【摘要】水輪發(fā)電機的電氣制動停機是理想的制動方式，但是隨著它的投入也導致一些新問題。本文作者闡述了水輪發(fā)電機電氣制動系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)途徑，給出了電制動的各種改造方案，并結合電站勵磁系統(tǒng)，并對各方案具體原理、實現(xiàn)及特點進行深入探討。

【關鍵詞】水輪發(fā)電機機械制動裝置電氣制動

水輪發(fā)電機組由于啟動、停機方便迅速，因而在電網(wǎng)系統(tǒng)中常肩負起調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用的重大責任。大、中型水輪發(fā)電機組在停機過程中，為了縮短機組的惰性時間，防止在轉(zhuǎn)速逐漸下降過程中推力軸承的油膜減薄、變干、發(fā)生硬碰硬的摩擦而燒壞推力軸瓦的現(xiàn)象，水輪發(fā)電機組在低轉(zhuǎn)速區(qū)必須進行連續(xù)的強制剎車。尤其是機組被迫在高轉(zhuǎn)速下投入機械制動時，由于機組轉(zhuǎn)動慣量巨大，制動閘塊和制動盤間將產(chǎn)生強烈的摩擦和扭曲應力，造成制動盤變形、龜裂甚至折斷損壞。

一、電制動原理

電制動原理是基于同步發(fā)電機的電樞反應，見圖1。制動時將發(fā)電機出口三相短路，給轉(zhuǎn)子加恒定電流，由電樞電流產(chǎn)生的電樞磁勢可分解為直軸分量和交軸分量。直軸分量（即無功分量）僅產(chǎn)生電磁力，不形成電磁轉(zhuǎn)矩；而交軸分量（即有功分量）則產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉(zhuǎn)距，其方向與慣性轉(zhuǎn)距方向相反，從而實現(xiàn)減速制動停機。

當機組與電網(wǎng)解列、滅磁以后，待轉(zhuǎn)速大約降至額定轉(zhuǎn)速的50%～60%時，將發(fā)電機定子在機端出口三相短路，通過一系列邏輯操作，切換勵磁電源；同時，勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)至電制動模式運行，給發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組加恒定勵磁電流。因為發(fā)電機正在轉(zhuǎn)動，定子在轉(zhuǎn)子磁場的作用下，感應產(chǎn)生短路電流，由此產(chǎn)生的電磁力矩正好與轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)向相反。在機組制動期間，該制動力矩和水輪機轉(zhuǎn)輪在水中轉(zhuǎn)動摩擦引起的水阻力矩、發(fā)電機通風損耗引起的風摩擦阻力矩及軸承摩擦損耗引起的阻力矩構成機組總的阻力矩。電制動力矩ME表達式為：

RES為電制短路開關；GCB為發(fā)電機出口斷路器；MB為主變；LB為勵磁變；ZB為制動變；QF1，QF2為空氣斷路器；AVR為機端電壓控制；FMK為滅磁開關；L為轉(zhuǎn)子繞組。

2.2電制動工作流程

當停機信號給出、機組與系統(tǒng)解列后，導水機構關閉，同時發(fā)電機逆變滅磁。當轉(zhuǎn)速下降到50%的額定轉(zhuǎn)速以下時，由監(jiān)控系統(tǒng)向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動投入令，電制動過程的流程控制是通過勵磁系統(tǒng)的專用可編程控制器（PLC）實現(xiàn)。（1）檢測電制動投入的條件。正常停機時，當發(fā)電機與系統(tǒng)解列后，監(jiān)控系統(tǒng)就會向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出停機令，由勵磁調(diào)節(jié)器進行逆變滅磁。在具備以下條件時，監(jiān)控系統(tǒng)向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動投入命令，即：①機組停機令已發(fā)；②發(fā)電機出口斷路器已分；③滅磁、發(fā)電機機端殘壓<10% UN；④導葉全關，機組不再有原動力矩；⑤發(fā)電機無內(nèi)部電氣故障；⑥機組轉(zhuǎn)速下降到50%的額定值以下。（2）當勵磁系統(tǒng)的電制動PLC檢測到電制動投入命令并判斷條件滿足后，依次閉鎖繼電保護、分勵磁變副邊開關QF1，合短路開關RES、合電制動電源交流開關QF2。（3）控制勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入電制動模式，使勵磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子繞組輸出設定的勵磁電流值（60% If N）形成制動力矩，完成電制動。（4）在電制動過程中，任何一步如果不能滿足電制動的條件，那么PLC都會發(fā)信號轉(zhuǎn)為機械制動，并向計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信號，電制動退出；同時進入第7步。（5）當機組轉(zhuǎn)速小于10%時，電制動完成，PLC向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)逆變滅磁信號，滅磁成功后進入第7步。（6）逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開關，然后進入第7步。（7）當完成第3～5步或第6步后，PLC同時發(fā)信號給電制動電源交流開關QF2、短路開關RES、合整流變副邊開關QF1，解除發(fā)電機繼電保護，使勵磁裝置恢復到正常開機前的狀態(tài)。

2.3機械制動流程

（1）啟動機械制動應具備的條件為：機組轉(zhuǎn)速下降到10%的額定值或電制動失敗。（2）機械制動啟動后，保持數(shù)秒后復歸啟動信號。

2.4電制動失敗

在電制動過程中，PLC始終對整個制動過程進行監(jiān)測，當遇到以下異常情況時，PLC將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出電制動失敗報警信號，并退出電制動過程。此時，監(jiān)控系統(tǒng)會投入機械制動裝置完成制動。（1）在規(guī)定時間內(nèi)QF1不能分斷，或RES、QF2開關不能合上。（2）電制動時間過長（超過300s）。（3）電制動啟動后一定時間內(nèi)，勵磁電流小于空載勵磁電流的50%。（4）定子電流大于額定定子電流的130%。

2.5水輪發(fā)電機組停機后的檢查項目

（l）進水口和壓力管道等經(jīng)運行后應無變化現(xiàn)象。（2）水輪機各部分應無不正常的漏水現(xiàn)象。（3）密封填料和軸承殼應無異常現(xiàn)象。（4）發(fā)電機軸承殼和繞組、滑環(huán)與電刷接線柱等不應過熱，刷并接觸應良好，不應有灼痕。（5）配電屏上各電器（開關、熔絲、電阻、電容等）應無過熱和灼痕。（6）變壓器油位和色澤應正常，并無過熱或漏油現(xiàn)象。

三、電制動對繼電保護的影響

（1）電制動的短路點一般設在發(fā)電機出口與斷路器之間，在發(fā)電機差動保護范圍之內(nèi)。制動時將在差動保護回路內(nèi)形成差流，為防止差動保護動作、誤發(fā)信號，在投電制動時將保護閉鎖。（2）通常，發(fā)電機是采用零序過電壓型定子接地保護裝置，對于消弧線圈接地保護方式而言，在電制動停機過程中，當轉(zhuǎn)速降至1/3的額定轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機定子繞組中3次諧波電勢引起的基波電壓諧振，將導致保護誤動作。采取電制動停機時，將發(fā)電機短路接地，以有效地消除其串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

四、結束語

電制動只有電磁聯(lián)系，無機械直接接觸，它能克服機械制動的缺點，同時，機械制動可作為電制動失敗或機組內(nèi)部出現(xiàn)電氣事故時的后備制動。

參考文獻

[1]邱景安，于啟生.水輪發(fā)電機組電制動停機的試驗研究[J].水力發(fā)電. 2010年02期

[2]忽樹岳，李永生.水輪發(fā)電機組電制動控制系統(tǒng)的設計問題[J].大電機技術. 2011年04期