李 鄭

（中國(guó)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(tái)205 MW的立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備，總裝機(jī)1 640 MW，系目前世界單機(jī)容量第三大的六噴六折沖擊式機(jī)組。

CCS工程屬EPC項(xiàng)目，承包商為中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際公司。電站布置2條壓力鋼管，每條壓力鋼管連接4臺(tái)機(jī)組。工程開(kāi)發(fā)主要滿足厄瓜多爾國(guó)內(nèi)持續(xù)快速增長(zhǎng)的電力需求[1]。

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

水輪機(jī)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(jī)GD2≥ 6 000 t·m2。

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

勵(lì)磁變：容量1 700 kVA，變比13 800/502 V；電制動(dòng)變：容量800 kVA，變比480/100 V。

電短路開(kāi)關(guān)（額定值）：13.8 kV 6 kA三相。

電制動(dòng)變?nèi)珡S共2臺(tái)，4臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)電制動(dòng)變，采用環(huán)氧干式戶內(nèi)，F(xiàn)級(jí)絕緣，自冷式型式，制動(dòng)變二次側(cè)分別安裝4只電動(dòng)操作斷路器，分別引至4臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁柜，其額定容量滿足4臺(tái)機(jī)組同時(shí)停機(jī)電氣制動(dòng)最大電流的要求。

CCS沖擊式機(jī)組,其尾水位與轉(zhuǎn)輪有一定的距離，見(jiàn)圖1,尾水為無(wú)壓流動(dòng),轉(zhuǎn)輪在空氣之中旋轉(zhuǎn)，與其它機(jī)型不同，停機(jī)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(dòng)阻力，自由停機(jī)時(shí)間將會(huì)長(zhǎng)達(dá)60 min。因此沖擊式機(jī)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(kāi)停機(jī)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速小于95%Ne時(shí)，投入高油壓頂起裝置，確保推力瓦面有油膜，且要減少停機(jī)時(shí)間，必須采用制動(dòng)功能，進(jìn)而防止瓦溫過(guò)高而損壞。

圖1 CCS水輪機(jī)基本尺寸及外形簡(jiǎn)圖/mm

沖擊式水輪機(jī)停機(jī)過(guò)程與機(jī)組設(shè)計(jì)構(gòu)造有關(guān)，一般是兩種停機(jī)方式：①電制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)停機(jī)；②反沖加機(jī)械制動(dòng)停機(jī)。電氣制動(dòng)的水輪機(jī)停機(jī)程序是：首先是折向器和噴針同時(shí)動(dòng)作，折向器動(dòng)作在2～3 s內(nèi)將噴嘴水流全部偏轉(zhuǎn)離開(kāi)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(jī)組轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速的60%以下，電制動(dòng)投入，當(dāng)機(jī)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(shí)，投入機(jī)械制動(dòng)。反沖制動(dòng)的水輪機(jī)與電氣制動(dòng)程序相似，只不過(guò)此時(shí)投入的不是電氣制動(dòng)，而是開(kāi)啟反沖噴嘴水流沖擊水斗式轉(zhuǎn)輪制動(dòng)。沖擊式機(jī)組停機(jī)時(shí)間比混流式及其它機(jī)型時(shí)間長(zhǎng)，若不加電氣制動(dòng)或者反沖制動(dòng)，停機(jī)時(shí)間一般會(huì)超過(guò)30 min。

3 柔性電制動(dòng)過(guò)程

當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組解列、滅磁時(shí)，待轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的60%以下投入電制動(dòng)。將發(fā)電機(jī)定子在機(jī)端出口三相短路，通過(guò)PLC程序，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)到“電制動(dòng)模式”運(yùn)行，提供制動(dòng)電源給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)組，定子在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生感應(yīng)短路電流，此時(shí)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(dòng)的作用。由軟件及PLC控制實(shí)現(xiàn)的電制動(dòng)功能，稱為柔性電制動(dòng)。柔性電制動(dòng)功能，僅適用于水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組。

柔性電制動(dòng)參數(shù)的選擇：

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

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

根據(jù)式（1）可知： ①M(fèi)E與Id2成正比；②ME與n成反比。停機(jī)中早些電氣制動(dòng)，對(duì)縮短停機(jī)時(shí)間幫助不大。在柔性電制動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)镮d基本不變，所以隨著n的下降,ME反而加大，這就是電制動(dòng)的特性,制動(dòng)力矩的最大值出現(xiàn)在機(jī)組將停止轉(zhuǎn)動(dòng)前的瞬間。為了獲得最大的電制動(dòng)力矩ME，根據(jù)發(fā)電機(jī)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(jī)短路特性，勵(lì)磁電流應(yīng)達(dá)到發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電流值。

