水轮发电机组停机制动方式优化选择

郭 磊

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410000 ；2. 湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410000）

0 引言

水轮发电机组相对于火电机组具有启动、停机所需时间较短的优点，可在电力系统中担任调峰调频及事故备用的任务，对于电力系统的安全稳定运行发挥着重要作用，但水轮发电机组转动部件质量较大，转动惯量较大，在惯性作用下机组很难快速停下来。机组在停机过程中在无外力干预情况下主要受水轮机转轮在尾水中转动的水阻力、机组转动部件转动时与空气摩擦的风阻力、机组轴承的摩擦力的作用，其中水阻力是主要阻力，而它与机组转速的平方成正比，在机组转速逐渐降低过程中，机组所受阻力也将逐渐减小，机组转速下降呈现先快后慢的特点，若无外力干预机组将在低转速区运行很长时间。所以必须在机组转速降至一定值时加以外力干预才能使机组快速停下，制动系统应运而生。目前国内水轮发电机组停机制动系统主要有机械制动和电气制动两种。

1 制动系统工作原理

1.1 机械制动

机械制动系统主要由制动气罐及相关管路、控制元件、制动风闸和安装在转子上的制动环组成（图1）。制动气罐为风闸提供制动压力，在机组转速降至风闸投入定值时，风闸投入，利用制动风闸与制动环之间的摩擦力使机组停下。相当于将转动部件的动能转换为摩擦产生的热能。

图1 某电厂机械制动系统图

1.2 电气制动

电气制动主要由电制动变压器、电制动开关（图2）、励磁系统组成。电气制动是基于发电机的电枢反应和耗能制动原理。机组转速降至电气制动投入定值，合上电制动开关将定子绕组三相短路，以适当的励磁电流通入转子绕组形成磁场，还在转动的转子致使定子绕组切割磁力线运行形成感应电动势，因定子绕组三相短路将形成短路电流，带有电流的定子绕组在磁场中运动将对转子产生与转子旋转方向相反的阻力矩致使机组快速停下。相当于将转动部件的动能转换为定子绕组短路产生的热能[1]。

图2 某电厂电制动开关Z021

2 两种制动系统优缺点

2.1 机械制动

优点：结构简单、安全可靠，即使自动制动失败也可手动操作制动。

缺点：机械制动过程会产生粉尘，造成风洞内粉尘污染，影响定、转子绕组绝缘，粉尘还容易造成转子磁轭和定子铁心狭小通风沟堵塞，影响机组冷却效果，为减少粉尘产生量，只能在机组转速降至较低时再投入，相对停机时间较长。

2.2 电气制动

优点：电气制动可以在机组转速较高时投入，制动力矩较大，相对停机时间较短，且在制动过程中无粉尘污染，保证风洞内环境清洁。

缺点：结构复杂，造价较高，包含的电气元器件较多，发生故障的可能性较高，容易制动失败，且在机组电气事故时需闭锁电制动。

3 制动系统应用需注意的问题

3.1 制动系统投入失败

机械制动投入失败的原因可能有：①转速装置故障，监控未监测到投入定值，未下达投入指令；②制动气系统压力不足；③自动投入电磁阀故障未正确动作；④制动风闸上下腔窜气，形成不了压差，风闸顶不起等。

电气制动投入失败的原因可能有：①转速装置故障，监控未监测到投入定值，未下达投入指令；②制动变压器电源侧失电；③电制动阳极开关与励磁阳极开关切换失败；④电制动开关合闸失败；⑤励磁系统故障，整流失败；⑥发电机电气事故闭锁电制动等[2]。

通过以上分析可知，电气制动相较于机械制动投入失败的几率较大，尤其是发生电气事故时为避免事故扩大，必须闭锁电气制动，所以水轮发电机组即使正常停机时选择电气制动方式，也应备用一套机械制动系统，供电制动投入失败或被闭锁时使用。

3.2 纯机械制动投入定值

机械制动在较高转速时投入，制动风闸磨损严重，会产生大量粉尘，造成风洞内严重污染，且可能导致制动环因温度过高而爆裂。一般情况下，机械制动在机组转速降至20%Ne~30%Ne时投入，这就要求停机时机组转速从100%Ne降至投入定值这段时间不宜过长，保证总体停机时间不至于过长[3]。

3.3 纯电气制动投退定值

电气制动只要保证投入时定子三相短路电流不超过额定电流即可投入，但停机时机组在高转速区降速较快，投入电气制动没有太大意义，所以一般选择在机组转速降至50%Ne~60%Ne时投入。电制动力矩与转速成反比，当转速等于0时达到最大值，为防止机组反转，需在机组转速为0前提前退出，一般选择在1%Ne~5%Ne时退出。

3.4 电气制动对一、二次设备的影响

电气制动过程需将发电机定子绕组三相短路，会引起发电机保护动作，所以发电机保护应在电气制动过程中闭锁出口。电制动开关将定子绕组短路，若其未分闸就开机，将导致严重后果，所以停机结束应认真检查电制动开关确已分闸，且将电制动开关合闸信号作为开机闭锁条件。

4 机组制动方式选择与效果案例

4.1 停机时水轮机转轮完全淹没

东坪电厂为灯泡贯流式机组，单机容量19.9 MW，额定水头6.8 m，转轮安装高程79 m，机组运行时尾水位约87.5 m，停机时转轮淹没高度约8.5 m。机组采用纯机械制动方式停机，机组转速降至30%Ne时投入制动风闸，转速为0时退出，其停机转速过程线见图3。转速由100%Ne降至30%Ne用时约32 s，由30%Ne降至0用时约21 s，停机总体时间约53 s。

