李 鄭

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650032）

1 電站概述

厄瓜多爾科卡·科多辛克雷電站位于厄瓜多爾Napo和Sucumbíos兩省交界，距首都基多約130 km公路里程。安裝8臺205 MW的立軸沖擊式水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備，總裝機1 640 MW，系目前世界單機容量第三大的六噴六折沖擊式機組。

CCS工程屬EPC項目，承包商為中國電建集團國際公司。電站布置2條壓力鋼管，每條壓力鋼管連接4臺機組。工程開發(fā)主要滿足厄瓜多爾國內(nèi)持續(xù)快速增長的電力需求[1]。

2 CCS電制動技術(shù)涉及到的相關(guān)設(shè)備電氣參數(shù)

水輪機型式：CJ(X)-L-328/6×26.5，額定水頭604.1 m，額定流量34.8 m3/s，額定效率91.56 %，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，額定比轉(zhuǎn)速44.19 m·kW，噴嘴數(shù)目6，水斗數(shù)目21，水斗節(jié)圓直徑3 280 mm，射流直徑265 mm，額定出力188.266 MW，最大出力192.85 MW，飛輪力矩發(fā)電機GD2≥ 6 000 t·m2。

發(fā)電機額定參數(shù)：205 MVA、60 Hz、13.8 kV、 8 576.6 A、額定勵磁電流1 951 A、空載勵磁電流1 093 A、空載勵磁電壓81.3 V。

勵磁變：容量1 700 kVA，變比13 800/502 V；電制動變：容量800 kVA，變比480/100 V。

電短路開關(guān)（額定值）：13.8 kV 6 kA三相。

電制動變?nèi)珡S共2臺，4臺機組共用1臺電制動變，采用環(huán)氧干式戶內(nèi)，F(xiàn)級絕緣，自冷式型式，制動變二次側(cè)分別安裝4只電動操作斷路器，分別引至4臺機組的勵磁柜，其額定容量滿足4臺機組同時停機電氣制動最大電流的要求。

CCS沖擊式機組,其尾水位與轉(zhuǎn)輪有一定的距離，見圖1,尾水為無壓流動,轉(zhuǎn)輪在空氣之中旋轉(zhuǎn)，與其它機型不同，停機噴針及折向器全關(guān)后，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的慣性力靠幾道軸承的摩擦阻力緩慢減速，若不外加制動阻力，自由停機時間將會長達60 min。因此沖擊式機組，在推力瓦軸承下必須配套足夠容量而又可靠的高油壓頂起裝置，在開停機過程中，轉(zhuǎn)速小于95%Ne時，投入高油壓頂起裝置，確保推力瓦面有油膜，且要減少停機時間，必須采用制動功能，進而防止瓦溫過高而損壞。

圖1 CCS水輪機基本尺寸及外形簡圖/mm

沖擊式水輪機停機過程與機組設(shè)計構(gòu)造有關(guān)，一般是兩種停機方式：①電制動加機械制動停機；②反沖加機械制動停機。電氣制動的水輪機停機程序是：首先是折向器和噴針同時動作，折向器動作在2～3 s內(nèi)將噴嘴水流全部偏轉(zhuǎn)離開水斗式轉(zhuǎn)輪，噴嘴的噴針完全關(guān)閉一般在30 s左右，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速的60%以下，電制動投入，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的20%（推力塑料瓦）、25%或30%（一般的巴氏合金瓦）時，投入機械制動。反沖制動的水輪機與電氣制動程序相似，只不過此時投入的不是電氣制動，而是開啟反沖噴嘴水流沖擊水斗式轉(zhuǎn)輪制動。沖擊式機組停機時間比混流式及其它機型時間長，若不加電氣制動或者反沖制動，停機時間一般會超過30 min。

3 柔性電制動過程

當(dāng)水輪發(fā)電機組解列、滅磁時，待轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的60%以下投入電制動。將發(fā)電機定子在機端出口三相短路，通過PLC程序，勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)到“電制動模式”運行，提供制動電源給發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流。轉(zhuǎn)動的機組，定子在轉(zhuǎn)子磁場的作用下，產(chǎn)生感應(yīng)短路電流，此時產(chǎn)生的電磁力矩正好與轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)向相反，起到電制動的作用。由軟件及PLC控制實現(xiàn)的電制動功能，稱為柔性電制動。柔性電制動功能，僅適用于水輪發(fā)電機機組。

柔性電制動參數(shù)的選擇：

電制動力矩ME[2]的產(chǎn)生，其與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

式中：ME——電制動力矩；Id——定子短路電流；R——定子繞組每相電阻；n——機組轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（1）可知： ①ME與Id2成正比；②ME與n成反比。停機中早些電氣制動，對縮短停機時間幫助不大。在柔性電制動過程中，因為Id基本不變，所以隨著n的下降,ME反而加大，這就是電制動的特性,制動力矩的最大值出現(xiàn)在機組將停止轉(zhuǎn)動前的瞬間。為了獲得最大的電制動力矩ME，根據(jù)發(fā)電機定子容量，使Id約等于額定定子電流。要獲得額定定子電流，根據(jù)發(fā)電機短路特性，勵磁電流應(yīng)達到發(fā)電機空載額定勵磁電流值。

