李波

（貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司思林發(fā)電廠，貴州思南565100）

電氣制動技術在水電站自動化中的應用

李波

（貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司思林發(fā)電廠，貴州思南565100）

水電站要實現(xiàn)自動化，實現(xiàn)機組的電氣制動是關鍵的一環(huán)。文章著重探討水輪發(fā)電機組電氣制動的工作原理,分析了幾種電氣制動方法的特點及其應用場合,包括目前最常用的發(fā)電機定子端短路制動、發(fā)——變組高壓短路制動和中小機組反接制動方法。深入探討了發(fā)——變組高壓短路制動和中小機組反接制動的可行性、實用性,為水電廠選擇合理的電氣制動方式提供了依據(jù)。

水電站；電氣制動；定子端短路制動；反接制動

1 概述

水電廠要實現(xiàn)自動化,實現(xiàn)機組的電氣制動是關鍵的一環(huán)。水輪發(fā)電機組在停機過程中,為確保軸承的安全,必須采用強迫制動停機。而傳統(tǒng)制動方式是采用機械制動,存在明顯不足，已無法滿足現(xiàn)代化水電站的運行要求，對于水電廠實現(xiàn)無人值班、少人值守,提高自動化水平是一個很大的障礙。而電氣制動是一種非接觸式的制動方法,它是基于同步電機電磁感應的原理,將機組的剩余動能轉變?yōu)闊崮芏鴮崿F(xiàn)制動停機的。它提高了機組的自動化水平,具有更高的可靠性。因此加強對電氣制動技術在水電站自動化中的應用研究十分必要。

2 機械制動和電氣制動的對比分析

（1）機械制動的優(yōu)缺點。水輪發(fā)電機組的傳統(tǒng)制動方式采用機械制動,其優(yōu)點是：運行可靠,使用方便,通用性強,用氣壓、油壓操作所耗能源較少,在制動過程中對推力閘瓦的油膜有保護作用,既用來制動機組,又用來頂轉子,故具有雙重功能。由于機械制動的安全性和可靠性較高,所以不會因電網電源的中斷或電氣線路的故障而影響到制動。但這種制動方式也存在很多缺點：①對于啟停調峰運行的發(fā)電機組,閘瓦磨損迅速,運行一段時間后,檢修人員就需要更換閘瓦；②風閘本身有時不能自動落下,每次停機后,運行人員都需要進風洞檢查,用撬桿撬落風閘,檢修運行維護量大,這不但不能滿足系統(tǒng)事故時停機后的迅速啟動,同時很難實現(xiàn)無人值班的要求,降低了機組自動化水平；③制動中產生的粉塵隨循環(huán)風進入轉子磁軛及定子鐵芯的通風道,長年積累會減小通風道的過風斷面面積,影響發(fā)電機的冷卻效果,導致定子溫升增高；④粉塵與油霧結合四處飛落,污染定子繞組,妨礙散熱,降低絕緣水平,增加檢修工作量；⑤在制動過程中,制動環(huán)表面溫度急劇升高,因而產生熱變形,以致出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。

（2）電氣制動的優(yōu)缺點。為了克服機械制動的缺點,提出了對機組實現(xiàn)電氣制動停機的方法。電氣制動是一種非接觸式的制動方法,它是基于同步電機電磁感應的原理,將機組的剩余動能轉變?yōu)闊崮芏鴮崿F(xiàn)制動停機的。電氣制動的主要優(yōu)點是：提高了機組的自動化水平,為實現(xiàn)無人值班提供了基礎自動化的保證：有足夠的可靠性;無磨損無污染;維護工作量小;沒有機械制動時常伴有的噪音和振動;電氣制動的制動力矩與機組轉速成反比,即隨著停機過程中的轉速降低,制動力矩反而增大;制動投入轉速不受限制;能有效改善水輪發(fā)電機的運行條件及滿足可逆式機組運行工況迅速切換的要求。因此,對于高速大容量機組和承擔峰荷頻繁啟動的機組,應用電制動停機有明顯的優(yōu)越性。

從兩種制動方式的優(yōu)缺點分析來看，尋求一種適合機組電氣制動的方法以提高基礎自動化的水平,是十分迫切和有現(xiàn)實意義的。

3 水輪發(fā)電機電氣制動方法的研究

早前電氣制動都是清一色采用發(fā)電機定子繞組三相短路,并對勵磁線圈通以適當?shù)膭畲烹娏饕援a生制動力矩的方法來實現(xiàn)的。文章還提出了另外兩種電氣制動的方法,分析比較這些方法的原理、特點和應用場合,水電廠在設計和技術改造中可以根據(jù)實際情況進行選擇。

（1）發(fā)電機定子三相短路電氣制動。發(fā)電機定子三相短路電氣制動,這種方法是已有的電氣制動裝置中應用最多的一種方法,也是最常見的制動方法,其電氣制動的接線如圖1所示,用三相開關將發(fā)電機定子短路,在轉子繞組中通以適當?shù)膭畲烹娏?使發(fā)電機定子短路電流為額定電流的0.8～1.2倍,用定子繞組中的短路損耗實現(xiàn)機組制動。該制動方法是基于同步電機的電樞反應原理。在機組與電網解列并將發(fā)電機轉子滅磁后,合上三相開關ZDK將發(fā)電機定子短路,勵磁電流由廠用電系統(tǒng)經整流后的外部電源供給。這樣在定子中就流過了短路電流,該電流在定子繞組中產生銅耗制動力矩,其方向與機組的慣性力矩方向相反,電制動力矩以及機組的其它阻力矩一起作用使機組快速停機,從而保證機組推力軸承的安全。

