淺談某水電廠發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的優(yōu)化改造

沈 繼 東

(國家電投集團(tuán)廣西電力有限公司，廣西 南寧 530029)

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淺談某水電廠發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的優(yōu)化改造

沈 繼 東

(國家電投集團(tuán)廣西電力有限公司，廣西 南寧 530029)

在某水電廠發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的優(yōu)化改造中表明，無論選用何種材料的非線性電阻，采用可控硅跨接器及優(yōu)秀的邏輯控制是保護(hù)非線性電阻效能、延長壽命的有效手段。試驗(yàn)證明，改造后的電氣制動(dòng)更加合理，可靠。

電氣制動(dòng)；特點(diǎn)；分類；主要問題；改造過程

1 概 述

自上個(gè)世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)已有多個(gè)水電站的發(fā)電機(jī)采用電氣制動(dòng)，但實(shí)際運(yùn)行中的使用效果不太理想。有的短路開關(guān)觸頭被燒損，有的因操作回路不合理而誤動(dòng)或拒動(dòng)。緣于此，目前國內(nèi)水電機(jī)組大多還是普遍采用傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)方式，即風(fēng)閘與制動(dòng)環(huán)直接接觸產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)組制動(dòng)。然而，對于大型機(jī)組來說，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，制動(dòng)風(fēng)閘與制動(dòng)環(huán)之間的摩擦劇烈。長時(shí)間運(yùn)行，風(fēng)閘容易出現(xiàn)頂不起來或落不下去的故障；而且摩擦產(chǎn)生的污染，嚴(yán)重影響機(jī)組的絕緣和散熱，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，必須在機(jī)組停機(jī)時(shí)盡可能地采用可靠的制動(dòng)來縮短機(jī)組的停機(jī)時(shí)間[1]。

2 電氣制動(dòng)的特點(diǎn)與基本原理

電氣制動(dòng)的工作原理是基于同步電機(jī)的電樞反應(yīng)。在機(jī)組與電網(wǎng)解列發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁后，將定子三相短路，同時(shí)給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加勵(lì)磁電流，使它產(chǎn)生一個(gè)方向與機(jī)組慣性力矩的方向相反，具有強(qiáng)大制動(dòng)作用的電磁轉(zhuǎn)矩。這里的勵(lì)磁電流一般由廠用電系統(tǒng)經(jīng)整流后接入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論可知，制動(dòng)力矩ME可表達(dá)為：

(1)

電氣制動(dòng)力矩出現(xiàn)最大值時(shí)的轉(zhuǎn)速nmax為

(2)

最大電氣制動(dòng)力矩為：

(3)

式中 Ib為制動(dòng)勵(lì)磁電流；n為機(jī)組轉(zhuǎn)速；r定子繞組的有效電阻；xd為直軸同步電抗。

從式中可以看出，電氣制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)速下降而增大。根據(jù)以上理論依據(jù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，即使投入電氣制動(dòng)，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也是非常小的，而且在較高的轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)軸承比較容易形成油楔，所以，對軸承有影響的因素一般在低轉(zhuǎn)速區(qū)。因此，在機(jī)組停機(jī)過程中，并不是一開始就投入電氣制動(dòng)，而是在轉(zhuǎn)速下降到一定程度才投入電氣制動(dòng)。

在發(fā)電機(jī)解列、滅磁以后，待機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的50%～60%左右，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，提供制動(dòng)電源，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組加勵(lì)磁電流。因發(fā)電機(jī)正在轉(zhuǎn)動(dòng)，定子在轉(zhuǎn)子磁場的作用下，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，起到制動(dòng)的作用。

有上述公式1可以看出電制動(dòng)有2個(gè)顯著特點(diǎn)：

(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，在制動(dòng)過程中，由于定子短路電流基本不變，因此，隨著轉(zhuǎn)速的下降制動(dòng)力矩反而是加大的，其最大值出現(xiàn)在機(jī)組將停止轉(zhuǎn)動(dòng)前的瞬間；

根據(jù)以上特點(diǎn)，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額定定子電流，但要獲得額定定子電流，根據(jù)發(fā)電機(jī)短路的特性，勵(lì)磁電流應(yīng)達(dá)到發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁的電流值[2]。

3 電氣制動(dòng)的主要分類

按照制動(dòng)整流橋的形式，現(xiàn)在國內(nèi)電廠運(yùn)行的電氣制動(dòng)主要有兩種方式：

(1)柔性電制動(dòng)

所謂柔性電制動(dòng)，是指將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與電制動(dòng)系統(tǒng)合二為一的柔性電制動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁裝置的整流橋兼作電制動(dòng)時(shí)的動(dòng)整流橋用。

(2)硬件制動(dòng)

所謂硬件制動(dòng)，主要是指電氣制動(dòng)時(shí)有單獨(dú)的制動(dòng)整流橋，該整流橋一般為二極管整流橋，其操作主要依靠整流橋的輸入和輸出開關(guān)操作組成。

