抽水蓄能电站机械制动系统部分故障分析及应对措施

曹 扬，王 荣，彭 辉，吴建标

（1.江苏方天电力技术有限公司，江苏省南京市 211102；2.江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏省溧阳市 213300）

1 概述

抽水蓄能电站由于启动快、运行灵活，担负电网的调峰、填谷、调频、调相、事故备用等任务。机械制动系统是抽水蓄能机组重要辅助设备，在机组的启、停机、工况转换过程及机组蠕动检测中起到重要作用[1]。抽水蓄能机组停机方式一般采用电气与机械制动方式相结合。机组停机一般分为如下情况：

（1）正常情况下，发电机转速小于50%额定转速时，投入电制动，当转速小于5%额定转速时，投入机械制动[2]。

（2）因紧急停机按钮或触发电气事故停机、机械事故停机源导致电制动闭锁，发电机转速从额定转速下降至20%额定转速时，直接投入机械制动。

机械制动系统异常投退，甚至发生高速加闸，轻则导致闸瓦烧毁，重则导致制动器损坏，更有甚者会导致机组轴心偏移，加大机组振摆，损坏机组相关部件及电气二次元件，同时也会产生大量的金属粉末影响发电电动机的绝缘性能。本文根据某抽水蓄能电站发生过的故障进行总结，着重对机械制动反馈信号丢失及高速加闸2个典型故障进行阐述分析，从提高抽水蓄能机组安全稳定运行方面给出防范措施及建议，对大型抽水蓄能机组机械制动控制的设计、调试和运维有一定参考借鉴意义。

2 抽水蓄能电站机组机械制动控制

2.1 机械制动原理

一般大型抽水蓄能电站每台机组设置8套机械制动器装置，如图1所示。机械制动系统由下机架的8套风闸和装设在转子上的制动环及相关管路组成，利用风闸与制动环之间的摩擦力达到制动停车的效果，制动风闸用气取自低压气系统，气体压力为5～8bar，其投入与撤出可通过电磁阀手动操作与自动操作，也可直接通过操作气管路阀门进行风闸的投入与撤出。每台机械制动器均配置1个制动位置、1个退出位置接触式行程开关，每个行程开关均取常开节点。这8个制动位置常开节点串联作为机械制动投入位置反馈信号，8个复归位置常开节点串联作为机械制动退出位置反馈信号。当机械制动投入操作时，任何一个制动器的投入位置行程开关无动作，系统则判定制动器投入失败，反之，任何一个制动器的退出位置行程开关无动作，系统则判定制动器退出失败[3]。

图1 机械制动布置图Figure 1 mechanical braking layout

2.2 机械制动投退

2.2.1 自动投退机械制动

以该抽水蓄能电站为例，机组在正常停机或事故停机，投电气制动时，转速小于5%额定转速，机械制动自动投入；不投电气制动时，转速小于20%额定转速，机械制动自动投入，直至机组转速为零。电气制动采用电气制动开关与励磁系统配合进行制动，如图2所示。

图2 机组正常/机械事故/电气事故停机 机械制动流程图Figure 2 Mechanical brake flow chart of normal/mechanical/electrical accident shutdown of unit

表1 某抽水蓄能电站停机电制动投入表Table 1 Shut-down brake input table for a pumped storage power station

机组在停机备用时，若有蠕动信号，机械制动将会自动投入，电气制动采用电气制动开关与励磁系统配合进行制动[4]。

2.2.2 手动投机械制动

（1）检查机组出口断路器已分开、机组导叶、球阀已全关、机械制动柜气源气压指示正常、机组转速为零或降至允许投机械制动得转速。

（2）按机械制动柜制动器上腔排气按钮，再按制动器下腔充气按钮。

（3）检查机械制动柜制动闸投入气压指示正确，制动器投入信号灯点亮。

2.2.3 手动退机械制动

（1）检查机械制动柜气源气压指示正常，机械制动柜制动器投入信号灯点亮，机械刹车在投入状态。

（2）按机械制动柜制动器下腔排气、上腔充气按钮；检查机械制动柜制动闸释放气压指示正确，制动闸投入气压降为零，制动器释放信号灯点亮。

（3）按机械制动柜制动器上腔排气按钮；检查机械制动柜制动闸释放气压降为零。

3 机组机械制动系统典型故障分析

3.1 机械制动反馈信号丢失故障

3.1.1 故障介绍

该抽水蓄能电站单机容量为250MW的混流可逆式水泵水轮电动发电机组，平均每年每台机组启停次数高达800多次，机组机械制动反馈信号丢失这类故障在电站机组投产以来，一直有发生。2017年5月，机组启动前，发现机组预启动条件不满足，经检查，机组机械制动反馈信号未收到。信号的丢失，影响机组的正常启停，不能及时满足电网调度要求，从电站的长期安全、可靠、经济运行的角度出发，该问题必须重视。

