电气制动在贯流式水轮发电机组的应用

邬海军

大源渡水电站总装机容量为120MW（4×30MW），系衡阳电网骨干电站。4台发电机是全套引进奥地利伊林公司的灯泡贯流式机组。系统要求启、停机操作相当频繁，经过十来年对电气制动在贯流式机组上应用的探讨摸索和不断改进，目前4台机组的电气制动装置均已投入使用，且运行可靠良好，取得了很好的效果。

1.电气制动的优点及原理

（1）传统的水轮发电机组的停机制动一般是在机组转速降至20%ne（额定转速）时，投入机械制动（大多采用机械活塞式制动器），发电机转子在摩擦阻力矩的作用下减速运行，随着转子转速下降，经过一段时间的摩擦后最终停止运转。采用这种制动方式的优点是制动器直接作用在制动环上，工作原理简单，通用性很强。但是由于是采用直接机械摩擦方式制动，必须在机组转速下降到较低转速后才能投入制动，否则会使机组制动产生很大的机械振动并容易烧毁制动块，而机组在经过较长的低转速运行阶段过程中，有可能导致推力轴承和轴承瓦面油膜破坏，造成瓦面磨损或烧坏，在制动过程中，制动块与制动环的摩擦会生成粉尘，如果机组内受油器或其他设备有漏油现象时，这些粉尘和油雾混合后会进入发电机机膛内，粘附在定子和转子线圈及空气冷却器的表面，长时间将会影响机组的散热与绝缘。

（2）水轮发电机电气制动的主要原理是当机组与系统解列并灭磁成功停机，在转速下降到一定转速时（一般在95%ne）将发电机出口三相短路，同时向发电机转子回路施加一恒定制动励磁电流。这时同步发电机发生电枢反应，其直轴分量体现为减磁，而交轴分量将产生一与转速方向相反的电磁制动力矩。发电机转子在此电磁制动力矩与其他阻力矩的共同作用下，快速通过低转速区，从而缩短了停机时间，避免了机组因低转速运行可能带来的危害，延长了发电机电气寿命和机械寿命。目前在大中型水轮发电机组上普遍采用了电气制动方式，但在贯流式水轮发电机组上由于传统观念等因素的影响，一般都是设计配套了电气制动，但在生产实际过程中应用电气制动方式制动的较少。

2.大源渡水电站电气制动系统

大源渡水电站采用奥地利伊林公司生产的电气制动装置。该装置由制动电源励磁变压器和定子三相短路开关柜、励磁系统控制柜等构成。机组励磁为并激励方式，该系统由励磁开关QF1、三相高压保险、励磁变T1、三相全控可控硅整流桥、励磁调节器、测量用电压互感器、电流互感器、交直流回路保护系统和操作继电器等组成。原理见图1，制动电源取自10.5kV母线，制动励磁电流根据发电机额定短路励磁电流设置为560A，由10.5kV母线经励磁变压器和三相全控可控硅整流桥供给。整流桥采用电流闭环调节，整流输出稳定。通过励磁调节装置逻辑控制，主要完成检测电气制动投入条件，即机组LCU是否发出投电气制动命令，其控制程序见图2。

机组LCU发出投电气制动命令的前提是发电机出口开关分位、导叶全关、机组内部无事故、转速降低至95%ne。当电气制动条件满足，即收到投电气制动命令，在机端电压Uf＜5%U（e发电机额定电压）时，将顺序闭锁发电机保护，闭合发电机定子三相短路开关RES和直流开关QF2。制动过程中，短路开关RES和直流开关QF2之一合不上，或电气制动时间过长，即机组转速由95%ne降至1%ne时间超过60s（电气制动正常投入时应为120s左右），或装置本身故障时，PLC将向机组LCU发出电气制动失败信号，电气制动退出，并且PLC发出逆变灭磁信号。灭磁后，PLC顺序分断直流开关QF2和短路开关RES，恢复投入继电保护，等待下次停机投电制动命令。