這種方法操作簡單，可靠，易于實(shí)現(xiàn)，被中小型電站所青睞，下述電站即使用此種電制動(dòng)方式。

4 某電站電氣制動(dòng)存在的主要問題及改造過程

4.1 該廠電氣制動(dòng)現(xiàn)狀

該廠正常停機(jī)時(shí)主要采用電氣制動(dòng)方式降低轉(zhuǎn)速，在短時(shí)間內(nèi)使發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)；發(fā)出停機(jī)令后，關(guān)閉球閥，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到60%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電氣制動(dòng)通過硬件制動(dòng)方式投入運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到0時(shí)，停機(jī)過程完成；制動(dòng)時(shí)間限制為205s左右。

4.2 存在的問題

該電廠電制動(dòng)系統(tǒng)是由勵(lì)磁裝置采用硬件電制動(dòng)方式投入，電制動(dòng)電源通過二極管整流后匯入滅磁開關(guān)后方，與勵(lì)磁直流電纜匯合，滅磁電阻通過滅磁開關(guān)輔助觸頭連接在轉(zhuǎn)子兩側(cè)。實(shí)際情況是在整個(gè)電氣制動(dòng)過程中，由于其滅磁開關(guān)采用的是CEX開關(guān)，滅磁開關(guān)處在在分位狀態(tài)，滅磁電阻則一直并在轉(zhuǎn)子兩側(cè)帶電，長期運(yùn)行勢必勢必對滅磁電阻造成損害。

4.3 改造過程

為了避免使非線性電阻在電制動(dòng)過程中長期運(yùn)行，以延長電阻器壽命，提高電制動(dòng)效率，減少制動(dòng)時(shí)間，通過研究對勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁回路進(jìn)行如下改造。

為解決上述問題，要在電制動(dòng)過程中斷開非線性滅磁電阻和轉(zhuǎn)子的連接。但如果完全用開關(guān)、刀閘等硬件設(shè)備分?jǐn)啵瑒t會(huì)徹底使非線性電阻的滅磁功能及過電壓保護(hù)徹底失效。比如在機(jī)組轉(zhuǎn)速大于60%額定時(shí)或者電制動(dòng)在機(jī)組停轉(zhuǎn)前突然退出時(shí)，滅磁電阻無法瞬間投入，滅磁能力失效，轉(zhuǎn)子則會(huì)蓄積大量能量，勢必給整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)帶來巨大危害。因此，不能完全使用純物理方式斷開滅磁電阻。通過對以上問題的思考，滅磁電阻既要在電制動(dòng)環(huán)節(jié)處于非工作不帶電狀態(tài)，又要時(shí)刻存在于滅磁系統(tǒng)中，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子起到滅磁保護(hù)和過電壓保護(hù)作用，可采用可控硅跨接器加非線性滅磁電阻的硬件方式可以替換原有的純非線性電阻硬件方案。

新方案的滅磁回路采用廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的可控硅跨接器加非線性滅磁電阻，使其起到在滅磁過程中的滅磁及直流側(cè)過電壓保護(hù)作用，并在電制動(dòng)時(shí)對非線性電阻隔離，原理圖見下圖1所示。

可控硅跨界器中觸發(fā)可控硅的核心器件為折返二極管(BOD)。BOD的主要特點(diǎn)是當(dāng)該管陽極與陰極間電壓差值達(dá)到其本身的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)導(dǎo)通，低于轉(zhuǎn)折值時(shí)阻斷。通常，轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路中可控硅的觸發(fā)是由電阻分壓的方法來實(shí)現(xiàn)的，該方法的主要弊端是如果硅元件的特性參數(shù)變化，為了維持一定的導(dǎo)通電壓值，就需要重新選配串聯(lián)電阻，給出廠調(diào)試和用戶維護(hù)帶來不便。而采用BOD器件用于可控硅跨接器觸發(fā)，可以精確地整定過電壓保護(hù)動(dòng)作值，無須特別維護(hù)。

系統(tǒng)中的可控硅跨接器回路包括三個(gè)可控硅(圖1中V1、V2、V3)，其中兩個(gè)用于滅磁和反向過電壓(圖1中V2、V3)，另外一個(gè)用于正向過電壓(圖1中V1)。當(dāng)BOD檢測到正向或反向過電壓時(shí)，觸發(fā)對應(yīng)的可控硅導(dǎo)通，把非線性電阻接入轉(zhuǎn)子回路[2]。

系統(tǒng)中還包括一個(gè)霍爾變送器，用于檢測滅磁電阻中所流過的電流，數(shù)據(jù)反饋至勵(lì)磁系統(tǒng)控制器?；魻栕兯推靼惭b于滅磁開關(guān)后滅磁電阻電纜上。

圖中V1為正向過壓保護(hù)動(dòng)作用可控硅；V2、V3為反相滅磁及過壓保護(hù)動(dòng)作用可控硅；T1為霍爾變送器，檢測滅磁電阻中所流過的電流；R02為滅磁電阻

