电气制动技术在水电站自动化中的应用

李波

（贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂，贵州思南565100）

电气制动技术在水电站自动化中的应用

李波

（贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂，贵州思南565100）

水电站要实现自动化，实现机组的电气制动是关键的一环。文章着重探讨水轮发电机组电气制动的工作原理,分析了几种电气制动方法的特点及其应用场合,包括目前最常用的发电机定子端短路制动、发——变组高压短路制动和中小机组反接制动方法。深入探讨了发——变组高压短路制动和中小机组反接制动的可行性、实用性,为水电厂选择合理的电气制动方式提供了依据。

水电站；电气制动；定子端短路制动；反接制动

1 概述

水电厂要实现自动化,实现机组的电气制动是关键的一环。水轮发电机组在停机过程中,为确保轴承的安全,必须采用强迫制动停机。而传统制动方式是采用机械制动,存在明显不足，已无法满足现代化水电站的运行要求，对于水电厂实现无人值班、少人值守,提高自动化水平是一个很大的障碍。而电气制动是一种非接触式的制动方法,它是基于同步电机电磁感应的原理,将机组的剩余动能转变为热能而实现制动停机的。它提高了机组的自动化水平,具有更高的可靠性。因此加强对电气制动技术在水电站自动化中的应用研究十分必要。

2 机械制动和电气制动的对比分析

（1）机械制动的优缺点。水轮发电机组的传统制动方式采用机械制动,其优点是：运行可靠,使用方便,通用性强,用气压、油压操作所耗能源较少,在制动过程中对推力闸瓦的油膜有保护作用,既用来制动机组,又用来顶转子,故具有双重功能。由于机械制动的安全性和可靠性较高,所以不会因电网电源的中断或电气线路的故障而影响到制动。但这种制动方式也存在很多缺点：①对于启停调峰运行的发电机组,闸瓦磨损迅速,运行一段时间后,检修人员就需要更换闸瓦；②风闸本身有时不能自动落下,每次停机后,运行人员都需要进风洞检查,用撬杆撬落风闸,检修运行维护量大,这不但不能满足系统事故时停机后的迅速启动,同时很难实现无人值班的要求,降低了机组自动化水平；③制动中产生的粉尘随循环风进入转子磁轭及定子铁芯的通风道,长年积累会减小通风道的过风断面面积,影响发电机的冷却效果,导致定子温升增高；④粉尘与油雾结合四处飞落,污染定子绕组,妨碍散热,降低绝缘水平,增加检修工作量；⑤在制动过程中,制动环表面温度急剧升高,因而产生热变形,以致出现龟裂现象。

（2）电气制动的优缺点。为了克服机械制动的缺点,提出了对机组实现电气制动停机的方法。电气制动是一种非接触式的制动方法,它是基于同步电机电磁感应的原理,将机组的剩余动能转变为热能而实现制动停机的。电气制动的主要优点是：提高了机组的自动化水平,为实现无人值班提供了基础自动化的保证：有足够的可靠性;无磨损无污染;维护工作量小;没有机械制动时常伴有的噪音和振动;电气制动的制动力矩与机组转速成反比,即随着停机过程中的转速降低,制动力矩反而增大;制动投入转速不受限制;能有效改善水轮发电机的运行条件及满足可逆式机组运行工况迅速切换的要求。因此,对于高速大容量机组和承担峰荷频繁启动的机组,应用电制动停机有明显的优越性。

从两种制动方式的优缺点分析来看，寻求一种适合机组电气制动的方法以提高基础自动化的水平,是十分迫切和有现实意义的。

3 水轮发电机电气制动方法的研究

早前电气制动都是清一色采用发电机定子绕组三相短路,并对励磁线圈通以适当的励磁电流以产生制动力矩的方法来实现的。文章还提出了另外两种电气制动的方法,分析比较这些方法的原理、特点和应用场合,水电厂在设计和技术改造中可以根据实际情况进行选择。

（1）发电机定子三相短路电气制动。发电机定子三相短路电气制动,这种方法是已有的电气制动装置中应用最多的一种方法,也是最常见的制动方法,其电气制动的接线如图1所示,用三相开关将发电机定子短路,在转子绕组中通以适当的励磁电流,使发电机定子短路电流为额定电流的0.8～1.2倍,用定子绕组中的短路损耗实现机组制动。该制动方法是基于同步电机的电枢反应原理。在机组与电网解列并将发电机转子灭磁后,合上三相开关ZDK将发电机定子短路,励磁电流由厂用电系统经整流后的外部电源供给。这样在定子中就流过了短路电流,该电流在定子绕组中产生铜耗制动力矩,其方向与机组的惯性力矩方向相反,电制动力矩以及机组的其它阻力矩一起作用使机组快速停机,从而保证机组推力轴承的安全。

