电气制动在乌溪江电厂水轮发电机组的应用实践

电气制动在乌溪江电厂水轮发电机组的应用实践周新有(浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州324000)摘要：电气制动在乌溪江电厂#5机100MW水轮发电机组的应用，进行电气制动的实践改造及相关试验，取得良好效果。为电气制动在其他同类型机组的推广应用提供了依据。关键词：水轮发电机电气制动机械制动一、前言：乌溪江水力发电厂是浙江电网的主力调峰水电厂，隶属于中国华电集团公司，是国有大Ⅱ型水电企业。乌溪江电厂#5机组单机100MW，在浙江电网承担调峰任务，开停机频繁。#5机距离厂房控制室2KM，采用计算机监控系统控制，实现无人值班，少人值守的关门运行机组，有必要提高机组停机制动的自动化水平。我们对#5机组进行电气制动的实际改造和相关试验，取得了有益的结论。水轮发电机组采用电气制动停机系统，可以较大程度地改善机组的停机运行工况，缩短停机时间，消除机械制动时制动块与制动环因摩擦而引起的机械疲劳以致变形龟裂，同时洁净了环境，提高了机组控制的自动化水平。二、电气制动的概述：水轮发电机组的传统制动方式一般采用机械制动，其优点是：运行可靠，使用方便，通用性强，用气压、油压操作所消耗能源较少，在制动过程中对推力瓦的油膜有保护作用。既用来制动机组，又用来顶转子，故具有双重功能。但这种制动方式存在如下一些缺点：制动器的制动块磨损较快，制动中产生的粉尘随着循环风进入转子磁轭及定子铁芯的通风道，长年积累会减少通风道的过风断面面积，影响发电机的冷却效果，导致定子温升增高。粉尘与油雾结合会四处飞落，污浊定子绕组，妨碍散热，降低绝缘水平，增加检修工作量。在制动过程中，制动环表面温度急剧升高，因而产生热变形，以致出现龟裂现象。为了克服机械制动方式的这些缺点，我们在乌溪江电厂#5机组上采用电气制动，但目前仍然保留机械制动方式，以进行混合制动。三、电气制动的工作原理：当水轮发电机组与系统解列后，导水机构关闭，发电机灭磁，机组在转轮水阻力矩、转子风阻力矩以及轴承摩擦力矩的共同作用下，转速迅速下降，当转速下降到一定数值时（通常为额定转速的40—60%），合上发电机定子绕组出线端的制动短路开关，给转子绕组加恒励，依据同步发电机的电枢反应原理，电枢反应的直轴分量仅体现为加磁或去磁，不反应有功转矩。而电枢反应的交轴分量则体现为一个有功转矩，其方向与原有速度方向相反。量值为：Tet=I2F×Xd2RS／(R2+S2X2d)Tet——电气制动转矩；IF——发电机电气制动短路电流；Xd——发电机同步电抗；R——发电机定子绕组电阻；S——转速比电气制动转矩促使机组惯性转矩而达到停机目的。在电气制动过程中，由于给转子绕组加的是恒定励磁电流，则随着转速的降低，发电机的感应电势和直轴同步电抗按比例减少，使发电机定子绕组上的制动电流幅值保持恒定，而频率逐渐减少。四、电气制动的一般性结论和对机组保护的影响1、采用定子三相直接短路，转子励磁方式较为适用。制动投入转速可在额定转速40—60%Ne内选取。对于定子制动电流IF一般可取发电机定子额定电流Ie的1.0——1.2倍。对于导叶漏水量较大的常规水轮发电机机组，要求缩短低转速区的运行时间，采用增大定子制动电流的制动方式效果较好。2、对于导叶漏水量较少（约为1%额定力矩），轴承润滑性能较好的常规水轮发电机机组，电气制动投入参数采用50%Ne及额定电流Ie较适宜。3、采用电气、机械混合制动是一种较理想的制动方式，对于一些GD2较大，为提高轴承润滑性能较好，转速可降至15——20%Ne，再投入机械制动。4、对差动保护的影响：对于乌溪江电厂#5机组而言，在电制动工况下将在差动保护回路内形成差电流，会导致差动保护误动作，因此在设计中，考虑差动保护的影响，为此闭锁保护动作出口。5、对发电机定子接地保护的影响：电气制动工况中，发电机呈短路状态，其机端线电压Uf=0，但由于发电机结构决定的三次谐波电势E3的A、B、C三相方式一致。通常发电机是采用零序过电压定子接地保护。由于电气制动过程中三次谐波串联谐振的影响，将导致定子接地保护误动作，误发信号。解决上述问题的办法是将串联谐振回路中消弧线圈的电感或发电机对地分布电容两个参数消除一个。乌溪江电厂#5机的电制动采用消除发电机对地电容的方式。即电气制动停机时发电机短路接地，此方法简单、可靠、易行。五、乌溪江电厂#5机组电气制动的设计和计算：乌溪江电厂#5机是单机容量为100MW，已装有传统的机械制动装置。由于电站在系统中承担调峰任务，开停机频繁，故采用电气制动作为正常停机制动方式是合理的，而且该机组是计算机监控控制的，无人值班、少人值守的关门机组，所以有必要提高机组停机制动的自动化水平。1、对大中容量的机组，定子制动电流一般采用发电机定子额定电流的1.0——1.2倍，偏小会使电气制动力矩较小而延迟制动时间，偏大虽可缩短制动时间,但对发电机不利。设计中特将发电机定子制动电流的范围控制在0.8——1.2Ie，并通过调整制动变压器抽头而实现可调。由试验最终确定适合的发电机定子制动电流范围。2、对大中容量的机组，采用电气、机械混合制动是一种较理想的制动方式。一般在电气制动投入成功后，当转速降至20%——25%Ne时，再投入机械制动，如果推力轴承润滑性较好，转速可降至15%——20%Ne，再投入机械制动。由于乌溪江电厂#5机组原具有机械制动系统，故采用混合制动方式。