电制动在水轮发电机组停机中的应用

唐鹏程

(中国水利水电第三工程局有限公司制造安装分局，陕西安康 725000)

按照《水轮发电机基本技术条件》的要求，水轮发电机应装设一套采用压缩空气操作的机械制动装置，以在规定时间内使机组转动部分从20% ～30%(当推力轴承采用合金瓦时)和10% ～20%(当推力轴承采用弹性塑料瓦时)的额定转速能够连续制动停机［1］。机械制动的优点是结构简单，但随着使用次数的增多，会出现漏油或卡阻现象，从而增大维护工作量;制动过程中，因制动环表面温度急剧升高会产生热变形，导致制动闸和制动环磨损加剧、变形、龟裂。由于水轮发电机组担负着调峰、调频及事故备用的重大任务，启停频繁，故采用电制动方式缩短机组的停机时间十分必要。

水轮发电机组单纯采用机械制动装置所暴露的问题也越来越多，如制动时间长、易磨损、有粉尘污染等。为此，目前均采用电气和机械混合制动的方式。电制动是在机组转速下降到50%～60%的额定转速时［1］，按设置的程序投入运行;当转速继续下降到额定转速的10% ～5%时，再投入机械制动系统直到停机。作为正常的停机方式，只有当电制动失效或机组内部出现电气事故时，程序控制才会投入机械制动。

1 电制动原理

电制动原理是基于同步发电机的电枢反应，见图1。制动时将发电机出口三相短路，给转子加恒定电流，由电枢电流产生的电枢磁势可分解为直轴分量和交轴分量［2］。直轴分量(即无功分量)仅产生电磁力，不形成电磁转矩;而交轴分量(即有功分量)则产生电磁力，并形成电磁转距Tem，其方向与惯性转距方向相反，从而实现减速制动停机。

图1 同步发电机的电枢反应

当机组与电网解列、灭磁以后，待转速大约降至额定转速的50%～60%时，将发电机定子在机端出口三相短路，通过一系列逻辑操作，切换励磁电源;同时，励磁调节器转至电制动模式运行，给发电机转子绕组加恒定励磁电流。因为发电机正在转动，定子在转子磁场的作用下，感应产生短路电流，由此产生的电磁力矩正好与转子的惯性转向相反。在机组制动期间，该制动力矩和水轮机转轮在水中转动摩擦引起的水阻力矩、发电机通风损耗引起的风摩擦阻力矩及轴承摩擦损耗引起的阻力矩构成机组总的阻力矩。电制动力矩ME表达式为［3］:

式中，PE为铜损耗;ω为角频率为常数;R为定子有效电阻(75℃);Ik为定子短路电流。

通过表达式可以说明，电磁转矩与定子短路电流的平方成正比，而与机组转速成反比的关系;电制动力矩随机组转速下降而增大。因此，增大定子短路电流对缩短停机时间相当有效。停机过程中的关键在于低转速区中机组转速下降的陡度，只要电制动电流等于或大于定子额定电流，则电制动在低速区就可获得满意的转速下降率。

制动时必须将发电机定子绕组出线端直接短路或者串联一个负载电阻短路，如果发变组为单元接线，也可在主变高压侧短路，励磁电流由蓄电池组或三相厂用电系统经整流后的外部电源供给。为了获得最大的制动力矩，应充分利用发电机的定子容量，使定子短路电流约等于定子额定电流，通常按1～1.3的额定定子电流选取。

2 应用实践

湖北省潘口水电站安装有2台同型号，额定功率为250 MW的水轮发电机组，采用中国电器科学研究所生产的EXC9000型励磁装置。励磁系统由3个单相干式励磁变压器、三相全控桥可控硅整流装置、灭磁装置、双微机励磁调节器、制动变压器和发电机短路装置(RES)等组成。

2.1 主要参数

(1)发电机。该电站发电机的型号为SF250-52/13800;额定容量为SN=285.71 MVA;额定电压为UN=15.75 kV;额定电流为IN=10182.5 kV;额定转速为n=115.4 r/min;功率因数为cos φ=0.9;额定励磁电压为UfN=370 V;空载励磁电压为UfO=215V;额定励磁电流为IfN=2030 A;空载励磁电流为IfNO=1185 A。

(2)励磁变压器。该励磁变压器的型号为ZLDCB-1100/15.75/;额定容量为SN=1100 kVA;额定电压为UN=9093V/770V;额定电流为IN=121/1428.6 A。

(3)制动变压器。制动变压器的型号为2LSCB-630/400;额定容量为SN=630 kVA;额定电压为UN=400/220 V;额定电流为IN=721.7/1312.2 A。

(4)电制动短路开关(RES)。RES的型号为GN23-20Z/12500;额定电压为UN=20 kV;额定电流为IN=12500 A。

2.2 电制动主回路

该系统正常工况时与电制动共用励磁装置，励磁方式采用静止可控硅自并励方式，电制动主回路如图2所示。当机端短路时，励磁变无电源，制动电源来自于专用制动变压器，制动变接至厂用电，通过整流桥交流侧断路器QF1和QF2的切换，进行发电工况和电制动工况的转换。