图1 发电机定子三相短路电气制动接线图

（2）发电机——变压器单元高压侧短路电气制动。水电厂一般如无近区负荷,发电机端往往不设母线而采用发电机——变压器单元接线,它具有接线简单,操作方便,短路电流小等优点。对于这种接线可以在变压器的高压侧实施短路对发电机进行电气制动,接线如图2所示。

图2 发电机——变压器单元短路制动接线

发电机定子短路制动要在室内装设大电流的短路开关,安装复杂,占地面积大,同时运行表明,作为短路用的国产大电流电动操作隔离开关的可靠性还有待提高,例如广西岩滩水电厂早就安装了电气制动装置,由于短路开关的原因至今未能正常投运。而变压器高压侧短路制动,电流要小得多,同时为了检修方便和安全,单元接线的高压断路器两侧的隔离开关一般都配备有接地短路开关,只要此开关是远方自动操作的,就可以兼作发电机短路制动之用,这样既简化了接线,也节省了投资,即使是手动操作的开关,更换为自动的也不难。综上所述,在发电机——双绕组变压器单元接线时,采用升压变高压侧短路的制动方式,比发电机定子短路制动更具优越性,但这种方式可能是由于历史原因并未见有实际应用,笔者认为,进一步的研究和试验,是很有现实意义的。还应当指出,当发电机电压有母线,或升压变为三绕组(或自祸)变压器,或发电机为扩大单元接线时,不适用这种制动方式。

（3）反接制动停机。发电机解列灭磁后,将励磁绕组通过灭磁电阻或直接短接,在定子绕组中通以负序低电压的三相交流电,如图3所示。负序电流在定子侧产生了一个与发电机转子旋转方向相反的旋转磁场,这一磁场与转子有N0+N的相对运动（N0为外加电源的同步速,N是发电机转子速度）,就会在励磁绕组,阻尼绕组,转子本体和磁极铁心上产生相应频率的感应电势,由于励磁绕组和阻尼绕组是闭合的,致使在其上形成电流并产生损耗,同时,由于转子铁心是一个整体的钢结构,在其上产生的涡流和相应的损耗是较大的。转子损耗形成反方向的力矩,对发电机起制动作用。

图3 反接制动停机接线

反制动的效果明显优于定子短路制动，但在大容量机组上并未得到应用，这是因为产生反接制动功率需要较大容量的变电设备，厂用电一般负担不起，需要另外引接,增加了投资,安装也复杂。而这一制动方式对中小发电机却是可行的。

通过以上的试验和分析,可以得出制动方式的应用场合：①有发电机母线或发电机——三绕组变压器单元的大容量发电机,适合采用发电机端定子短路制动方法。②当电气主接线中采用发电机——双绕组变压器单元接线时,可以在升压变压器高压侧实施短路制动,它比定子短路制动力矩大,且可以利用接地隔离开关兼作短路开关用。③中小机组采用电气制动是必要和可行的,可用厂用电源直接接入发电机进行反接制动,制动效果略高于定子额定电流短路制动,这种方式接线简单,经济实用。

4 结语

目前,电气制动只在为数不多的大容量发电机上应用,它应用于数量很多的中小发电机组上是否合理可行却很少给予关注。电气制动代替机械制动,减少运行维护工作量,是提高自动化水平重要的一环,并且小电站机组一般开停比较频繁。因此,小水电站采用电气制动技术是十分必要的,应该引起足够的重视。电气制动是一项新技术,有许多问题有待深入研究探讨,如电气制动与机组监控系统的配合；采用最先进的自动控制技术和策略提高电气制动的可靠性；电气制动和励磁系统的结合等等。

［1］谭娟,杨艳,刘光权.大型水轮发电机组电气制动技术在三峡水电站的应用［J］.水电自动化与大坝监测,2012,12（1）：34-37.

［2］蒙美安.水轮发电机组电气制动的应用［J］.水电站机电技术,2003,6（1）：14-15.

［3］李强等.水电机组电气制动的设计及应用［J］.水电自动化与大坝监测,2008,11（2）：14-16.

李波（1988-），男，贵州凤冈人，大学本科，助理工程师，主要从事水电站电气二次设备检修维护工作。