分析电制动在水轮发电机组停机中的应用

【摘要】水轮发电机的电气制动停机是理想的制动方式，但是随着它的投入也导致一些新问题。本文作者阐述了水轮发电机电气制动系统的工作原理及实现途径，给出了电制动的各种改造方案，并结合电站励磁系统，并对各方案具体原理、实现及特点进行深入探讨。

【关键词】水轮发电机机械制动装置电气制动

水轮发电机组由于启动、停机方便迅速，因而在电网系统中常肩负起调峰、调频及事故备用的重大责任。大、中型水轮发电机组在停机过程中，为了缩短机组的惰性时间，防止在转速逐渐下降过程中推力轴承的油膜减薄、变干、发生硬碰硬的摩擦而烧坏推力轴瓦的现象，水轮发电机组在低转速区必须进行连续的强制刹车。尤其是机组被迫在高转速下投入机械制动时，由于机组转动惯量巨大，制动闸块和制动盘间将产生强烈的摩擦和扭曲应力，造成制动盘变形、龟裂甚至折断损坏。

一、电制动原理

电制动原理是基于同步发电机的电枢反应，见图1。制动时将发电机出口三相短路，给转子加恒定电流，由电枢电流产生的电枢磁势可分解为直轴分量和交轴分量。直轴分量（即无功分量）仅产生电磁力，不形成电磁转矩；而交轴分量（即有功分量）则产生电磁力，并形成电磁转距，其方向与惯性转距方向相反，从而实现减速制动停机。

当机组与电网解列、灭磁以后，待转速大约降至额定转速的50%～60%时，将发电机定子在机端出口三相短路，通过一系列逻辑操作，切换励磁电源；同时，励磁调节器转至电制动模式运行，给发电机转子绕组加恒定励磁电流。因为发电机正在转动，定子在转子磁场的作用下，感应产生短路电流，由此产生的电磁力矩正好与转子的惯性转向相反。在机组制动期间，该制动力矩和水轮机转轮在水中转动摩擦引起的水阻力矩、发电机通风损耗引起的风摩擦阻力矩及轴承摩擦损耗引起的阻力矩构成机组总的阻力矩。电制动力矩ME表达式为：

RES为电制短路开关；GCB为发电机出口断路器；MB为主变；LB为励磁变；ZB为制动变；QF1，QF2为空气断路器；AVR为机端电压控制；FMK为灭磁开关；L为转子绕组。

2.2电制动工作流程

当停机信号给出、机组与系统解列后，导水机构关闭，同时发电机逆变灭磁。当转速下降到50%的额定转速以下时，由监控系统向励磁系统发出电制动投入令，电制动过程的流程控制是通过励磁系统的专用可编程控制器（PLC）实现。（1）检测电制动投入的条件。正常停机时，当发电机与系统解列后，监控系统就会向励磁调节器发出停机令，由励磁调节器进行逆变灭磁。在具备以下条件时，监控系统向励磁系统发出电制动投入命令，即：①机组停机令已发；②发电机出口断路器已分；③灭磁、发电机机端残压

2.3机械制动流程

（1）启动机械制动应具备的条件为：机组转速下降到10%的额定值或电制动失败。（2）机械制动启动后，保持数秒后复归启动信号。

2.4电制动失败

在电制动过程中，PLC始终对整个制动过程进行监测，当遇到以下异常情况时，PLC将向监控系统发出电制动失败报警信号，并退出电制动过程。此时，监控系统会投入机械制动装置完成制动。（1）在规定时间内QF1不能分断，或RES、QF2开关不能合上。（2）电制动时间过长（超过300s）。（3）电制动启动后一定时间内，励磁电流小于空载励磁电流的50%。（4）定子电流大于额定定子电流的130%。

2.5水轮发电机组停机后的检查项目

（l）进水口和压力管道等经运行后应无变化现象。（2）水轮机各部分应无不正常的漏水现象。（3）密封填料和轴承壳应无异常现象。（4）发电机轴承壳和绕组、滑环与电刷接线柱等不应过热，刷并接触应良好，不应有灼痕。（5）配电屏上各电器（开关、熔丝、电阻、电容等）应无过热和灼痕。（6）变压器油位和色泽应正常，并无过热或漏油现象。

三、电制动对继电保护的影响

（1）电制动的短路点一般设在发电机出口与断路器之间，在发电机差动保护范围之内。制动时将在差动保护回路内形成差流，为防止差动保护动作、误发信号，在投电制动时将保护闭锁。（2）通常，发电机是采用零序过电压型定子接地保护装置，对于消弧线圈接地保护方式而言，在电制动停机过程中，当转速降至1/3的额定转速时，发电机定子绕组中3次谐波电势引起的基波电压谐振，将导致保护误动作。采取电制动停机时，将发电机短路接地，以有效地消除其串联谐振现象。

四、结束语

电制动只有电磁联系，无机械直接接触，它能克服机械制动的缺点，同时，机械制动可作为电制动失败或机组内部出现电气事故时的后备制动。

参考文献

[1]邱景安，于启生.水轮发电机组电制动停机的试验研究[J].水力发电. 2010年02期

[2]忽树岳，李永生.水轮发电机组电制动控制系统的设计问题[J].大电机技术. 2011年04期