电气制动在岩滩发电公司水轮发电机组的应用

2011-05-16黄山

水电站机电技术 2011年2期

关键词：调节器合闸励磁

黄山

（大唐岩滩水力发电有限责任公司，广西大化 530811）

电气制动在岩滩发电公司水轮发电机组的应用

黄山

（大唐岩滩水力发电有限责任公司，广西大化 530811）

介绍岩滩发电公司水轮发电机组电气制动功能的工作原理、主回路接线及工作流程，以及在运行中出现的问题及解决方法。

水轮发电机;电气制动;应用

岩滩水电站位于广西红水河中游,是一座以发电为主的大型水电站。电站安装4台单机容量302.5MW混流式水轮发电机组。电站于1985年3月动工兴建，1992年9月第1台机组投产发电，1995年6月4台机组全部投产运行，是广西电网的主力水电厂。

作为广西电网第一调频、调峰的水电厂，岩滩发电公司的水电机组的开停机比较频繁，尤其是在枯水期，同时机组具有很大的转动惯量，使停机问题显得十分重要。水轮发电机组投产初期采用机械制动停机系统，机械制动的优点是结构简单,但存在许多缺点：风闸磨损严重，产生机械疲劳和变形龟裂，风闸行程开关容易变形不复位，需运行人员到现场进行复归，制动中产生的粉尘严重污染发电机定子绕组和转子绕组，降低设备绝缘水平，危及发电机组的安全运行，同时增加检修工作量。使用传统的机械制动单一制动方式已经不能满足现代控制运行方式的要求，大型水电机组装设电气制动停机显得十分重要，岩滩公司曾于2001年在3号机组加装电气制动功能，由于当时国内电气制动技术还不成熟，电气制动设备可靠性不高，使电气制动功能未能正常投入运行。2006年至2007年公司结合发电机组励磁系统的升级改造重新加装4台机组电制动功能，采用在国产EXC9000型励磁系统上开发出由软件实现的电气制动功能，称为柔性电制动，即利用发电机励磁系统的调节器和整流柜在机组制动时提供恒定的制动励磁电流，以实现对机组停机制动。同时仍然保留机械制动方式，作为电气制动失效时的后备或发电机内部电气故障不允许投入电气制动功能时对机组进行停机制动，也作为当水轮机漏水较大时在电气制动退出后能对机组进行可靠制动。

1 电气制动的工作原理

当发电机解列、灭磁以后，待机组转速下降到额定转速的50%～60%，将发电机定子在机端出口三相短路，通过一系列逻辑操作，提供制动电源，励磁调节器转到电制动运行模式，给发电机转子加恒定的励磁电流，因为发电机正在惯性转动，定子绕组切割转子磁场感应产生短路电流，三相定子短路电流产生旋转磁场，定子旋转磁场与转子磁场相互作用产生的电磁力矩正好与转子的惯性转向相反，使机组减速制动停机。

在电气制动过程中，定子绕组中的短路电流Ik是一恒定值，不随机组转速下降而变化。因为电气制动过程中，通过转子绕组的励磁电流是相对稳定的，故可认为基波每极磁通量φ也是恒定的。

定子绕组感应的内电势和纵轴同步电抗为：

式中：E—定子绕组感应的内电势；

Kf—波形系数；

n—机组转速；

P—发电机磁极对数；

KE—电压系数，KE=4.44PWφKf/60；

Xd—纵轴同步电抗；

Kd—电枢反应系数，Kd=2πPL/60。

则短路电流Ik等于：

由式（4）可知，在电制动过程中，理论上定子短路电流Ik为恒定值，不随转速n改变。电气制动转矩ME的计算公式为:

由以上的分析可以得出在制动的过程中，有2个显著特点：

（1）电制动转矩ME与定子短路电流Ik的平方成正比；

（2）电制动转矩ME与机组的转速n成反比，在电气制动过程中，由于定子短路电流基本不变，因此随着转速n的下降电制动转矩ME反而加大,电气制动的特性对低转速停机具有独特效果。

在电气制动过程中，励磁调节器要处于电制动模式，方能实现电制动功能。而EXC9000型励磁系统只有在A通道或B通道这两个自动通道中具有电制动工作模式，在C通道（模拟通道）不具有电制动工作模式。因此励磁调节器只有处于A通道或B通道运行时方能实现停机电制动功能。电制动励磁电流的给定可软件设定，调整十分方便，有利于使制动过程达到最优。

