电气制动在水电厂的应用实践

　第３０卷第３期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．３　　　２００８年３月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒ．２００８　　电气制动在水电厂的应用实践Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｂｒａｋｅｉｎｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ张士军，周新有ＺＨＡＮＧＳｈｉｊｕｎ，ＺＨＯＵＸｉｎｙｏｕ（华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州　３２４０００）（ＨｕａｄｉａｎＷｕｘｉｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ，Ｑｕｚｈｏｕ３２４０００，Ｃｈｉｎａ）摘　要：乌溪江电厂＃５机组是计算机监控、无人值班、少人值守的关门运行机组，改造前存在停机所需的时间长，机械制动时因摩擦而引起机械疲劳以至变形龟裂的问题，且自动化水平不高。通过对＃５机组进行加装电气制动的改造和相关试验的探索，较大程度地改善了机组的停机运行性能、提高了环境质量和机组控制的自动化水平。关键词：水轮发电机；电气制动；机械制动中图分类号：ＴＫ７３０．８　　　文献标识码：Ｂ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０３－００６３－０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｕｎｉｔ＃５ｏｆＷｕｘｉｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＰｌａｎｔｉｓｍｏｎｉｔｏｒｉｅｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｃｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄｏｐｅｒａｔｅｄａｔｔｈｅ＂ｕｎｍａｎｎｅｄｏｎｄｕｔｙ＂ｍｏｄｅ．Ｂｕｔｔｈｅｒｅｗｅｒｅｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｎｇｅｒｔｉｍｅｎｅｅｄｅｄｆｏｒｓｔｏｐｐｉｎｇｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｒａｋｅ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｒａｃｋｉｎｇｄｕｅｔｏｆｒｉｃｔｉｏｎ，ａｎｄｌｏｗｅｒａｕｔｏｍａｔｉｏｎｌｅｖｅｌ．Ｔｏｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｂｒａｋｅｓｔｏｐｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎａｄｏｐｔｅｄａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｔｅｓｔｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ．Ｎｏｗｔｈｅｕｎｉｔｓｔｏｐｐｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｑｕａｌｉｔｙａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎｌｅｖｅｌａｒｅｒａｉｓｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｂｒａｋｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｒａｋｅ收稿日期：２００８－０１－０２０　引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机组单机容量１００ＭＷ，在浙江电网承担调峰任务，开停机频繁。＃５机组距离厂房控制室２ｋｍ，采用计算机监控系统控制，是实现无人值班、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。水轮发电机组的传统制动方式一般为机械制动，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，既可用来制动机组，又可用来顶转子，具有双重功能；但这种制动方式存在如下缺点：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心的通风道，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，降低了绝缘水平，增加了检修工作量；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，在乌溪江电厂＃５机组上进行了电气制动的实际改造和相关试验，采用电气、机械混合的制动方式取得了有益的结论，较大程度地改善了机组的停机运行工况，缩短了停机时间，消除了机械制动时制动块与制动环因摩擦而引起的机械疲劳乃至变形龟裂，同时洁净了环境，提高了机组控制的自动化水平。１　电气制动的工作原理［１］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　·６４·华电技术第３０卷　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，给转子绕组加恒定励磁电流。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，其量值为Ｔｅｔ＝ＩＦ２×Ｘｄ２ＲＳ／（Ｒ２＋Ｓ２Ｘｄ２），式中，Ｔｅｔ为电气制动转矩；ＩＦ为发电机电气制动短路电流；Ｘｄ为发电机同步电抗；Ｒ为发电机定子绕组电阻；Ｓ为转速比。电气制动转矩促使机组惯性转矩减小，从而实现停机。