水轮发电机组高转速制动的危害及防范措施

牟玉雷

摘 要：水轮发电机组高转速运行中制动在水电厂时有发生，文章从设备、工作环境、作业人员三方面分析了造成水轮发电机组高转速制动的原因，提出了防范措施，并介绍了我厂在这方面所做的工作。

关键词：高转速；制动；原因；对策

1 概述

运转中的水轮发电机组具有很大的动能，即E=Jω2/2（J为机组转动部分的惯性矩，ω为机组的转动角速度）。在机组解列停机过程中，水轮机的导叶关闭之后机组的动能仅消耗在发电机转子与空气的摩擦力矩、轴承的摩擦力矩、水轮机与水的摩擦力矩之上，机组转速由额定降为零的时间较长。为了缩短机组在停机过程中的低速运转时间，防止推力轴承发生半干摩擦和干摩擦，以至烧毁推力瓦，水轮发电机组通常安装有一套强迫制动装置一制动风闸。制动风闸既用于停机制动，又用于机组顶转子用。制动时通入电厂低压气（我国制动用气工作压力允许范围为表压0.5-0.7MPa），顶转子时通入高压油。

典型的制动管路如图1。

制动干管与低压气相连接，采用自动制动运行时管路阀门的状态如图1中所示，停机过程中，当机组转速降到设定的制動转速时，电磁空气阀励磁，低压气经过三通阀进入风闸，顶起风闸进行制动。当需要进行顶转子操作时，将三通阀切至顶转子干管侧，启动油泵，将高压油泵入风闸顶起转子。投入强迫制动的时间一般要求是在机组转速下降到30%以后。因为转速从额定下降到30%的速度较快，而且推力瓦和镜板之间的相对速度较快，不会形成干摩擦。

2 水轮发电机组高转速制动的危害

如机组的转速较高时投入制动风闸，将造成以下不良后果：

（1）风闸投入时受到的冲击力大大增加，摩擦时产生的高温使制动环变形、龟裂，进而可能发展为疲劳断裂，危及安全运行；易造成风闸损害，发卡、变形从而造成正常制动时风闸不能顶起，制动完成以后不能复位，增加运行维护的工作量，情况恶劣时甚至造成制动闸块飞出，损坏发电机的定子绕组；（2）摩擦产生大量的粉尘，粉尘与风洞里的水蒸气、油雾混合，附着于发电机绕组表面使发电机的绝缘下降，并堵塞通风沟、降低冷却效果，使发电机的温度升高；（3）制动闸块磨损快，缩短了维护周期。某电站就曾发生闸块磨损后未能及时更换，制动环与风闸金属部分直接摩擦损坏制动环的事故；然而，由于种种原因，机组在高转速下制动的事件在水电厂还是屡见不鲜，是常见的水机误操作事故之一。

3 常见的高转速制动的原因

笔者在多年的运行实践中耳闻目睹了多起高转速制动事件，大致可以分为：

3.1 测速装置故障

由于制动系统在自动运行时，停机过程中是靠机组转速信号启动动作的，因此测速装置故障造成的高转速制动较为常见。

某水电厂1机组在安装完毕后进行调速器空载扰动试验时（调速器采用独立的齿盘测频），由于调速器大幅度抽动，造成压油装置事故低油压，机组事故停机。当时监控用测速装置采用残压测频，而该机处于试验状态，电压互感器隔离开关在拉开位置，没有残压信号上送，监控装置在判断机组有停机令（事故停机）、导叶全关（事故停机电磁阀动作），转速小于15%ne后自动将风闸投人，当时机组实际转速为96%ne。

某电厂机组在运行中发生永磁机断轴，值班员手动启动紧急停机，未考虑到永磁机断轴后，转速已低于转速继电器动作值，水机自动回路在检测到停机令后，自动投入制动风闸，造成高转速制动。

3.2 三通阀内漏

阀门内漏是机组在运行中发生风闸顶起的又一大原因。这种缺陷具有很大的隐蔽性，在操作前无法提前知道。

由于顶转子的油压通常高达数米甚至更高，在顶转子操作时，运行机组的三通阀即使只有很小的内漏，高压油也会串入将风闸顶起。某水电厂就曾发生过在对检修机组进行顶转子操作时，由于运行机组的顶转子给油阀漏油而将运行中机组的风闸顶起，造成机组强迫停运。

3.3 运行人员误操作

由于操作过程中失去监护，操作人员责任心差造成误操作是高转速制动的又一大原因。目前电厂广泛使用的测速装置都具有频率显示、相对转速显示方式（% ne）。在频率显示方式下测速装置显示的是机组频率，在对转速显示下，显示的是机组转速对应于额定转速的百分比。值班员将频率显示为25Hz误认为是转速已降至25% ne。手动投入风闸，实际上此时机组的转速为50% ne。

操作中走错间隔，误投运行机组风闸或是操作中误动阀门也是造成高转速制动的常见原因。

造成误操作的原因很多，从人的方面来看和员工的责任心、技术能力有关；从工作环境来看，和现场的目视化管理不到位，设备标示不清有关，运行人员凭记忆、凭经验操作而造成误操作。

3.4 运行人员冒险制动

某站在停机过程中，因导叶漏水大，机组转速在60% ne处下降速度极慢，运行人员在关闭球阀的过程中，又发生电磁阀发卡，球阀不能关闭，当即冒险投人风闸，强行制动。

3.5 运行方式安排不当

为了防止机组在运行中风闸被顶起，运行中要求风闸的下腔必须与大气相连通。在图1中，采用手动制动运行方式时，保持314阀常开保证风闸下腔与大气相连；自动制动运行时，应保证312阀常开，风闸下腔通过312阀，经未励磁的电磁空气阀与大气相连。

某站机组运行中，运行人员为防止电磁空气阀误动作，将自动制动给气阀312关闭，而手动排气阀314未开启，混淆了“手动”、“自动”两种运行状态，结果造成风闸在运行中被手动制动给气阀313的漏气所顶起。

4 防止高转速制动的对策

以上几种常见的高转速刹车现象，电站采取了相应的对策。

（1）针对测速装置故障误投风闸，电站在转速控制上，普遍采用两种不同测速原理的测速装置以“与”的方式出口，即只有当两种不同测频原理的测速装置共同认为机组达到了制动转速后，才投入电磁空气阀。某些水电厂在电磁空气阀前端加装了气源阀，气源阀的动作仍由监控开出控制，其动作转速比投制动电磁转速高10%，有效的防止了因监控误开出造成的高转速制动以及制动电磁阀关闭不严造成漏气。在顶转子干管和机组的三通阀之间加装了常闭截止阀，顶转子操作时，只开启被顶机组的的常闭截止阀，防止了因三通阀内漏顶起其它机组的事故。

（2）为防止二通阀内漏误顶转子的事故，在新建电厂中，顶转子已不再采用集中供油方式，而采用移动式油泵与机组顶转子油路活接头连接的方式。在这种供油方式下，保证了每次顶转子操作只能对一台机组进行。而新建电厂宽敞的厂房也为油泵的移动提供了足够的空间。

这种供油方式虽然操作的时候复杂一些，但是更加的安全，而且移动式油泵随时可以用作他用，考虑到机组顶转子的操作频率较小，所以不失为一种较好的选择。

（3）针对高速制动事故中人的因素如误操作、冒险操作等，要加强技术培训，让员工认识到高速制动的危害性，在作业现场做好设备双重名称以及操作方向的操作提示。在从事简单重复的工作时，人比机器更容易犯错误。所以在程序工作中，采用自动控制，减少人的参与无疑对安全生产有利。