3.调试运行过程出现的问题及原因分析与处理

电气制动在调试和投运以来出现了以下几种现象：①发电机出口断路器在位置分闸试验时，当合上电制动电源开关后，电气制动自动投入。②在运行中发现当机组在水机事故时，电气制动不能自动投入。③当机组与系统解列后电气制动立即投入，使发电机三相短路开关带压合闸，出现了短路电流。④投电气制动后机组完全停下后，制动不能自动退出，依靠制动超时故障才将电气制动退出的故障现象。⑤投入电制动后，机组转速在即将停止但还未停止就报制动失败，并将制动退出运行的故障现象。

（1）针对故障现象①，将电气制动的程序传出进行分析发现，在程序中投发电机电气制动的条件是：发电机出口开关分闸（%I001）、导叶全关（%I002）、机组无事故（%I003）、机组转速≤95%ne（%I004）4个条件同时满足要求时，PLC就发出投电气制动的命令，这种逻辑控制程序存在很大缺陷。因在正常停机状态下，以上4个条件都能满足，但是此时不能投电气制动。电气制动是在机组停机过程中才能投入，除此之外无论是在空载、并网运行和停机状态下均禁止投入，否则将造成严重的后果。为杜绝此现象，在投电气制动（%Q001）梯形图中加入一个由机组LCU发出的“停机令”（%I007）的闭锁点，即只有在机组停机过程中才开放投电气制动（%Q001）这一程序，其他任何状态均闭锁此回路。

（2）针对故障现象②，经分析认为，机组水机事故如热风、冷风和轴瓦过高事故停机时可以投入电气制动，特别是轴承温度过高时，即时投入电气制动让机组立刻停止转动有利于保护轴承和轴瓦。而原设计的程序是当机组有事故时闭锁投电气制动，机组事故闭锁点中包括了电气事故和水机事故，经修改机组LCU的程序，让其发出一个机组电气事故点，将电气制动PLC中的%I003由原来的“机组无事故”定义为机组无电气事故，从而使得机组出现水机事故停机也能可靠投入电气制动。（3）针对故障现象③，经分析，认为主要原因是当机组与系统解列停机转速降至95%ne时，发电机出口开关分闸（%I001）、导叶全关（%I002）、机无电气事故（%I003）、机组转速≤95%ne（%I004）、停机令（%I007）5个条件均满足要求，投制动令输出，但由于励磁系统自动逆变灭磁的条件是转速≤95%ne，由于这一条件同时满足励磁灭磁和投电气制动，当灭磁未完成电气制动投入时会有上述现象，这不利于发电机的安全运行，为此，在投电气制动梯形图加入一个“停机灭磁成功”（%I006）闭锁点，只有在励磁系统灭磁成功后才能投入电气制动。

（4）针对故障现象④，从原程序中可以看出，电气制动完成的唯一判据是机组转速＜1%ne，只有PLC收到这个信号后才认为制动完成，而出现该现象的主要原因就是用于测速的齿盘测速装置出现故障不能正确测量转速，导致≤1%ne这一开关量不能及时传给电制动的PLC。而实际运行中，当机组停下来后为了防止转子过热应立即撤掉加在转子上的励磁电流，为了安全，当测速装置出现故障，停机时不应投入电气制动。为此，在投电气制动的梯形图中加入了一个“转速装置故障”（%I008）闭锁点。

（5）针对故障现象⑤，经分析发现，原程序设计了一个制动计时器，整定值是60s，当发出电气制动令后开始计时，如果60s机组转速未＜1%ne，就认为制动失败，经过多次实际检测，机组在每次停机时，由额定转速降至0的时间不完全相同，最大有近20s的时差，考虑到这个计时只是一个保护作用，为此根据实际情况，将原程序的60s延时改为80s延时，彻底解决了这一问题。

经过几次故障分析并处理后，得到了如图3修改后的程序，经过十来年的实际运行表明电气制动运行良好，完全达到了运行要求，每次停机过程都能可靠投入与退出。

水轮发电机电气制动是一种清洁的制动方式，其优越性远远超出机械制动。它在机组停机时能使转速快速下降并且无机械摩擦，通过不断完善电气制动的控制程序，可以完全保证电气制动在投入与退出时的可靠性和安全性。