电气制动在京南电厂励磁系统改造中的应用

严少宗

(广西梧州桂江电力有限公司京南电厂,广西梧州 543002)

电气制动在京南电厂励磁系统改造中的应用

严少宗

(广西梧州桂江电力有限公司京南电厂,广西梧州 543002)

阐述了电气制动在贯流式水轮发电机组上应用原理及优点,介绍京南电厂励磁改造中电气制动的方案及控制流程,并对其在调试过程中出现的问题进行分析。

电气制动 京南电厂 应用

京南电厂位于珠江流域桂江支流下游,地处广西苍梧县京南镇,距离梧州市区约68公里。京南电厂灯泡贯流式水轮发电机组由奥地利ELIN公司及VOITH公司联合提供,总装机容量69MW(2×34．5MW),1997年投产。在2009年年底对京南电厂两台机组励磁系统进行了国产化改造,原励磁系统是奥地利ELIN公司生产的THYNE5可控硅自并激励磁系统,改造后的励磁系统采用武汉长江三峡能事达公司生产的IAEC-2000型励磁装置,自2010年初励磁系统改造后投入运行至今,机组在正常停机过程中均能正确投入电气制动,确保机组安全稳定地停机,取得了较好的效果。

图1

电制动投入流程图

1 电气制动原理

电气制动主要针对大型水轮机组。大型水轮机组由于惯性大,制动慢,制动过程中机械磨损严重,会造成污染,影响机组的绝缘和散热。在制动过程中加入电气制动,利用电制动力矩加快制动过程,可以减小机械部分的磨损,延长机组的使用寿命。相比于纯机械制动,电气制动具有制动力矩大、停机速度快、清洁无污染等优点。

电气制动停机技术是基于同步电机的电枢反应,以及能耗制动的原理。当机组停机,水轮机导叶关闭,发电机转子经一定时间的灭磁后,机端仅存由发电机剩磁决定的残压。此时,机组转子上存在四种转矩,由机组转动惯量决定的惯性转矩与原有速度的方向相同,而发电机的机械磨擦阻力矩、发电机的空气磨擦阻力矩、水轮机转轮的水阻力矩方向与原速度方向相反。此时电气制动装置自动捕捉电气制动允许通过的条件,条件一旦满足,由短路开关将发电机出口三相短路,然后重新施加励磁。根据同步发电机的电枢反应原理。此时将发生电枢反应。电枢反应的直轴分量仅体现为加磁场或者去磁,不反应有功转矩,而电枢反应的交轴分量则体现为有功转矩,其方向与原速度方向相反,从而增大制动力矩,达到快速停机的目的。

2 京南电厂电制动方案

京南电厂电气制动采用柔性电制动方案,即电气制动与励磁系统共用可控硅整流桥,不需要独立的制动整流桥。柔性电制动包含对电气制动流程的控制和对制动状态励磁的控制两部分,电气制动流程还包括了对励磁变开关ETC和短路开关SC的控制。其中,对电气制动流程的控制可由监控系统完成,也可由励磁调节器来完成。按照京南电厂原电气制动控制模式,为保持用户原来的运行习惯,这两部分都由励磁调节器来完成。

电气制动设备包括发电机出口短路开关S、励磁变压器T0001、励磁变高压侧开关ETC、灭磁开关Q0001、励磁可控硅全控整流桥以及相应的控制设备。整个电气制动一次回路原理图如图1所示。

3 京南电厂电制动控制流程

制动电源取自发电机出口断路器高压侧,通过励磁变压器降压和励磁可控硅整流桥整流后,提供机组所需的制动电流。具体流程如下。

正常停机时,机组解列后由机组监控系统发出励磁退出命令,励磁系统执行励磁退出流程,转子回路灭磁,并断开灭磁开关Q0001。当机组导叶全关,转速下降到额定转速的90%时,由机组监控系统发出电制动投入命令,励磁执行电制动投入流程(详见电制动投入流程图),依次合上发电机出口短路开关SC、灭磁开关Q0001,转入电制动状态,由可控硅整流桥给发电机组转子绕组提供恒定的励磁电流,在发电机定子三相绕组内产生制动力矩,使机组制动。当机组转速下降到额定转速的40%时,监控系统发出电制动退出命令,励磁执行电制动退出流程(详见电制动退出流程图),将转子电流减为0,并断开灭磁开关Q0001、励磁变高压侧开关ETC和发电机出口短路开关SC。同时,监控系统发出投入机械制动使机组转速降为0。当电气事故停机不投电制动。

4 电制动在运行过程中出现的问题及原因分析与处理

(1)在调试励磁电气制动投入试验过程中,机组正常停机,当机组转速下降到＜90%额定转速时,机组监控系统发出电气制动投入命令,励磁系统执行电制动投入流程,但执行电制动流程时间过长,经常出现电制动投入失败现象。经过厂家反复试验发现励磁系统执行电制动投入时间过长是由于励磁变高压侧ETC开关合闸时间过长引起,原来的励磁程序在励磁退出时要求分ETC开关,当励磁执行电制动流程时要重新合ETC开关,而ETC开关是负荷开关,整个合闸过程有20秒的时间,合闸时间过长引起电制动投入失败。京南电厂要求励磁厂家更改励磁退出程序,在励磁退出流程中取消分ETC开关命令,这样在电制动投入流程中就不需要重新合ETC开关,减少了20秒的电制动投入执行时间,经过反复试验,机组停机过程中当监控系统发电制动投入命令后,励磁系统就可以正确地执行电制动投入流程,没有出现电制动投入失败情况。

(2)在调试过程中出现过投电气制动程序机组完全停下后,电制动短路SC开关不能自动退出的故障现象。出现上述现象的主要原因是机组监控系统在退电制动程序与励磁系统执行电制动退出程序的时间配合不好引起,当机组监控系统判断机组＜1%额定转速时,机组监控系统发切除电制动命令,而这时励磁系统电制动退出流程还没完全走完就直接结束电制动退出程序,由于电制动短路SC开关是由电制动退出流程执行过程中由励磁系统发命令分闸,如果机组监控系统过早结束电制动退出程序,励磁系统就没有发命令分电制动短路SC开关。如果电制动短路SC开关没有分闸,在下次机组开机建压时就会发生发电机三相短路的事故,为了发电机安全,在机组监控系统停机流程里增加了分电制动短路SC开关流程,确保投电气制动程序机组完全停下后短路SC开关在分闸位置。

5 结语

电气制动停机技术是基于同步电动机的电枢反应,以及能耗制动的原理。在水轮发电机停机制动过程中加入电气制动,利用电制动力矩加快制动过程,可以减少机械部分的磨损,延长机组使用寿命。相比于纯机械制动,电气制动具有制动力矩大、停机速度快、清洁无污染等优点。

[1]陈遗志,刘国华.水电机组电气制动的设计与应用.水电厂自动化,2007(4).

[2]翟庆志.电机学[M].中国电力出版社,2008.