由監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁裝置配合，勵磁裝置配置的PLC來完成具體的電制動流程控制。當(dāng)機組正常停機過程中，勵磁調(diào)節(jié)器處于“電制動模式”方式即與“手動方式”一致（除電流給定為電制動電流給定值，控制勵磁裝置向轉(zhuǎn)子繞組輸出恒定的勵磁電流，電制動時的電流給定值通過調(diào)試軟件設(shè)定）。若一味追求縮短停機時間，會產(chǎn)生安全風(fēng)險，以額定定子電流為標(biāo)準(zhǔn)為佳，若要追求縮短停機時間則是以1.1～1.3倍額定定子電流為宜。

4 柔性電制動主回路接線形式

CCS電站采用自并勵接線方式，勵磁變直接取自于發(fā)電機機端，較為普遍的接線方式見圖2。電制動期間，勵磁系統(tǒng)向發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供的勵磁電流一般不超過空載額定勵磁電流值，所以，制動變的容量可以選得較小。在發(fā)電工況和電制動工況下，整流電源需經(jīng)由操作回路控制整流橋交流側(cè)斷路器QL1和QL2切換。

圖2 柔性電制動主回路接線圖

5 柔性電制動的工作流程[3]

柔性電制動過程的流程控制是通過勵磁系統(tǒng)的電氣制動專用PLC來實現(xiàn)的。

柔性電制動的工作流程：

（1）檢測電制動投入的條件：

機組正常停機令→減有功、減無功至基荷→跳開機組出口斷路器→全關(guān)折向器、噴嘴→機組無事故→機端電壓小于10%Ue→機組轉(zhuǎn)速60%額定值及以下。

（2）當(dāng)裝置PLC檢測到電制動投入命令并判斷條件滿足后，依次閉鎖發(fā)電機繼電保護、跳開QL1,合RES、合QL2 。

（3）裝置轉(zhuǎn)入“電制動”模式，使得勵磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子繞組輸出設(shè)定的勵磁電流值，形成制動力矩而實現(xiàn)柔性電制動。

（4）在電制動過程中，任何一步不滿足電制動條件，PLC都將發(fā)信號并轉(zhuǎn)監(jiān)控流程轉(zhuǎn)速30%時投機械制動，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（7）步。

（5）當(dāng)機組的轉(zhuǎn)速小于5%時，電制動完成，PLC向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出逆變滅磁信號，滅磁成功后進入（7）步。

（6）逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開關(guān)，然后進入第（7）步。

（7）當(dāng)完成（3）、（5）、（6）步后，PLC同時發(fā)信號分QL2、RES，合QL1,解除發(fā)電機繼電保護，使勵磁裝置恢復(fù)到正常開機前的狀態(tài)。

在電制動期間，當(dāng)遇到以下異常情況：①Q(mào)L1不能分?jǐn)?，或RES、QL2開關(guān)不能合上；②電制動時間過長（超過12 min），則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。此時轉(zhuǎn)監(jiān)控流程，轉(zhuǎn)速至30%時，投入機械制動裝置而完成機組的制動停機。

6 柔性電制動工況試驗

6.1 勵磁系統(tǒng)輸出電流大小與停機時間長短的試驗

考慮到各水電站發(fā)電機的運行條件不同，在電制動過程中，裝置軟件里有設(shè)置參數(shù) “電制動給定值”可以修改，根據(jù)現(xiàn)場機組情況整定電制動電流的大小，以改善停機時間。

現(xiàn)分別把CCS機組不同勵磁電流的混合制動1（電制動50%Ile）、混合制動2（電制動40%Ile）、純機械制動3種模式在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間段狀態(tài)下停機時間列表1比對如下。

表1 3種制動模式對比表

從圖3中可查出電制動投入期間的勵磁電流約1 008.0 A，接近空載額定勵磁電流值（1 093 A），勵磁電壓為87.0 V，定子電流接近定子額定電流。

圖3 停機前及停機期間電制動投入的勵磁電流、勵磁電壓及機組轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖4 停機過程轉(zhuǎn)速下降（30%Ne投純機械制動）曲線 （歷時32 min 46 s）

6.2 混流式、沖擊式、抽水蓄能3種機型電制動過程停機時間結(jié)果比對

現(xiàn)將混流式、沖擊式、抽水蓄能機組的電制動過程停機時間統(tǒng)計如表2。

表2 3種機型電制動停機時間對比表

從表2可知：①3種類型在正常停機時的停機時間趨勢為：沖擊式最長，正常停機（電60%Ne，50%Ile，機5%Ne）為20 min 46 s；混流式次之，正常停機（電60%Ne，50%Ile，機：5%Ne）為8 min 7 s；抽蓄最短，正常停機（電50%Ne，50%Ile，機：5%Ne）為4 min 45 s；②沖擊式混合制動投入的明顯程度：正常停機（電60%Ne，50%Ile，機5%Ne）較明顯，比（電50%Ne，50%Ile，機5%Ne）節(jié)省7 min 39 s；③沖擊式機組停機時間比混流式機組時間長很多，如果不加電氣制動或者反沖制動，僅在30%Ne以下時投入機械制動，停機時間長達30 min多；④沖擊式機組停機時間最短（電制動效果較佳）的工況為正常停機（電60%Ne，50%Ile，機5%Ne）的工況（用時20 min 46 s）。

7 結(jié)論

柔性電制動可靠、適用、方便，對沖擊式機組,制動效果較好，是一種理想的清潔環(huán)保自動控制技術(shù)，無噪聲、無碳化、無污染，滿足沖擊式水電站機組停機制動的時間要求。清潔環(huán)保無污染的電制動方式在世界水電工程中已廣泛應(yīng)用。