3.1.2 故障分析

机械制动退出位置反馈信号丢失，一般有机械和电气两个方面的原因。

机械方面：检查机械制动器的气源压力是否正常，检查气源管路有无泄漏情况；检查制动器本体，是否发现异常情况；上述故障在机组停机时，现地手动投退机械制动器，投入制动器时，反馈信号正常，退出制动器时，未能收到制动器退出位置反馈信号，操作制动器上腔排气，此时制动器属于上、下腔均不带压状态，上、下腔压力显示均为0。现地检查制动器位置，发现个别制动器在顶起位置，并未下落[5]。

此类故障发生在电站机组检修后，机组首次启动检查时。如果制动器气缸下腔压力无，在制动器上腔不带压的情况下，制动器也会根据自重进行下落退出。经过判断可能机组检修期间，制动器高压油顶转子时，在退出时，压力油并未排尽且串有压缩空气，机械制动器油缸与气缸之间的密封有问题[6]。

机械制动系统供气控制管路图如图3所示。

图3 机械制动系统供气控制管路图Figure 3 Air supply control pipeline diagram of mechanical braking system

电气方面：机械制动的电磁阀动作是否正常；机械制动是否按照厂家设计顺序控制流程，手/自动执行逻辑是否正常。

3.1.3 暴露问题

该问题一般会发生在机组检修过后或长时间停机再次启动时需要进行顶转子操作。此类故障暴露出机械制动的气缸与油缸之间的密封可能存在问题。

3.1.4 预防措施

对制动器高压油顶转子油管路手动阀打开，进行泄压，机械制动器则可以正常退出，且反馈信号有效。为了维持机组正常运行，定期对机组的高压油顶转子油管路常闭阀门进行打开泄压，该故障会得到很好的解决，经长时间观察，机械制动器工作正常。

3.2 发电机转速信号丢失导致高速加闸

3.2.1 故障介绍

该抽水蓄能电站4号机组在调试运行时，机组额定转速为300r/min，在发电工况下自动停机时，当转速下降至140r/min左右时自动投入机械制动，主厂房发电机层的集电环室发出浓烈的烧焦气味。待机组停机至稳态后，对4号机组进行隔离检查，发现制动器闸皮部位磨损较为严重，造成发电机机坑内定子、转子表面粉尘吸附较多。

3.2.2 故障分析

机组测速装置包括2路齿盘测速探头和电气PT残压测速两个部分。测速装置配置冗余逻辑，10%额定转速下以齿盘测速为主用，10%额定转速以上以PT测速为主用。

造成此次高速加闸的主要原因是，机组在检查水导油盆之后，对齿盘测速探头进行回装，未对测速探头进行位置调整，导致探头与齿盘的间隙超出正常测量范围之外，但是测速装置因通道正常，并未报警。机组正常停机时，转速降至50%额定转速时候，自动投入电制动，PT残压测速信号丢失，转速装置默认机组转速为零，小于5%额定转速继电器节点闭合，满足机组监控系统顺控流程，自动投入机械制动，导致高速加闸[7]。

3.2.3 暴露问题

测速装置中齿盘测速2路和PT残压测速之间未做冗余，转速测量数据误差偏差过大没有触发报警信号，仅靠采样通道断线进行报警，即便采样数据不准确也没有反馈报警信号。

3.2.4 预防措施

针对此类事件，对转速装置程序逻辑进行部分冗余修改，新增逻辑判断条件：在额定转速下，“2路齿盘测速探头”与“PT残压测速”误差均超过5%额定转速则开出“转速装置故障信号报警”。此时需要运行人员确认故障报警信号有效，在机组停机之前应尽快手动关闭机械制动器的供气阀门，防止机械制动器误投入，待确认机组转速下降至5%额定转速后方可打开机械制动器供气阀门，防止高速加闸[8]。

按照上述逻辑条件更改之后，机组启动且未到额定转速下停机，再出现2路齿盘测速信号同时丢失，逻辑判断条件的保护是无效的，因而要求检修人员定期对齿盘测速探头进行检查，确保机组测速装置的运行可靠性。

4 机械制动系统的合理化建议

由于机组机械制动系统故障，影响机组启动成功率，为确保机组安全可靠经济运行，根据相关标准要求结合设备运行经验[9]，提出以下建议：

（1）关于机械制动器部位的投入/退出位置开关的设计，建议每个制动器设计两个位置开关，投入/退出位置开关均取常开节点。

（2）机械制动器退出位置信号反馈，必须要求是所有制动器退出位置开关信号串联输出，制动器投入位置信号反馈，取制动器所有投入位置开关串联、任一投入位置开关均可[10]。

（3）机械制动器供气管路控制电磁阀建议使用单绕组电磁阀，双绕组电磁阀阀芯若串腔容易导致误投制动。

（4）机组小修或者停机时间较长时，检修人员应对转速装置进行校核，检查继电器动作可靠性，避免误投制动。

（5）机组大修需及时检查制动器闸皮磨损情况，拆卸制动器，检查气缸的密封情况。

5 结束语

抽水蓄能机组水头高，机械制动系统的安全稳定性将直接影响机组启动成功率及设备安全，本文选取了2个典型故障案例并进行了分析并给出了防范措施及建议。电站运行人员对现场设备运行情况加强巡视，做好事故预想，防止高速加闸。检修人员要定期检查设备及辅助电气元件，将缺陷的发生率减少到最低，共同保证机组的安全稳定经济运行。