图2 电制动原理

2.3 电制动工作流程

当停机信号给出、机组与系统解列后，导水机构关闭，同时发电机逆变灭磁。当转速下降到50%的额定转速以下时，由监控系统向励磁系统发出电制动投入令，电制动过程的流程控制是通过励磁系统的专用可编程控制器(PLC)实现。

(1)检测电制动投入的条件。正常停机时，当发电机与系统解列后，监控系统就会向励磁调节器发出停机令，由励磁调节器进行逆变灭磁。在具备以下条件时，监控系统向励磁系统发出电制动投入命令，即:①机组停机令已发;②发电机出口断路器已分;③灭磁、发电机机端残压＜10%UN;④导叶全关，机组不再有原动力矩;⑤发电机无内部电气故障;⑥机组转速下降到50%的额定值以下。

(2)当励磁系统的电制动PLC检测到电制动投入命令并判断条件满足后，依次闭锁继电保护、分励磁变副边开关QF1，合短路开关RES、合电制动电源交流开关QF2。

(3)控制励磁调节器转入电制动模式，使励磁系统向转子绕组输出设定的励磁电流值(60%IfN)形成制动力矩，完成电制动。

(4)在电制动过程中，任何一步如果不能满足电制动的条件，那么PLC都会发信号转为机械制动，并向计算机监控系统发送报警信号，电制动退出;同时进入第7步。

(5)当机组转速小于10%时，电制动完成，PLC向励磁调节器发逆变灭磁信号，灭磁成功后进入第7步。

(6)逆变灭磁失败，PLC将跳灭磁开关，然后进入第7步。

(7)当完成第3～5步或第6步后，PLC同时发信号给电制动电源交流开关QF2、短路开关RES、合整流变副边开关QF1，解除发电机继电保护，使励磁装置恢复到正常开机前的状态。

2.4 机械制动流程

(1)启动机械制动应具备的条件为:机组转速下降到10%的额定值或电制动失败。

(2)机械制动启动后，保持数秒后复归启动信号。

2.5 电制动失败

在电制动过程中，PLC始终对整个制动过程进行监测，当遇到以下异常情况时，PLC将向监控系统发出电制动失败报警信号，并退出电制动过程。此时，监控系统会投入机械制动装置完成制动。

(1)在规定时间内QF1不能分断，或RES、QF2开关不能合上。

(2)电制动时间过长(超过300 s)。

(3)电制动启动后一定时间内，励磁电流小于空载励磁电流的50%。

(4)定子电流大于额定定子电流的130%。

2.6 1号机组制动时间试验数据

1号机组制动时间试验数据列于表1。

通过潘口电站1号机组的停机试验数据可知，采用常规制动方式，从10%额定转速时加闸，从停机解列到零转速制动时间为372 s;当采用电制动与机械制动的混合方式，短路电流分别为1～1.3倍定子额定电流时，在50%额定转速时投入电制动，10%额定转速时加制动闸，从停机解列到零转速制动时间分别为 326 s、300 s、268 s、227 s;当制动电流为额定值的1.3倍时，停机时间缩短145 s，而线圈最高温升为3.8℃。

表1 1号机组制动时间数据

根据《水轮发电机基本技术条件》的规定，水轮发电机应能在额定负荷下承受1.3倍额定电流的短时过电流持续4 min;在额定负荷下承受1.2倍额定电流的短时过电流持续6 min;在额定负荷下承受1.1倍额定电流的短时过电流持续60 min而不会损坏［1］。电制动却是在空载情况下承受1.3倍额定电流，时间少于4 min。因此，定子绝缘和温升不会超出规定的上限。

通过电制动停机试验，定子电流在1～1.3倍额定电流时，温升在1～4℃之间，可见不会给发电机定子线圈带来任何威胁。同时，数据分析说明，用增加定子电流提高制动转矩的方式来缩短制动时间的效果非常明显。

3 电制动对继电保护的影响

(1)电制动的短路点一般设在发电机出口与断路器之间，在发电机差动保护范围之内。制动时将在差动保护回路内形成差流，为防止差动保护动作、误发信号，在投电制动时将保护闭锁。

(2)通常，发电机是采用零序过电压型定子接地保护装置，对于消弧线圈接地保护方式而言，在电制动停机过程中，当转速降至1/3的额定转速时，发电机定子绕组中3次谐波电势引起的基波电压谐振［4］，将导致保护误动作。采取电制动停机时，将发电机短路接地，以有效地消除其串联谐振现象。

4 结语

电制动只有电磁联系，无机械直接接触，它能克服机械制动的缺点，同时，机械制动可作为电制动失败或机组内部出现电气事故时的后备制动。因此，电制动能使水轮发电机组快速、更加安全可靠地停机。电制动的优势主要体现在以下方面。

(1)制动力矩与定子短路电流的平方成正比。

(2)制动力矩与机组的转速成反比，制动过程中，定子短路电流基本不变。因此，随着转速的下降，制动力矩反而会加大，制动力矩的最大值出现在机组将停止转动前的瞬间。

［1］ GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件［S］.

［2］ 辜承林.电机学［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［3］ 肖 宾，肖 浩.大中型水轮机组电制动选型与设计［J］. 水电厂自动化，2000，8(3):18-21.

［4］ 胡清洲.水轮发电机组电制动技术分析［J］.电力自动化设备，2002，8(8):32-34.