從圖1中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)解列、勵(lì)磁系統(tǒng)開始執(zhí)行滅磁操作，滅磁電阻參與滅磁系統(tǒng)工作。在正常運(yùn)行或機(jī)組解列轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的50%～60%左右，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，系統(tǒng)輸出電制動(dòng)電流給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。此時(shí)V2、V3兩組可控硅所承受的是反向電壓，并在沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，滅磁電阻被隔離開，無論是在正常運(yùn)行狀態(tài)下還是在電制動(dòng)過程中滅磁電阻都不參與系統(tǒng)工作，電制動(dòng)效果不受影響，滅磁電阻受到保護(hù)。

圖1 新方案的滅磁回路

4.4 現(xiàn)場試驗(yàn)及波形

通過現(xiàn)場改造，將非線性電阻和可控硅跨接器進(jìn)行串聯(lián)，并將可控硅跨接器安裝于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)屏的滅磁柜內(nèi)，同時(shí)將霍爾變送器穿套在非線性電阻電纜線上，輸出電流信號(hào)給到勵(lì)磁系統(tǒng)控制器中用于控制判斷及錄波。經(jīng)過計(jì)算，整定了可控硅跨接器過電壓保護(hù)動(dòng)作值。

通過試驗(yàn)記錄滅磁電流和定子電流的得出以下錄波波形圖。

圖2 電氣制動(dòng)投入波形圖

圖3 電氣制動(dòng)切除波形圖

從圖2波形圖中可以得知：當(dāng)-22秒時(shí)電制動(dòng)投入，由于轉(zhuǎn)子線圈加入電制動(dòng)電流，定子電流開始上升，制動(dòng)力加大。此時(shí)由于可控硅跨接器的作用，使滅磁電阻隔離，滅磁電阻上通過的電流瞬間降至0。從圖3電制動(dòng)切除階段波形圖可知：當(dāng)-3秒時(shí)定子電流接近0，此時(shí)電制動(dòng)切除，但C2通道檢測到有滅磁電流出現(xiàn)然后歸0，證明在電氣制動(dòng)切除的瞬間，滅磁電阻投入并工作。

通過上述分析，可以判斷在電制動(dòng)過程中滅磁電阻沒有接通而在電氣制動(dòng)切除的時(shí)候再將滅磁電阻接通，此方案獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

通過改造及現(xiàn)場運(yùn)行，該電廠滅磁電阻安全運(yùn)行，目前無維修記錄，受到了用戶的好評(píng)。同時(shí)，還還從中體會(huì)到：在改造過程中，選用碳化硅材料的非線性滅磁電阻體積更小、容量更大。但是，其正常轉(zhuǎn)子電壓下的漏電流遠(yuǎn)大于可控硅的維持電流，此時(shí)跨接器暫時(shí)不能返回，可能造成碳化硅材料因過電流沖擊而損壞。為了防止這一現(xiàn)象，可以采取勵(lì)磁控制器發(fā)逆變令的方法來保證跨接器的返回，氧化鋅電阻則無需這一操作。因此，無論選用何種材料的非線性電阻，采用可控硅跨接器及優(yōu)秀的邏輯控制是保護(hù)非線性電阻效能、延長壽命的有效手段。其次，原有連接形式不但增加制動(dòng)電源負(fù)擔(dān)，而且消耗更多的廠用電量，對發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，尤其在頻繁開停機(jī)情況下尤為突出。經(jīng)過改造后，廠用電率有一定下降。

[1] 三峽左岸電站電氣制動(dòng)簡介，胡先洪 萬和勇 三峽水力發(fā)電廠；

[2] EXC9000用戶手冊 廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司 用戶手冊.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

烏東德水電站左岸引水隧洞首節(jié)壓力

鋼管成功吊裝就位

9月20日，由葛洲壩三峽建設(shè)公司烏東德施工局承建的烏東德水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)6號(hào)引水隧洞下平段首節(jié)壓力鋼管成功吊裝就位，此舉標(biāo)志著烏東德水電站左岸地下電站水輪發(fā)電機(jī)組部分安裝工作正式啟動(dòng)，為后續(xù)左岸地下電站首臺(tái)(6號(hào))機(jī)組發(fā)電奠定了良好基礎(chǔ)。 烏東德水電站左岸地下廠房共安裝6臺(tái)單機(jī)容量85萬千瓦的水輪機(jī)組，其引水隧洞采用一洞一機(jī)平行布置型式。壓力鋼管布置在引水下平段，順?biāo)鹘?jīng)下平段、錐管段、連接段至水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口。左岸6臺(tái)機(jī)的6條壓力鋼管長度均為55.2米，總長約331.2米，內(nèi)徑13.5至11.5米不等，壓力鋼管管壁全部采用國產(chǎn)780 MPa級(jí)鋼板，壁厚56至64毫米。安裝高程為803.0米，其中最大單節(jié)管的重量高達(dá)65.8噸，6條管線工程總量約為6738.6噸，屬于超大型地下埋管。

2016-08-15

TV7；TB857+.3；TM571.2

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1001-2184(2016)05-0108-04

沈繼東(1982-)，男，青海西寧人，學(xué)士，工程師，從事發(fā)電廠電氣二次設(shè)備設(shè)計(jì)及發(fā)電廠安全生產(chǎn)管理工作.