電氣制動在京南電廠勵磁系統改造中的應用

嚴少宗

(廣西梧州桂江電力有限公司京南電廠,廣西梧州 543002)

電氣制動在京南電廠勵磁系統改造中的應用

嚴少宗

(廣西梧州桂江電力有限公司京南電廠,廣西梧州 543002)

闡述了電氣制動在貫流式水輪發電機組上應用原理及優點,介紹京南電廠勵磁改造中電氣制動的方案及控制流程,并對其在調試過程中出現的問題進行分析。

電氣制動 京南電廠 應用

京南電廠位于珠江流域桂江支流下游,地處廣西蒼梧縣京南鎮,距離梧州市區約68公里。京南電廠燈泡貫流式水輪發電機組由奧地利ELIN公司及VOITH公司聯合提供,總裝機容量69MW(2×34．5MW),1997年投產。在2009年年底對京南電廠兩臺機組勵磁系統進行了國產化改造,原勵磁系統是奧地利ELIN公司生產的THYNE5可控硅自并激勵磁系統,改造后的勵磁系統采用武漢長江三峽能事達公司生產的IAEC-2000型勵磁裝置,自2010年初勵磁系統改造后投入運行至今,機組在正常停機過程中均能正確投入電氣制動,確保機組安全穩定地停機,取得了較好的效果。

圖1

電制動投入流程圖

1 電氣制動原理

電氣制動主要針對大型水輪機組。大型水輪機組由于慣性大,制動慢,制動過程中機械磨損嚴重,會造成污染,影響機組的絕緣和散熱。在制動過程中加入電氣制動,利用電制動力矩加快制動過程,可以減小機械部分的磨損,延長機組的使用壽命。相比于純機械制動,電氣制動具有制動力矩大、停機速度快、清潔無污染等優點。

電氣制動停機技術是基于同步電機的電樞反應,以及能耗制動的原理。當機組停機,水輪機導葉關閉,發電機轉子經一定時間的滅磁后,機端僅存由發電機剩磁決定的殘壓。此時,機組轉子上存在四種轉矩,由機組轉動慣量決定的慣性轉矩與原有速度的方向相同,而發電機的機械磨擦阻力矩、發電機的空氣磨擦阻力矩、水輪機轉輪的水阻力矩方向與原速度方向相反。此時電氣制動裝置自動捕捉電氣制動允許通過的條件,條件一旦滿足,由短路開關將發電機出口三相短路,然后重新施加勵磁。根據同步發電機的電樞反應原理。此時將發生電樞反應。電樞反應的直軸分量僅體現為加磁場或者去磁,不反應有功轉矩,而電樞反應的交軸分量則體現為有功轉矩,其方向與原速度方向相反,從而增大制動力矩,達到快速停機的目的。

2 京南電廠電制動方案

京南電廠電氣制動采用柔性電制動方案,即電氣制動與勵磁系統共用可控硅整流橋,不需要獨立的制動整流橋。柔性電制動包含對電氣制動流程的控制和對制動狀態勵磁的控制兩部分,電氣制動流程還包括了對勵磁變開關ETC和短路開關SC的控制。其中,對電氣制動流程的控制可由監控系統完成,也可由勵磁調節器來完成。按照京南電廠原電氣制動控制模式,為保持用戶原來的運行習慣,這兩部分都由勵磁調節器來完成。

電氣制動設備包括發電機出口短路開關S、勵磁變壓器T0001、勵磁變高壓側開關ETC、滅磁開關Q0001、勵磁可控硅全控整流橋以及相應的控制設備。整個電氣制動一次回路原理圖如圖1所示。

3 京南電廠電制動控制流程

制動電源取自發電機出口斷路器高壓側,通過勵磁變壓器降壓和勵磁可控硅整流橋整流后,提供機組所需的制動電流。具體流程如下。

正常停機時,機組解列后由機組監控系統發出勵磁退出命令,勵磁系統執行勵磁退出流程,轉子回路滅磁,并斷開滅磁開關Q0001。當機組導葉全關,轉速下降到額定轉速的90%時,由機組監控系統發出電制動投入命令,勵磁執行電制動投入流程(詳見電制動投入流程圖),依次合上發電機出口短路開關SC、滅磁開關Q0001,轉入電制動狀態,由可控硅整流橋給發電機組轉子繞組提供恒定的勵磁電流,在發電機定子三相繞組內產生制動力矩,使機組制動。當機組轉速下降到額定轉速的40%時,監控系統發出電制動退出命令,勵磁執行電制動退出流程(詳見電制動退出流程圖),將轉子電流減為0,并斷開滅磁開關Q0001、勵磁變高壓側開關ETC和發電機出口短路開關SC。同時,監控系統發出投入機械制動使機組轉速降為0。當電氣事故停機不投電制動。

4 電制動在運行過程中出現的問題及原因分析與處理

(1)在調試勵磁電氣制動投入試驗過程中,機組正常停機,當機組轉速下降到＜90%額定轉速時,機組監控系統發出電氣制動投入命令,勵磁系統執行電制動投入流程,但執行電制動流程時間過長,經常出現電制動投入失敗現象。經過廠家反復試驗發現勵磁系統執行電制動投入時間過長是由于勵磁變高壓側ETC開關合閘時間過長引起,原來的勵磁程序在勵磁退出時要求分ETC開關,當勵磁執行電制動流程時要重新合ETC開關,而ETC開關是負荷開關,整個合閘過程有20秒的時間,合閘時間過長引起電制動投入失敗。京南電廠要求勵磁廠家更改勵磁退出程序,在勵磁退出流程中取消分ETC開關命令,這樣在電制動投入流程中就不需要重新合ETC開關,減少了20秒的電制動投入執行時間,經過反復試驗,機組停機過程中當監控系統發電制動投入命令后,勵磁系統就可以正確地執行電制動投入流程,沒有出現電制動投入失敗情況。

(2)在調試過程中出現過投電氣制動程序機組完全停下后,電制動短路SC開關不能自動退出的故障現象。出現上述現象的主要原因是機組監控系統在退電制動程序與勵磁系統執行電制動退出程序的時間配合不好引起,當機組監控系統判斷機組＜1%額定轉速時,機組監控系統發切除電制動命令,而這時勵磁系統電制動退出流程還沒完全走完就直接結束電制動退出程序,由于電制動短路SC開關是由電制動退出流程執行過程中由勵磁系統發命令分閘,如果機組監控系統過早結束電制動退出程序,勵磁系統就沒有發命令分電制動短路SC開關。如果電制動短路SC開關沒有分閘,在下次機組開機建壓時就會發生發電機三相短路的事故,為了發電機安全,在機組監控系統停機流程里增加了分電制動短路SC開關流程,確保投電氣制動程序機組完全停下后短路SC開關在分閘位置。

5 結語

電氣制動停機技術是基于同步電動機的電樞反應,以及能耗制動的原理。在水輪發電機停機制動過程中加入電氣制動,利用電制動力矩加快制動過程,可以減少機械部分的磨損,延長機組使用壽命。相比于純機械制動,電氣制動具有制動力矩大、停機速度快、清潔無污染等優點。

[1]陳遺志,劉國華.水電機組電氣制動的設計與應用.水電廠自動化,2007(4).

[2]翟慶志.電機學[M].中國電力出版社,2008.