浅谈张河湾电站防止机械刹车高速加闸改造

张 帆，赵 钰，路 建，张 鑫，李永杰

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

0 引言

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县，电站总装机容量1 000 MW，安装4台250 MW的单级可逆式混流水轮发电机组，以一回500 kV线路接入河北南部电网。电站在河北南网、华北电网承担着调峰、调频、调相、事故备用、黑启动等中心作用。

张河湾公司机组制动系统采用电气制动和机械制动2种方式，用于机组停机过程中的增加转动阻力，缩短机组在低转速下的运行时间，以达到保护推力轴承和其他各部件的作用。正常情况下，电气制动在机组转速小于50%额定转速时投入，机械制动在转速小于5%额定转速时投入。当电气制动被闭锁时，机械制动在转速小于20%额定转速时投入。

1 机械刹车控制系统改造背景

在停机过程中，如果监控系统或者发电机辅机控制盘误开出“机械刹车投入”指令，则此时如果发电机在高转速运行，机组会剧烈振动，磨损的制动闸板粉尘，将会污染发电机定子线棒，甚至于发生火灾，国内已有同类型电站在机组运行过程中，由于监控系统PLC逻辑输出故障，误输出“机械刹车投入”指令而导致严重故障。根据国网新源公司关于印发《抽蓄电站机械制动控制系统典型控制逻辑设计指导意见（试行）》 文件中“可靠性原则第3条”内容：机械刹车控制方式应采取高转速闭锁及其他防止高速加闸的措施，控制回路中应采用机组开关位置、导叶位置以及机组转速等信号硬接点进行闭锁，避免仅采取软件逻辑的闭锁方式。

2 现有机械刹车控制系统

2.1 机械刹车投入控制逻辑

机组调速器测速单元ADT1000或T-ADT通过双探头测速齿盘采集机组转速，输出9个转速开关量信号至监控系统，包括＞0%、＜5%、＜20%、＜40%、＜50%、＞90%、＞95%、＞110%、＞122%。其中＞0%、＜5%、＜20%和＜50% 4个信号参与机组机械刹车的控制逻辑。

2.2 正常刹车流程

机组正常停机过程中，导叶关闭之后，机组会启动正常刹车流程SQ58，在SQ58流程中导致机械刹车投入因素有3个：

（1）机组电气制动正常投入，转速＞5%；

（2）机组电气制动投入失败，转速＞20%；

（3）机组高压注油建压不成功，转速＞20%。

可以看出，机组正常停机过程中，在电气制动投入之后（转速＞50%投入），转速＞20%之前，如果机组收到转速＞5%，机械刹车会异常投入，导致机组高速加闸。

2.3 电气刹车流程

机组在电气停机过程中或正常刹车超时后，会启动电气刹车流程SQ59，SQ59流程中在球阀全关，转速＞20%之后会投入机械刹车（投入15 s，退出7 s）。因此电气刹车流程中，在球阀全关之后，转速＞20%之前，如果收到转速＞20%异常信号则会导致机械刹车投入，机组高速加闸。

2.4 机组蠕动流程

机组在停机稳态或没有任何流程在运行时，如果收到转速＜0%信号，则会启动机组蠕动流程，投入机械刹车，因此启动机组蠕动流程没有高速加闸风险。此流程在机组PC手动转P工况瞬间，PLC判断不到机组状态会启动该流程并瞬间复归，躲过了机械刹车启动时间3 s延时，需要和厂家确认该现象发生的原因和控制措施。

2.5 控制逻辑结论

通过以上分析可知，只有在机组停机过程中，存在高速加闸风险，考虑到双探头齿盘测速的稳定性，以及＜5%和＜20%转速信号均来自继电器的常开节点，不会因为继电器失磁导致信号出口的情况，判断这时机组发生高速加闸为小概率事件。但为防止监控误开出，可以在机械刹车投入电磁阀硬回路上串入一路转速节点信号。

3 机械刹车控制系统改造原理

3.1 改造前机械刹车控制系统

辅机盘机械刹车控制回路在收到刹车投入指令、球阀或导叶全关等开关量信号后，辅机盘DO板卡开关量输出，使5BCX继电器励磁，5BCX继电器常开节点（1、3节点）闭合，导通5BX双稳态继电器投入侧励磁，5BX继电器投入侧常开节点（11、12节点）闭合，导通机械刹车控制电磁阀75B励磁，机械刹车投入。

3.2 改造后机械刹车控制系统

在原有辅机盘机械刹车控制回路，5BX继电器投入侧常开节点（11、12节点）上串联一个新加继电器常开节点，命名R1（与14-1X同型号OMRON MM2P-D），只有当转速小于20% Vn，调速器控制柜转速继电器RV15励磁时，新加继电器R1才会励磁，其常开节点（1、3节点）才会闭合，刹车控制回路才能导通，以达到“机械刹车控制回路加装机组转速等信号硬接点进行闭锁”的要求。原理如图1～3所示。

图1 调速器机组转速20%速度继电器

图2 辅机盘机械刹车控制回路图

图3 机械刹车控制回路图

3.3 新加继电器选型

经查询欧姆龙官网，新加继电器R1，型号OMRON MM2P-D，节点耐流能力为7.5 A，控制电磁阀75B额定电压为DC 220 V、44 W，经计算额定电流为0.2 A，所以所选继电器符合要求。

4 结论

随着社会的发展，抽水蓄能电站在服务国民经济中起着越来越重要的作用，机械刹车系统的安全运行是保证机组安全快速停稳的重要设备，本文主要分析了原有机械刹车控制系统存在的问题，原系统存在机组高转速投刹车的风险，严重威胁水电厂的安全稳定运行。改造后的机械刹车控制系统可以很好地实现闭锁机组高转速投入机械刹车，使机组运行过程、停机过程的稳定性得到了提高，达到了即使监控系统切换、原有相关继电器误动或者辅机盘PLC控制逻辑故障导致误开出“刹车投入”指令，刹车也不会误投入目的，既保证了电网系统的稳定性，也提高了机组安全运行的稳定性。