沈 繼 東

(國(guó)家電投集團(tuán)廣西電力有限公司，廣西 南寧 530029)

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淺談某水電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的優(yōu)化改造

沈 繼 東

(國(guó)家電投集團(tuán)廣西電力有限公司，廣西 南寧 530029)

在某水電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)的優(yōu)化改造中表明，無(wú)論選用何種材料的非線(xiàn)性電阻，采用可控硅跨接器及優(yōu)秀的邏輯控制是保護(hù)非線(xiàn)性電阻效能、延長(zhǎng)壽命的有效手段。試驗(yàn)證明，改造后的電氣制動(dòng)更加合理，可靠。

電氣制動(dòng)；特點(diǎn)；分類(lèi)；主要問(wèn)題；改造過(guò)程

1 概 述

自上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)水電站的發(fā)電機(jī)采用電氣制動(dòng)，但實(shí)際運(yùn)行中的使用效果不太理想。有的短路開(kāi)關(guān)觸頭被燒損，有的因操作回路不合理而誤動(dòng)或拒動(dòng)。緣于此，目前國(guó)內(nèi)水電機(jī)組大多還是普遍采用傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)方式，即風(fēng)閘與制動(dòng)環(huán)直接接觸產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)組制動(dòng)。然而，對(duì)于大型機(jī)組來(lái)說(shuō)，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，制動(dòng)風(fēng)閘與制動(dòng)環(huán)之間的摩擦劇烈。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，風(fēng)閘容易出現(xiàn)頂不起來(lái)或落不下去的故障；而且摩擦產(chǎn)生的污染，嚴(yán)重影響機(jī)組的絕緣和散熱，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，必須在機(jī)組停機(jī)時(shí)盡可能地采用可靠的制動(dòng)來(lái)縮短機(jī)組的停機(jī)時(shí)間[1]。

2 電氣制動(dòng)的特點(diǎn)與基本原理

電氣制動(dòng)的工作原理是基于同步電機(jī)的電樞反應(yīng)。在機(jī)組與電網(wǎng)解列發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁后，將定子三相短路，同時(shí)給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加勵(lì)磁電流，使它產(chǎn)生一個(gè)方向與機(jī)組慣性力矩的方向相反，具有強(qiáng)大制動(dòng)作用的電磁轉(zhuǎn)矩。這里的勵(lì)磁電流一般由廠(chǎng)用電系統(tǒng)經(jīng)整流后接入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論可知，制動(dòng)力矩ME可表達(dá)為：

(1)

電氣制動(dòng)力矩出現(xiàn)最大值時(shí)的轉(zhuǎn)速nmax為

(2)

最大電氣制動(dòng)力矩為：

(3)

式中 Ib為制動(dòng)勵(lì)磁電流；n為機(jī)組轉(zhuǎn)速；r定子繞組的有效電阻；xd為直軸同步電抗。

從式中可以看出，電氣制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)速下降而增大。根據(jù)以上理論依據(jù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，即使投入電氣制動(dòng)，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也是非常小的，而且在較高的轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)軸承比較容易形成油楔，所以，對(duì)軸承有影響的因素一般在低轉(zhuǎn)速區(qū)。因此，在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中，并不是一開(kāi)始就投入電氣制動(dòng)，而是在轉(zhuǎn)速下降到一定程度才投入電氣制動(dòng)。

在發(fā)電機(jī)解列、滅磁以后，待機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的50%～60%左右，將發(fā)電機(jī)定子在機(jī)端出口三相短路，通過(guò)一系列邏輯操作，提供制動(dòng)電源，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組加勵(lì)磁電流。因發(fā)電機(jī)正在轉(zhuǎn)動(dòng)，定子在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用下，感應(yīng)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，起到制動(dòng)的作用。

有上述公式1可以看出電制動(dòng)有2個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)制動(dòng)力矩與定子短路電流的平方成正比；

(2)制動(dòng)力矩與機(jī)組的轉(zhuǎn)速成反比，在制動(dòng)過(guò)程中，由于定子短路電流基本不變，因此，隨著轉(zhuǎn)速的下降制動(dòng)力矩反而是加大的，其最大值出現(xiàn)在機(jī)組將停止轉(zhuǎn)動(dòng)前的瞬間；