图3 东坪电厂机组停机转速过程线

马迹塘电厂为灯泡贯流式机组，单机容量18.5 MW，额定水头6.55 m，转轮安装高程42.1 m，机组运行时尾水位约49 m，停机时转轮淹没高度约6.9 m。机组采用混合制动方式停机，机组转速降至90%Ne时投入电气制动，转速降至15%Ne，投入机械制动，转速降至0时退出电气制动和机械制动，其停机转速过程线见图4。转速由100%Ne降至90%Ne用时约5 s，由90%Ne降至15%Ne用时约26 s，由15%Ne降至0用时约10 s，总体停机时间约41 s。

图4 马迹塘电厂机组停机转速过程线

挂治电厂为轴流转桨式机组，单机容量50 MW，额定水头20.7 m，水轮机安装高程293 m，机组运行时尾水位约298 m，停机时转轮淹没高度约5 m。机组采用纯机械制动方式停机，机组转速降至20%Ne时投入制动风闸，转速为0时退出，其停机转速过程线见图5。转速由100%Ne降至20%Ne用时约130 s，由20%Ne降至0用时约50 s，停机总体时间约180 s。

图5 挂治电厂机组停机转速过程线

五强溪电厂为混流式机组，单机容量240 MW，额定水头44.5 m，水轮机安装高程50 m，机组运行时尾水位约52 m，停机时转轮淹没高度约2 m，正常停机时采用纯电气制动方式，机组转速降至60%Ne时投入电气制动，转速降至1%Ne时退出，其停机转速过程线见图6。转速由100%Ne降至60%Ne用时约30 s，由60%Ne降至0用时约160 s，总体停机时间约190 s。

图6 五强溪电厂机组停机转速过程线

托口电厂为混流式机组，单机容量200 MW，额定水头54 m，水轮机安装高程186.44 m，机组运行时尾水位约190 m，停机时转轮淹没高度约3.5 m，正常停机时采用混合制动方式，机组转速降至60%Ne时投入电气制动，转速降至20%Ne，投入机械制动，转速降至5%Ne时退出电气制动，转速为0时退出机械制动，其停机转速过程线见图7。转速由100%Ne降至60%Ne用时约47 s，由60%Ne降至20%Ne用时约160 s，由20%Ne降至0用时约46 s，总体停机时间约253 s。

图7 托口电厂机组停机转速过程线

以上案例中，机组形式包括灯泡贯流式、轴流转桨式、混流式，停机制动方式包括纯机械制动、纯电气制动、混合制动，通过以上分析可知，不论哪种机组形式，不论采用哪种制动方式，只要机组停机时水轮机转轮是淹没状态，总体停机时间可控制在较短时间内。

4.2 停机时水轮机转轮脱流

白市电厂为混流式机组，单机容量140 MW，额定水头44 m，水轮机安装高程247.5 m，单机运行时尾水位约246.5 m，停机时转轮脱流。采用纯电气制动方式停机，机组转速降至60%Ne时投入电气风闸，转速为1%Ne时退出，其停机转速过程线见图8。停机时机组转速由100%Ne降至60%Ne用时约120 s，由60%Ne降至0用时约360 s，停机总体时间约480 s。

图8 白市电厂机组停机转速过程线

碗米坡电厂为混流式机组，机组容量80 MW，额定水头39 m，水轮机安装高程205.21 m，单机运行时尾水位约202.5 m，停机时转轮脱流。机组设计时采用纯机械制动方式停机，机组转速降至20%Ne时投入制动风闸，转速为0时退出，其停机转速过程线见图9。停机时机组转速由100%Ne降至20%Ne用时约28 min，由20%Ne降至0用时约53 s，停机总体时间约29 min。

图9 碗米坡电厂机组停机转速过程线

以上案例中，机组停机时转轮均脱流，停机过程中的主要阻力水阻力为0，不论采用纯电气制动还是纯机械制动，机组停机时间相对于转轮完全淹没的机组要长得多。

白市电厂采用纯电气制动，总停机时间480 s左右，虽比五强溪电厂的190 s要长，但还属于可接受范围之内。而采用纯机械制动的碗米坡电厂总体停机时间为29 min，已不满足电网调度机构对机组快速启停的要求，且长时间低转速运行还会加速机组轴承磨损。为尽量缩短停机时长，碗米坡电厂曾采取过提高机械制动投入定值的措施，将投入定值由20%Ne修改为25%Ne，但由图9可知，转速由100%Ne降至25%Ne也需要22 min左右，效果并不明显。若将投入定值继续提高，必将加速制动闸板磨损，产生更大量粉尘，且可能导致制动环因温度过高而爆裂，增加了不安全因素。可见，碗米坡电厂现有的纯机械制动方式并不能满足机组快速停机的要求，要想在机组转速更高时引入外力干扰，增加一套电气制动系统是一种比较可行且有效的办法。

5 结语

机械制动和电气制动作为辅助停机系统，在缩短机组停机时间上发挥着重要作用。停机时水轮机转轮完全淹没的机组，不论采用纯机械制动、纯电气制动还是混合制动方式，均可满足机组快速停机的要求。而对于停机时水轮机转轮脱流的机组，采用纯机械制动方式并不是一种合理选择，引入电气制动系统很有必要。