2 电气制动系统的组成

岩滩发电公司4台机组励磁装置为自并励结线方式，电制动功能的实现是在EXC9000型励磁系统中增加1个励磁切换柜，励磁切换柜中主要有实现电制动逻辑操作的PLC控制回路，另外还有励磁电源进线开关QL1、电制动电源开关QL2及其分合闸控制回路。电制动的启励、逆变及励磁电流控制在励磁调节器中实现，电制动PLC逻辑控制回路所需的发电机机端电压、定子电流和转子电流等各模拟量接点也是由励磁调节器提供。电制动的主回路接线如图1所示。在图1中，正常运行时，励磁电源进线开关QL1合上，电制动电源开关QL2及短路开关RES断开，励磁电源由发电机机端提供，经励磁变ET、整流桥整流后为发电机转子提供直流电。当电制动运行时，励磁电源进线开关QL1断开，短路开关RES合上将机端三相短路，机端短路时，励磁变ET无电源，合上电制动电源开关QL2，制动电源来自于专用制动变压器BT，制动变接至厂用电。也就是说，发电机励磁系统在由发电工况转至制动工况下，整流电源需经由操作回路控制整流桥交流侧断路器QL1和QL2进行切换。岩滩发电公司4台机组共用1台制动变，限于制动变的容量，一次只能投入1台机组的电制动。

图1 电制动主接线图

发电机主要参数：

发电机额定功率Pe=302.5MW；发电机额定电压Ue=15.75kV；发电机额定电流Ie=12673A；发电机额定功率因数cosφ=0.875；发电机额定频率fe=50Hz；发电机额定励磁电流ILn=1968A；发电机额定励磁电压ULn=464V；发电机额定空载励磁电流IL0=1056A；发电机额定空载励磁电压UL0=156V

QL1、QL2主要参数：

型号E3H/E MS；额定电压1000V；额定电流2500A

短路开关RES主要参数：

型号GN22-20Z型户内高压隔离开关；额定电压20kV；额定电流16000A

制动变主要参数：

额定容量280kVA；额定一次电压400V；额定二次电压179V；额定一次电流404A；额定二次电流903A

3 电气制动的工作流程

电气制动中的流程控制是通过励磁切换柜中的可编程控制器（PLC）实现的，PLC在实现整个电制动过程中起着关键的作用。电制动的工作流程图如图2所示。

3.1 电制动的投入控制

当机组解列后需要正常停机时，首先由监控系统发出停机令，励磁调节器逆变灭磁，具备以下条件时，由监控系统向励磁系统发出电制动准备就绪令和投电制动令，启动电制动流程。

图2 电制动工作流程图

（1）导叶全关

（2）机组电制动功能投入且其余机组电制动短路开关未处于合闸位

（3）机组转速下降到60%额定值

（4）灭磁开关处于合闸位（即机组无事故）

3.2 励磁系统电气制动程序的执行

（1）当励磁切换柜中的可编程控制器（PLC）收到监控系统发出的电制动投入命令后，首先判断出口开关跳开且n＜60%ne（投电制动条件1）满足后，开出电制动投入令，驱动外部继电器，为短路开关RES合闸操作提供准备。然后判断机端电压U＜10%Ue且励磁电流IL＜10%ILe（投电制动条件2）满足后依次闭锁发电机差动保护、发电机启停机保护、注入式发电机定子接地保护，分励磁电源进线开关QL1,合短路开关RES，合电制动电源开关QL2。

（2）随后开出启动调节器电制动令去启动励磁调节器的调节程序，使励磁调节器由发电运行模式转换为电制动运行模式，延时5s钟开出调节器电制动开机令至励磁调节器，励磁调节器收到电制动开机令后进行起励操作，发出脉冲，控制整流柜输出励磁电流至整定值40%ILn，形成制动力矩，对发电机进行电气制动。

（3）在电制动过程中，PLC始终监测整个制动过程是否正常，当遇到以下异常情况时，PLC停止向励磁调节器发出启动调节器电制动令和调节器电制动开机令，使励磁调节器逆变灭磁，退出电制动过程，同时向监控系统发出电制动故障信号，当监控系统收到电制动故障信号且机组转速n＜20%ne时投入机械制动装置完成机组的制动。

1）QL1不能分断，或RES、QL2开关不能合上；

2）电制动启动10s后励磁电流IL＜10%IL0（IL0为空载额定励磁电流）；

3）电制动启动10s后仍未闭锁继电保护；

4）定子短路电流 I＞120%Ie；

5）电制动时间过长，超过整定值（电制动时间整定值为 400s）。

（4）在电制动过程中，若没有发生任何异常情况，则当机组的转速下降到5%ne时，延时15s后PLC退出启动调节器电制动令和调节器电制动开机令，使调节器逆变灭磁，退出电制动，并向监控系统发出电制动完成信号，监控系统收到电制动完成信号且判断转速n＜5%ne时投入机械制动装置完成机组的制动。

（5）当逆变灭磁失败，PLC将发出跳灭磁开关命令，将灭磁开关跳开。

（6）当电制动PLC程序向励磁调节器发出逆变灭磁命令后延时10s发令分电制动电源开关QL2、短路开关RES，合励磁电源进线开关QL1,解除对发电机差动保护、启停机保护、注入式定子接地保护的闭锁，使励磁装置恢复到正常开机前的状态。