根據(jù)以上特點(diǎn)，為了獲得最大的制動(dòng)力矩，應(yīng)充分利用發(fā)電機(jī)的定子容量，使定子短路電流約等于額定定子電流，但要獲得額定定子電流，根據(jù)發(fā)電機(jī)短路的特性，勵(lì)磁電流應(yīng)達(dá)到發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁的電流值[2]。

3 電氣制動(dòng)的主要分類(lèi)

按照制動(dòng)整流橋的形式，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)運(yùn)行的電氣制動(dòng)主要有兩種方式：

(1)柔性電制動(dòng)

所謂柔性電制動(dòng)，是指將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與電制動(dòng)系統(tǒng)合二為一的柔性電制動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁裝置的整流橋兼作電制動(dòng)時(shí)的動(dòng)整流橋用。

(2)硬件制動(dòng)

所謂硬件制動(dòng)，主要是指電氣制動(dòng)時(shí)有單獨(dú)的制動(dòng)整流橋，該整流橋一般為二極管整流橋，其操作主要依靠整流橋的輸入和輸出開(kāi)關(guān)操作組成。

這種方法操作簡(jiǎn)單，可靠，易于實(shí)現(xiàn)，被中小型電站所青睞，下述電站即使用此種電制動(dòng)方式。

4 某電站電氣制動(dòng)存在的主要問(wèn)題及改造過(guò)程

4.1 該廠(chǎng)電氣制動(dòng)現(xiàn)狀

該廠(chǎng)正常停機(jī)時(shí)主要采用電氣制動(dòng)方式降低轉(zhuǎn)速，在短時(shí)間內(nèi)使發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)；發(fā)出停機(jī)令后，關(guān)閉球閥，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到60%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電氣制動(dòng)通過(guò)硬件制動(dòng)方式投入運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到0時(shí)，停機(jī)過(guò)程完成；制動(dòng)時(shí)間限制為205s左右。

4.2 存在的問(wèn)題

該電廠(chǎng)電制動(dòng)系統(tǒng)是由勵(lì)磁裝置采用硬件電制動(dòng)方式投入，電制動(dòng)電源通過(guò)二極管整流后匯入滅磁開(kāi)關(guān)后方，與勵(lì)磁直流電纜匯合，滅磁電阻通過(guò)滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸頭連接在轉(zhuǎn)子兩側(cè)。實(shí)際情況是在整個(gè)電氣制動(dòng)過(guò)程中，由于其滅磁開(kāi)關(guān)采用的是CEX開(kāi)關(guān)，滅磁開(kāi)關(guān)處在在分位狀態(tài)，滅磁電阻則一直并在轉(zhuǎn)子兩側(cè)帶電，長(zhǎng)期運(yùn)行勢(shì)必勢(shì)必對(duì)滅磁電阻造成損害。

4.3 改造過(guò)程

為了避免使非線(xiàn)性電阻在電制動(dòng)過(guò)程中長(zhǎng)期運(yùn)行，以延長(zhǎng)電阻器壽命，提高電制動(dòng)效率，減少制動(dòng)時(shí)間，通過(guò)研究對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁回路進(jìn)行如下改造。

為解決上述問(wèn)題，要在電制動(dòng)過(guò)程中斷開(kāi)非線(xiàn)性滅磁電阻和轉(zhuǎn)子的連接。但如果完全用開(kāi)關(guān)、刀閘等硬件設(shè)備分?jǐn)?，則會(huì)徹底使非線(xiàn)性電阻的滅磁功能及過(guò)電壓保護(hù)徹底失效。比如在機(jī)組轉(zhuǎn)速大于60%額定時(shí)或者電制動(dòng)在機(jī)組停轉(zhuǎn)前突然退出時(shí)，滅磁電阻無(wú)法瞬間投入，滅磁能力失效，轉(zhuǎn)子則會(huì)蓄積大量能量，勢(shì)必給整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)巨大危害。因此，不能完全使用純物理方式斷開(kāi)滅磁電阻。通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題的思考，滅磁電阻既要在電制動(dòng)環(huán)節(jié)處于非工作不帶電狀態(tài)，又要時(shí)刻存在于滅磁系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子起到滅磁保護(hù)和過(guò)電壓保護(hù)作用，可采用可控硅跨接器加非線(xiàn)性滅磁電阻的硬件方式可以替換原有的純非線(xiàn)性電阻硬件方案。