乌溪江电厂#5机电制动减速计算：乌溪江电厂#5机发电机参数：（1）、发电机额定功率Pe=100MW（2）、发电机额定电压UFe=13.8KV(3)、发电机额定电流IFe=4782A(4)、发电机额定功率因数COSФ=0.875(5)、发电机额定转速Ne=187.5(r.p.m)(6)、发电机额定励磁电流IFe=1216A(7)、发电机额定励磁电压Ufe=268V(8)、发电机额定空载励磁电流IF0=644A(9)、发电机额定空载励磁电压UF0=13.8KV(10)、短路比K=1.15(11)、发电机定子电阻Ra(75°C)=0.1508Ω(12)、发电机转子电阻Ra(75°C)=0.00274Ω(13)、发电机定子铁芯内径Di=7.455(m)(14)、发电机定子铁芯长度Lt=1.626(m)(15)、机组转速惯性GD2=11000(t.m2)水轮机参数：(1)、额定设计水头Hd=80m(2)、额定流量Qe=123.3(m3/s)(3)、转轮直径D=3.8(m)A、计算参数：1、Tmec(s)机组机械时间参数2、Tn发电机额定转矩3、Ttf转轮水阻力矩（标幺值）4、Tvf发电机风摩阻力矩5、Tbf转承摩擦阻力矩6、Tet电制动力矩7、T(s)制动时间1———n／Ne=0.6I／IN=0.8Tmec=10.5961TN(kgf.m)=519999.97SNTtfTvfTbfTetT(s)1.00187.50.18880.00950.00140.00000.110.90168.750.15620.00770.00140.00005.940.80150.000.12640.00610.00130.000013.080.70131.250.09940.00470.00120.000022.020.60112.500.07530.00340.00110.000033.590.5093.750.05420.00240.00100.002648.690.4075.000.03630.00150.00090.003369.820.3056.250.02160.00090.00080.0043101.100.2037.500.01040.00040.00060.0065149.440.1018.750.00300.00010.00050.0130215.110.011.880.00000.00000.00010.1299251.022———n／Ne=0.6I／IN=1.0Tmec=10.5961TN(kgf.m)=519999.973———n／Ne=0.6I／IN=1.2Tmec=10.5961TN(kgf.m)=519999.974———NoelectricalbreakTmec=10.5961TN(kgf.m)=519999.97SNTtfTvfTbfTetT(s)1.00187.50.18880.00950.00140.00000.110.90168.750.15620.00770.00140.00005.940.80150.000.12640.00610.00130.000013.080.70131.250.09940.00470.00120.000022.020.60112.500.07530.00340.00110.000033.590.5093.750.05420.00240.00100.004148.410.4075.000.03630.00150.00090.005169.850.3056.250.02160.00090.00080.006898.250.2037.500.01040.00040.00060.0102140.620.1018.750.00300.00010.00050.0203190.560.011.880.00000.00000.00010.2030214.39SNTtfTvfTbfTetT(s)1.00187.50.18880.00950.00140.00000.110.90168.750.15620.00770.00140.00005.940.80150.000.12640.00610.00130.000013.080.70131.250.09940.00470.00120.000022.020.60112.500.07530.00340.00110.000033.590.5093.750.05420.00240.00100.005948.070.4075.000.03630.00150.00090.007367.740.3056.250.02160.00090.00080.009895.130.2037.500.01040.00040.00060.0146132.000.1018.750.00300.00010.00050.0293170.760.011.880.00000.00000.00010.2923187.66SNTtfTvfTbfTetT(s)1.00187.50.18880.00950.00140.00000.110.90168.750.15620.00770.00140.00005.940.80150.000.12640.00610.00130.000013.080.70131.250.09940.00470.00120.000022.020.60112.500.07530.00340.00110.000033.590.5093.750.05420.00240.00100.000049.230.4075.000.03630.00150.00090.000071.690.3056.250.02160.00090.00080.0000107.050.2037.500.01040.00040.00060.0000172.070.1018.750.00300.00010.00050.0000338.600.011.880.00000.00000.00010.00001483.731234T(S)湖南镇水电厂机组减速曲线SB、电气制动系统动作程序说明：（1）、制动程序机组与系统解列——停机令给出——导叶全关——逆变灭磁——电制动启动条件是否满足——FDK合闸——ZLK合闸——JLK合闸（2）、系统恢复程序机组转速为零——JLK分闸——延续40秒续流灭磁——ZLK分闸——FDK分闸——系统复归——恢复下一次开机条件如下图示意说明：FDK——短路刀闸；ZLK——直流开关；JLK——交流开关；ZDB——制动变压器FDKDLJLKZDBZLKG400V六、乌溪江电厂#5机电气制动试验数据：1、发电机空转至额定转速的情况下停机，采用气制动