用UPS電源的可能性。

7 電制動回路在其它方面用途的探討

巖灘發電公司配有一套它勵方式的備用勵磁裝置，做為主勵磁系統故障的備用，但公司每臺機組主勵磁系統的調節器有三個通道，兩個自動通道和一個手動通道，有四個勵磁整流柜，每個整流柜的額定電流為1770A，勵磁整流柜設計的冗余度較大，主勵磁系統的可靠性較高，備用勵磁裝置主要作為機組檢修后的零起升壓、升流使用。電制動過程也是它勵方式，因此可以考慮采用電制動回路代替備用勵磁裝置完成對機組的零起升壓、升流試驗。

8 結束語

水輪發電機組采用電制動功能可以較大程度地改善機組的停機運行工況，縮短停機時間，克服傳統制動方式—機械制動的缺點。巖灘發電公司4臺機組的電制動功能通過不斷完善目前投入成功率大大提高，為機組安全穩定運行提供有力保障。

[1]李基成.同步發電機勵磁系統設計與應用[M].第2版.

TM312

B

1672-5387（2011）02-0014-04

2010-10-11

黃山（1972-），男，工程師，從事水電站電氣二次檢修維護工作。