新方案的滅磁回路采用廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的可控硅跨接器加非線(xiàn)性滅磁電阻，使其起到在滅磁過(guò)程中的滅磁及直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)作用，并在電制動(dòng)時(shí)對(duì)非線(xiàn)性電阻隔離，原理圖見(jiàn)下圖1所示。

可控硅跨界器中觸發(fā)可控硅的核心器件為折返二極管(BOD)。BOD的主要特點(diǎn)是當(dāng)該管陽(yáng)極與陰極間電壓差值達(dá)到其本身的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)導(dǎo)通，低于轉(zhuǎn)折值時(shí)阻斷。通常，轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)回路中可控硅的觸發(fā)是由電阻分壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法的主要弊端是如果硅元件的特性參數(shù)變化，為了維持一定的導(dǎo)通電壓值，就需要重新選配串聯(lián)電阻，給出廠(chǎng)調(diào)試和用戶(hù)維護(hù)帶來(lái)不便。而采用BOD器件用于可控硅跨接器觸發(fā)，可以精確地整定過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值，無(wú)須特別維護(hù)。

系統(tǒng)中的可控硅跨接器回路包括三個(gè)可控硅(圖1中V1、V2、V3)，其中兩個(gè)用于滅磁和反向過(guò)電壓(圖1中V2、V3)，另外一個(gè)用于正向過(guò)電壓(圖1中V1)。當(dāng)BOD檢測(cè)到正向或反向過(guò)電壓時(shí)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的可控硅導(dǎo)通，把非線(xiàn)性電阻接入轉(zhuǎn)子回路[2]。

系統(tǒng)中還包括一個(gè)霍爾變送器，用于檢測(cè)滅磁電阻中所流過(guò)的電流，數(shù)據(jù)反饋至勵(lì)磁系統(tǒng)控制器?；魻栕兯推靼惭b于滅磁開(kāi)關(guān)后滅磁電阻電纜上。

圖中V1為正向過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作用可控硅；V2、V3為反相滅磁及過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作用可控硅；T1為霍爾變送器，檢測(cè)滅磁電阻中所流過(guò)的電流；R02為滅磁電阻

從圖1中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)解列、勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行滅磁操作，滅磁電阻參與滅磁系統(tǒng)工作。在正常運(yùn)行或機(jī)組解列轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的50%～60%左右，將發(fā)電機(jī)定子在機(jī)端出口三相短路，通過(guò)一系列邏輯操作，系統(tǒng)輸出電制動(dòng)電流給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。此時(shí)V2、V3兩組可控硅所承受的是反向電壓，并在沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，滅磁電阻被隔離開(kāi)，無(wú)論是在正常運(yùn)行狀態(tài)下還是在電制動(dòng)過(guò)程中滅磁電阻都不參與系統(tǒng)工作，電制動(dòng)效果不受影響，滅磁電阻受到保護(hù)。

圖1 新方案的滅磁回路

4.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及波形

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)改造，將非線(xiàn)性電阻和可控硅跨接器進(jìn)行串聯(lián)，并將可控硅跨接器安裝于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)屏的滅磁柜內(nèi)，同時(shí)將霍爾變送器穿套在非線(xiàn)性電阻電纜線(xiàn)上，輸出電流信號(hào)給到勵(lì)磁系統(tǒng)控制器中用于控制判斷及錄波。經(jīng)過(guò)計(jì)算，整定了可控硅跨接器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值。

