大型抽水蓄能机组机械制动系统控制策略研究

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(河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡 453636)

1 前言

抽水蓄能机组具有双向旋转运行、水头高、转速高、启动频繁等特点，在电网中一般承担着调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。机组机械制动系统是抽水蓄能机组发电电动机的重要辅助设备，在机组启动、停机、工况转换过程中以及机组蠕动监测控制中起到机组制动作用，减少机组的惰性运行时间，以达到保护机组推力轴承瓦和缩短停机时间。有些机组机械制动设计还兼有顶转子功能，在机组检修需要顶转子时使用。

机械制动高速投入、带机械制动升速等恶性故障偶有发生，可能造成发电电动机粉尘污染、机组轴系偏移、机械结构受损、制动器损坏、制动环损坏等严重后果，严重影响机组的安全稳定运行，完善的控制策略可以最大限度的避免恶性故障的发生，提高机械制动系统的安全性和可靠性。

国家标准GB/T 20834-2014《发电电动机基本技术条件》中规定发电电动机应同时设置机械制动和电气制动装置。正常停机一般在转速下降至50%额定转速时投入电气制动，转速继续下降至(5%～10%)额定转速时，再投入机械制动直至停机。机械制动装置单独用于紧急停机时，应能在发电电动机转速下降至(20%～30%)额定转速时投入直至停机。在满足机组停机时间要求的情况下，从保护机械制动设备(制动器、制动环)角度，机械制动转速宜取较小值。本文讨论过程中，正常停机时机械制动转速取5%额定转速，事故停机时及工况转换过程中机械制动转速取20%额定转速。

2 一般原则

(1)大型抽水蓄能电站一般按照无人值班(少人值守)设计，监控自动化技术设计及配置水平较高，计算机监控系统核心控制器均采用冗余配置，可靠性和安全性较高。机组机械制动一般不单独设置机械制动控制系统，其控制程序在计算机监控系统里实现，可充分利用监控系统的硬件和软件资源优势，实现完善的控制逻辑。机械制动控制程序流程不宜单独设置，宜结合机组工况转换流程，特别是启停机流程统筹设计，是机组工况转换控制流程的一部分，机械制动投/退由程序全自动控制。

(2)机械制动控制应考虑机组各种工况转换的需求，包括正常停机、电气事故停机、机械事故停机、水泵断电、抽水转发电、轴承瓦温异常、机组启动、机组蠕动、高速误投制动等情况下机械制动控制策略及安全闭锁。

(3)机械制动控制的安全性，一方面基于顺控流程，机械制动的投/退随机组顺控流程进行控制，保证机械制动投/退令的安全性；另一方面机械制动投入令程序逻辑出口应考虑转速测量装置是否正常、机组转速、机组出口断路器位置、导叶位置、主进水阀位置等安全闭锁条件，相关信号异常时流程应闭锁机械制动投入。

(4)机械制动控制程序设计应有防止机组带机械制动升速和机组高转速时机械制动异常投入的控制策略。

(5)机械制动用机组转速信号宜取自不同的设备或系统，形成冗余的转速条件校验。

3 机组正常停机/机械事故停机时机械制动控制策略

机组各运行工况正常停机时，停机简要过程为：减机组有功功率、无功功率，分机组出口断路器、关导叶、关主进水阀，退励磁，机组转速小于90%额定转速时启动推力轴承高压油顶起装置，机组转速小于50%额定转速时投电气制动，转速小于5%额定转速时投机械制动直至机组转速为0。机械制动控制策略如图1所示。此控制策略适用于机组所有运行状态时的正常停机过程。

若机组停机时机组转速小于5%额定转速且机械制动投入相关条件满足，则直接投机械制动直至机组转速为0。

若机组停机过程中电气制动不可用，当机组转速小于20%额定转速且机械制动投入相关条件满足时，则投机械制动直至机组转速为0。

若机组停机过程中电气制动可用，当机组转速小于50%额定转速时，投电气制动，若机组有轴承瓦温二级高或机组振动保护动作，机组转速下降至20%额定转速时，机械制动投入相关条件满足，投机械制动使机组转速快速降至0；其他情况下机组转速机械下降至5%额定转速，机械制动投入相关条件满足，投机械制动直至机组转速为0。

4 机组电气事故停机时机械制动控制策略

机组电气事故停机时，停机简要过程为：直接分机组出口断路器、退励磁、关导叶、关主进水阀，电气制动被闭锁，机组转速小于90%额定转速时启动推力轴承高压油顶起装置，机组转速小于20%额定转速时投机械制动直至机组转速为0。为了减少机组的惰性运行时间，以保护机组推力轴承瓦和缩短停机时间，机械制动将在较高转速时投入，控制示意图如图2所示。