4 电气制动投入对机组继电保护的影响

在电制动工况下，需要合上短路开关RES将发电机出口三相短路，产生定子短路电流，从而产生制动力矩，使机组制动停机，此时会在发电机差动保护回路内形成较大差动电流，导致差动保护误动作，因此在电制动投入过程中闭锁发电机差动保护，同时还闭锁发电机启停机保护、注入式发电机定子接地保护，防止保护误动作出口跳开灭磁开关，导致电气制动失败。

5 短路开关二次接线回路的闭锁

为防止短路开关RES在机组正常发电运行时误合上导致发电机端发生三相短路的重大事故，必须在短路开关控制回路设置可靠的闭锁。电制动回路的设计从下面几方面保证短路开关可靠不误动。

（1）在短路开关的合闸回路串接入励磁电源进线开关QL1的常闭辅助接点，当机组正常发电运行时励磁电源进线开关QL1在合位，其常闭辅助接点断开短路开关的合闸回路，防止短路开关误合闸。

（2）在短路开关的合闸回路串接入由监控系统发来的外部允许合短路开关令所控制的重动继电器接点，只有监控系统在判断投电制动的条件满足后才向电制动回路发出允许合短路开关命令，此命令所驱动的继电器动作，其接点闭合，方允许短路开关合闸，防止短路开关误动。

（3）在短路开关合闸回路串接入由电制动流程开出的电制动投入令所驱动的外部继电器接点，只有在电制动程序启动并判断所有条件满足后才发出电制动投入令，此命令所驱动的外部继电器动作，其接点闭合，作为允许短路开关合闸的条件之一。

（4）监控系统在开机时向电制动控制回路发出开机联跳短路开关命令，此命令驱动重动继电器，其接点闭合，接通短路开关跳闸回路，保证开机时短路开关处于分闸位置。

（5）将励磁电源进线开关QL1、电制动电源开关QL2、短路开关RES位置信号以及电制动闭锁发电机保护的接点接入监控系统，以便运行人员及时监视电制动回路各开关的位置状态。

6 电制动投运中存在的问题及解决办法

岩滩发电公司电制动在投运之后曾出现一些问题，随着对出现问题的逐步解决，电制动可靠性大大提高。

（1）短路开关在合闸时发生动触头进入静触头过程中卡死，造成短路开关合闸不到位，导致开关操作机构电机长期通电发热烧毁。通过对短路开关触头压力进行调整，加装导引槽，引导动触头顺利进入静触头，同时在短路开关分、合闸控制回路中加装时间继电器，时间整定为10s，即合闸时间达10s后断开短路开关控制回路，防止操作电机长时间运行发热烧坏。

（2）在电制动投入过程中，定子绕组有短路电流，机端也有一定数值的短路电压，因此电测仪表中的机组有功变送器和无功变送器测量到一定数值的机组有功功率和无功功率，并经过远传系统上传至调度中心，影响调度中心对整个发电站发出功率的正确判断，进而影响对机组有功功率和无功功率的分配。为解决电制动投入过程中功率的误上传问题，将励磁电源进线开关QL1的常开辅助接点和电制动电源开关QL2的常闭辅助接点并联后串接入机组有功变送器和无功变送器的输出回路中，当机组正常运行时，励磁电源进线开关QL1合上，电制动电源开关QL2断开，可靠接通机组有功变送器和无功变送器的输出回路，将机组正常发电时的功率传送到调度中心。在电制动投入时，励磁电源进线开关QL1断开，电制动电源开关QL2合上，断开机组有功变送器和无功变送器的输出回路，使机组功率不误传至调度中心。

（3）机组振动使电制动控制回路中的继电器松动接触不良，使电制动投入过程中各开关未能正常分合操作，造成电制动失败。通过对继电器进行检验、紧固以及更换新的继电器后问题得到解决。

（4）短路开关的操作电源采用220V交流电源，与整流柜风机电源同取自厂用电与自用电的切换电源，以厂用电为主用电源，厂用电消失后切换至自用电运行。电制动过程中如果厂用电消失，会使短路开关的操作电源切换至自用电，此时自用变的一次侧电压已切换为制动变压器BT的副边电压，不是发电运行时的励磁变副边980V电压，因此自用电的电压会明显下降，使短路开关不能正常操作，造成电制动失败。为避免此种情况发生，在电制动投入过程中，尽量避免进行机组厂用电源的倒闸操作，同时考虑短路开关操作电源采用UPS电源的可能性。

7 电制动回路在其它方面用途的探讨

岩滩发电公司配有一套它励方式的备用励磁装置，做为主励磁系统故障的备用，但公司每台机组主励磁系统的调节器有三个通道，两个自动通道和一个手动通道，有四个励磁整流柜，每个整流柜的额定电流为1770A，励磁整流柜设计的冗余度较大，主励磁系统的可靠性较高，备用励磁装置主要作为机组检修后的零起升压、升流使用。电制动过程也是它励方式，因此可以考虑采用电制动回路代替备用励磁装置完成对机组的零起升压、升流试验。