在电气制动过程中，由于给转子绕组加的是恒定励磁电流，因此，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，而频率逐渐减小。２　电气制动的特点及其对机组保护的影响［２］（１）采用定子三相直接短路，对转子励磁方式较为适用。制动投入转速可在４０％～６０％额定转速（ｎｅ）内选取；定子制动电流ＩＦ一般可取为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］。（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，转动惯量较大时，为提高轴承润滑性能，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，从而导致差动保护误动作，因此，在设计中应闭锁差动保护动作出口。（５）对发电机定子接地保护的影响。在电气制动工况中，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，发电机通常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２个参数消除１个。乌溪江电厂＃５机组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，该方法简单、可靠、易行。３　＃５机组电气制动的设计思路乌溪江电厂＃５机组单机容量为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。发电机定子制动电流的适合范围由试验最终确定。图１　制动程序示意图（２）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机组原来具有机械制动系统，故采用混合制动方式。电气制动系统的制动程序如图１所示，系统恢复程序如图２所示，＃５机组电气制动一次系统如图３所示。图２　系统恢复程序示意图图３　＃５机组电气制动一次系统图　第３期张士军，等：电气制动在水电厂的应用实践·６５·　４　＃５机组电气制动试验数据采用气制动停机时频率与时间的关系见表１。表１　采用气制动停机时频率与时间的关系时间／ｓ频率／Ｈｚ时间／ｓ频率／Ｈｚ０５０．００９０１８．１７１０４６．９０１００１６．７４２０３９．００１１０１５．８２３０３４．３０１２０１４．７７４０３０．０３１３０１３．２６５０２６．６９１４０１１．４０６０２３．８８１５０９．６５７０２１．５３２４００８０１９．８５　　制动变压器抽头放在第２档，转速与时间的关系见表２（二次电压Ｕａｂ＝Ｕｂｃ＝Ｕａｃ＝７０Ｖ，发电机短路电流ＩＦ＝３８５０Ａ）。表２　制动变压器抽头放在第２档时转速与时间的关系时间／ｓ转速／（％ｎｅ）时间／ｓ转速／（％ｎｅ）０１００７２３０１２８０１９４０２０６０　　此次试验在１０％ｎｅ时投入气制动，采用混合制动。采用纯电气制动时转速与时间的关系见表３（制动变压器抽头放在第３档，二次电压为８０Ｖ，记录转子电压为８６Ｖ，转子电流为５９５Ａ，发电机定子电流为４５００Ａ）。表３　纯电气制动时转速与时间关系时间／ｓ转速／（％ｎｅ）时间／ｓ转速／（％ｎｅ）０１００１０５３０２０８０３００４０６０　　通过监控上位机历史数据库记录，对＃５机组改造前后停机时间比较情况见表４（制动变压器抽头放在第２档，二次电压为Ｕａｂ＝Ｕｂｃ＝Ｕａｃ＝７２Ｖ，制动电流约４１００Ａ）。其中，改造前投入时间为２００５年９月２３日，改造后投入时间为２００６所５月１７日。由以上数据可知，改造前采用气制动方式，２５％ｎｅ时气制动加闸，停机解列至零转速时间是６ｍｉｎ２７ｓ，改造后采用混合制动方式，６０％ｎｅ时电气制动，１０％ｎｅ时再气制动加闸，停机解列至零转速时表４　＃５机组改造前后停机时间对比改造前水头２１６．７５ｍ改造后水头２１７．６８ｍ１８：３３：１５停机解列（断路器分闸）２：２５：５０停机解列（断路器分闸）１８：３３：１９导叶全关动作２：２５：５５导叶全关动作１８：３３：２５９５％ｎｅ以上复归２：２６：００９５％ｎｅ以上复归１８：３３：３１８０％ｎｅ以下动作２：２６：０７８０％ｎｅ以下动作１８：３３：５６６０％ｎｅ以下动作２：２６：３０６０％ｎｅ以下动作１８：３５：５４２５％ｎｅ以下动作２：２７：５７２５％ｎｅ以下动作１８：３５：５５风闸顶起动作２：２９：２７１０％ｎｅ以下动作１８：３７：３５１０％ｎｅ以下动作２：２９：３０风闸顶起动作１８：３９：４２５％ｎｅ以下动作（零转速）２：３０：３０５％ｎｅ以下动作（零转速）间是４ｍｉｎ４０ｓ。在几乎差不多的水头下停机制动，改造后的时间比改造前少了１ｍｉｎ４７ｓ，改造后的制动效果较为明显。电制动的投入对机组振动（Ｘ，Ｙ）、瓦温几乎没影响。５　结论此次改造和相关试验是相当成功的，电气制动装置动作可靠，有利于发电机快速通过低转速区，减少推力瓦磨损，并大大提高了机组自动化水平，减少了检修维护工作量。（１）随着定子制动电流的增加，电气制动力矩的加强效果明显。对于漏水量较小、轴承润滑性能较好的常规水轮发电机组，发电机定子制动电流的范围采用０．８～１．０Ｉｅ比较合适，一般可满足对停机时间和制动时间的要求。（２）对于漏水量较大、轴承润滑性能较好的常规水轮发电机，通过调节制动变压器的抽头，增大发电机定子制动电流，可以缩短低转速区的运行时间或采用混合制动方式，在低转速１０％～１５％５ｎｅ时，再投入机械制动较合理。（３）由于＃５机组定子线棒绝缘的问题和电制动试验数据的结果，制动变压器抽头放在第２档，即二次侧电压为７０～７２Ｖ，发电机制动电流为３９００～４１５０Ａ，并采用混合制动（１０％ｎｅ转速投入气制动）较为合理。（４）改造前＃５机组停机制动是２５％ｎｅ时采用气制动方式，在停机加闸时风闸闸板与制动环磨损较严重，产生大量粉尘，与风洞内油雾结合，粘附在机组定子和转子上，严重影响机组定子和转子绝缘，　·６６·华电技术第３０卷　给设备带来隐患。其次，在２５％ｎｅ加闸时，风闸闸板易变形和发热，以至风闸有时落不下来，给检修和运行人员增加很多工作量。改造后采用电气制动方式（混合制动），即在６０％ｎｅ时采用电气制动，在１０％ｎｅ时再投气制动。由于停机加闸转速的减小，使机组的线速度减小，减少了原来线速度（原来是２５％ｎｅ）的６