圖1 發(fā)電機定子三相短路電氣制動接線圖

（2）發(fā)電機——變壓器單元高壓側短路電氣制動。水電廠一般如無近區(qū)負荷,發(fā)電機端往往不設母線而采用發(fā)電機——變壓器單元接線,它具有接線簡單,操作方便,短路電流小等優(yōu)點。對于這種接線可以在變壓器的高壓側實施短路對發(fā)電機進行電氣制動,接線如圖2所示。

圖2 發(fā)電機——變壓器單元短路制動接線

發(fā)電機定子短路制動要在室內裝設大電流的短路開關,安裝復雜,占地面積大,同時運行表明,作為短路用的國產大電流電動操作隔離開關的可靠性還有待提高,例如廣西巖灘水電廠早就安裝了電氣制動裝置,由于短路開關的原因至今未能正常投運。而變壓器高壓側短路制動,電流要小得多,同時為了檢修方便和安全,單元接線的高壓斷路器兩側的隔離開關一般都配備有接地短路開關,只要此開關是遠方自動操作的,就可以兼作發(fā)電機短路制動之用,這樣既簡化了接線,也節(jié)省了投資,即使是手動操作的開關,更換為自動的也不難。綜上所述,在發(fā)電機——雙繞組變壓器單元接線時,采用升壓變高壓側短路的制動方式,比發(fā)電機定子短路制動更具優(yōu)越性,但這種方式可能是由于歷史原因并未見有實際應用,筆者認為,進一步的研究和試驗,是很有現(xiàn)實意義的。還應當指出,當發(fā)電機電壓有母線,或升壓變?yōu)槿@組(或自禍)變壓器,或發(fā)電機為擴大單元接線時,不適用這種制動方式。

（3）反接制動停機。發(fā)電機解列滅磁后,將勵磁繞組通過滅磁電阻或直接短接,在定子繞組中通以負序低電壓的三相交流電,如圖3所示。負序電流在定子側產生了一個與發(fā)電機轉子旋轉方向相反的旋轉磁場,這一磁場與轉子有N0+N的相對運動（N0為外加電源的同步速,N是發(fā)電機轉子速度）,就會在勵磁繞組,阻尼繞組,轉子本體和磁極鐵心上產生相應頻率的感應電勢,由于勵磁繞組和阻尼繞組是閉合的,致使在其上形成電流并產生損耗,同時,由于轉子鐵心是一個整體的鋼結構,在其上產生的渦流和相應的損耗是較大的。轉子損耗形成反方向的力矩,對發(fā)電機起制動作用。

圖3 反接制動停機接線

反制動的效果明顯優(yōu)于定子短路制動，但在大容量機組上并未得到應用，這是因為產生反接制動功率需要較大容量的變電設備，廠用電一般負擔不起，需要另外引接,增加了投資,安裝也復雜。而這一制動方式對中小發(fā)電機卻是可行的。

通過以上的試驗和分析,可以得出制動方式的應用場合：①有發(fā)電機母線或發(fā)電機——三繞組變壓器單元的大容量發(fā)電機,適合采用發(fā)電機端定子短路制動方法。②當電氣主接線中采用發(fā)電機——雙繞組變壓器單元接線時,可以在升壓變壓器高壓側實施短路制動,它比定子短路制動力矩大,且可以利用接地隔離開關兼作短路開關用。③中小機組采用電氣制動是必要和可行的,可用廠用電源直接接入發(fā)電機進行反接制動,制動效果略高于定子額定電流短路制動,這種方式接線簡單,經濟實用。

4 結語

目前,電氣制動只在為數(shù)不多的大容量發(fā)電機上應用,它應用于數(shù)量很多的中小發(fā)電機組上是否合理可行卻很少給予關注。電氣制動代替機械制動,減少運行維護工作量,是提高自動化水平重要的一環(huán),并且小電站機組一般開停比較頻繁。因此,小水電站采用電氣制動技術是十分必要的,應該引起足夠的重視。電氣制動是一項新技術,有許多問題有待深入研究探討,如電氣制動與機組監(jiān)控系統(tǒng)的配合；采用最先進的自動控制技術和策略提高電氣制動的可靠性；電氣制動和勵磁系統(tǒng)的結合等等。

［1］譚娟,楊艷,劉光權.大型水輪發(fā)電機組電氣制動技術在三峽水電站的應用［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測,2012,12（1）：34-37.

［2］蒙美安.水輪發(fā)電機組電氣制動的應用［J］.水電站機電技術,2003,6（1）：14-15.

［3］李強等.水電機組電氣制動的設計及應用［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測,2008,11（2）：14-16.

李波（1988-），男，貴州鳳岡人，大學本科，助理工程師，主要從事水電站電氣二次設備檢修維護工作。