通過(guò)試驗(yàn)記錄滅磁電流和定子電流的得出以下錄波波形圖。

圖2 電氣制動(dòng)投入波形圖

圖3 電氣制動(dòng)切除波形圖

從圖2波形圖中可以得知：當(dāng)-22秒時(shí)電制動(dòng)投入，由于轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈加入電制動(dòng)電流，定子電流開(kāi)始上升，制動(dòng)力加大。此時(shí)由于可控硅跨接器的作用，使滅磁電阻隔離，滅磁電阻上通過(guò)的電流瞬間降至0。從圖3電制動(dòng)切除階段波形圖可知：當(dāng)-3秒時(shí)定子電流接近0，此時(shí)電制動(dòng)切除，但C2通道檢測(cè)到有滅磁電流出現(xiàn)然后歸0，證明在電氣制動(dòng)切除的瞬間，滅磁電阻投入并工作。

通過(guò)上述分析，可以判斷在電制動(dòng)過(guò)程中滅磁電阻沒(méi)有接通而在電氣制動(dòng)切除的時(shí)候再將滅磁電阻接通，此方案獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)改造及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，該電廠(chǎng)滅磁電阻安全運(yùn)行，目前無(wú)維修記錄，受到了用戶(hù)的好評(píng)。同時(shí)，還還從中體會(huì)到：在改造過(guò)程中，選用碳化硅材料的非線(xiàn)性滅磁電阻體積更小、容量更大。但是，其正常轉(zhuǎn)子電壓下的漏電流遠(yuǎn)大于可控硅的維持電流，此時(shí)跨接器暫時(shí)不能返回，可能造成碳化硅材料因過(guò)電流沖擊而損壞。為了防止這一現(xiàn)象，可以采取勵(lì)磁控制器發(fā)逆變令的方法來(lái)保證跨接器的返回，氧化鋅電阻則無(wú)需這一操作。因此，無(wú)論選用何種材料的非線(xiàn)性電阻，采用可控硅跨接器及優(yōu)秀的邏輯控制是保護(hù)非線(xiàn)性電阻效能、延長(zhǎng)壽命的有效手段。其次，原有連接形式不但增加制動(dòng)電源負(fù)擔(dān)，而且消耗更多的廠(chǎng)用電量，對(duì)發(fā)電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，尤其在頻繁開(kāi)停機(jī)情況下尤為突出。經(jīng)過(guò)改造后，廠(chǎng)用電率有一定下降。

[1] 三峽左岸電站電氣制動(dòng)簡(jiǎn)介，胡先洪 萬(wàn)和勇 三峽水力發(fā)電廠(chǎng)；

[2] EXC9000用戶(hù)手冊(cè) 廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司 用戶(hù)手冊(cè).

(責(zé)任編輯：卓政昌)

烏東德水電站左岸引水隧洞首節(jié)壓力

鋼管成功吊裝就位

9月20日，由葛洲壩三峽建設(shè)公司烏東德施工局承建的烏東德水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)6號(hào)引水隧洞下平段首節(jié)壓力鋼管成功吊裝就位，此舉標(biāo)志著烏東德水電站左岸地下電站水輪發(fā)電機(jī)組部分安裝工作正式啟動(dòng)，為后續(xù)左岸地下電站首臺(tái)(6號(hào))機(jī)組發(fā)電奠定了良好基礎(chǔ)。 烏東德水電站左岸地下廠(chǎng)房共安裝6臺(tái)單機(jī)容量85萬(wàn)千瓦的水輪機(jī)組，其引水隧洞采用一洞一機(jī)平行布置型式。壓力鋼管布置在引水下平段，順?biāo)鹘?jīng)下平段、錐管段、連接段至水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口。左岸6臺(tái)機(jī)的6條壓力鋼管長(zhǎng)度均為55.2米，總長(zhǎng)約331.2米，內(nèi)徑13.5至11.5米不等，壓力鋼管管壁全部采用國(guó)產(chǎn)780 MPa級(jí)鋼板，壁厚56至64毫米。安裝高程為803.0米，其中最大單節(jié)管的重量高達(dá)65.8噸，6條管線(xiàn)工程總量約為6738.6噸，屬于超大型地下埋管。

2016-08-15

TV7；TB857+.3；TM571.2

B

1001-2184(2016)05-0108-04

沈繼東(1982-)，男，青海西寧人，學(xué)士，工程師，從事發(fā)電廠(chǎng)電氣二次設(shè)備設(shè)計(jì)及發(fā)電廠(chǎng)安全生產(chǎn)管理工作.