机组水泵工况断电是电气事故停机的其中一种，在停机过程中，若水力过渡过程调节保证计算结果显示机组可能会发生反向旋转时，应有技术措施防止机组反向旋转带制动升速，可在机械制动投/退令逻辑出口采用图3示意的机组转速限制逻辑。

5 机组抽水工况转发电工况过程中机械制动控制策略

机组抽水工况转发电工况一般有两种控制过程，一种是紧急转换，机组在较高转速时即打开导叶，用水力使机组转速快速下降并进行水轮机方向升速直至机组并网发电工况运行，工况转换过程中不投机械制动；一种是停机转换，机组正常停机至转速为0时再打开导叶使机组水轮机方向升速直至机组并网发电工况运行，工况转换过程若正常转换或发生机械事故停机，机械制动控制策略参见“机组正常停机/机械事故停机时机械制动控制策略”，若工况转换过程中发生电气事故停机，机械制动控制策略参见“机组电气事故停机时机械制动控制策略”。

6 机组发生蠕动时机械制动控制策略

对于停机工况机械制动为退出状态的机组，在停机工况时，由于导叶漏水量大等因素导致机组发生转动，此时应投入机械制动，消除机组蠕动以保护轴承轴瓦。机组发生蠕动时机械制动的控制策略如图4所示。

7 机组高转速时机械制动异常投入控制策略

机组高转速机械制动异常投入可能会造成发电电动机粉尘污染、机组轴系偏移、机械结构受损、制动器损坏、制动环损坏等严重后果，严重影响机组的安全稳定运行，一方面程序设计和硬布线控制回路应有防止高速误投机械制动的技术措施；另一面当机组发生高转速机械制动异常投入时，应有相应的控制措施，在机械制动控制程序中设计如下控制逻辑：当机组转速高于设定值时(一般设定值为25%额定转速)，出现机械制动投入状态信号或机械制动未退出状态信号或机械制动投入腔有压信号，立即发出退机械制动指令并保持退出令，同时闭锁机械制动投入并发出故障报警信号，经短延时后若机械制动机械制动投入或机械制动未退出状态信号仍然存在，执行停机，机械制动控制策略如图5所示。

图1 机组正常停机/机械事故停机时机械制动控制示意图

图2 机组电气事故停机时机械制动控制示意图

图3 机械制动投/退令逻辑出口示意图

8 防止机组带机械制动升速的控制策略

机组带机械制动升速可能造成发电电动机粉尘污染、制动器损坏、制动环损坏、机组轴系偏移、机械结构受损等严重后果，严重影响机组的安全稳定运行，此类故障一般发生在机组启动阶段，也可能发生在机组水泵断电停机过程中，为防止发生此类故障，一般采取以下控制策略。

(1)对于设计上停机稳态时机械制动保持投入的，“机械制动系统投入”、“机械制动系统可用”信号应作为机组启动的初始条件，条件不满足时闭锁启动机组。

图4 机组发生蠕动时机械制动控制示意图

图5 机组高转速时机械制动异常投入控制示意图

(2)对于设计上停机稳态时机械制动退出的，“机械制动系统退出”、“制动系统可用”信号应作为机组启动的初始条件，条件不满足时闭锁启动机组。

(3)机组启动过程中，流程执行到退机械制动的相关步时，无论当前机械制动状态是投入还是退出，均应无条件发机械制动退出令(指令宽度应确保机械制动可靠退出)，命令发出后，必须收到“机械制动退出”和“机械制动投入腔无压”信号并经延时后，流程方可继续执行下一步。

(4)机组水泵工况断电停机过程中，若水力过渡过程调节保证计算结果显示机组可能会发生反向旋转时，应有技术措施防止机组反向旋转带制动升速，可参见图3。

9 结束语

大型抽水蓄能机组水头高、转速高，机械制动系统动作异常会造成严重不良后果，完善的控制策略和程序设计是保证机械制动系统安全可靠工作的基础。本文讨论了机械制动在机组各种工况转换中及异常情况下的控制策略，包括机组正常停机、机械事故停机、电气事故停机、水泵断电、抽水转发电、轴承瓦温异常、机组启动、机组蠕动、高转速机械制动异常投入等情况下机械制动控制策略及安全闭锁，对大型抽水蓄能机组机械制动控制程序设计具有一定的指导意义。