由監(jiān)控系統(tǒng)與勵(lì)磁裝置配合，勵(lì)磁裝置配置的PLC來(lái)完成具體的電制動(dòng)流程控制。當(dāng)機(jī)組正常停機(jī)過(guò)程中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器處于“電制動(dòng)模式”方式即與“手動(dòng)方式”一致（除電流給定為電制動(dòng)電流給定值，控制勵(lì)磁裝置向轉(zhuǎn)子繞組輸出恒定的勵(lì)磁電流，電制動(dòng)時(shí)的電流給定值通過(guò)調(diào)試軟件設(shè)定）。若一味追求縮短停機(jī)時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)，以額定定子電流為標(biāo)準(zhǔn)為佳，若要追求縮短停機(jī)時(shí)間則是以1.1～1.3倍額定定子電流為宜。

4 柔性電制動(dòng)主回路接線形式

CCS電站采用自并勵(lì)接線方式，勵(lì)磁變直接取自于發(fā)電機(jī)機(jī)端，較為普遍的接線方式見(jiàn)圖2。電制動(dòng)期間，勵(lì)磁系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供的勵(lì)磁電流一般不超過(guò)空載額定勵(lì)磁電流值，所以，制動(dòng)變的容量可以選得較小。在發(fā)電工況和電制動(dòng)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(dòng)主回路接線圖

5 柔性電制動(dòng)的工作流程[3]

柔性電制動(dòng)過(guò)程的流程控制是通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的電氣制動(dòng)專用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

柔性電制動(dòng)的工作流程：

（1）檢測(cè)電制動(dòng)投入的條件：

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

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

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

（4）在電制動(dòng)過(guò)程中，任何一步不滿足電制動(dòng)條件，PLC都將發(fā)信號(hào)并轉(zhuǎn)監(jiān)控流程轉(zhuǎn)速30%時(shí)投機(jī)械制動(dòng)，并向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，電制動(dòng)退出；同時(shí)進(jìn)入（7）步。

（5）當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速小于5%時(shí)，電制動(dòng)完成，PLC向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)出逆變滅磁信號(hào)，滅磁成功后進(jìn)入（7）步。

（6）逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開(kāi)關(guān)，然后進(jìn)入第（7）步。

（7）當(dāng)完成（3）、（5）、（6）步后，PLC同時(shí)發(fā)信號(hào)分QL2、RES，合QL1,解除發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)，使勵(lì)磁裝置恢復(fù)到正常開(kāi)機(jī)前的狀態(tài)。

在電制動(dòng)期間，當(dāng)遇到以下異常情況：①Q(mào)L1不能分?jǐn)?，或RES、QL2開(kāi)關(guān)不能合上；②電制動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)12 min），則PLC將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)失敗報(bào)警信號(hào)，并退出電制動(dòng)過(guò)程。此時(shí)轉(zhuǎn)監(jiān)控流程，轉(zhuǎn)速至30%時(shí)，投入機(jī)械制動(dòng)裝置而完成機(jī)組的制動(dòng)停機(jī)。

6 柔性電制動(dòng)工況試驗(yàn)

6.1 勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電流大小與停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短的試驗(yàn)

考慮到各水電站發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件不同，在電制動(dòng)過(guò)程中，裝置軟件里有設(shè)置參數(shù) “電制動(dòng)給定值”可以修改，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組情況整定電制動(dòng)電流的大小，以改善停機(jī)時(shí)間。

現(xiàn)分別把CCS機(jī)組不同勵(lì)磁電流的混合制動(dòng)1（電制動(dòng)50%Ile）、混合制動(dòng)2（電制動(dòng)40%Ile）、純機(jī)械制動(dòng)3種模式在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間段狀態(tài)下停機(jī)時(shí)間列表1比對(duì)如下。

表1 3種制動(dòng)模式對(duì)比表

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

圖3 停機(jī)前及停機(jī)期間電制動(dòng)投入的勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓及機(jī)組轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖4 停機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)速下降（30%Ne投純機(jī)械制動(dòng)）曲線 （歷時(shí)32 min 46 s）

6.2 混流式、沖擊式、抽水蓄能3種機(jī)型電制動(dòng)過(guò)程停機(jī)時(shí)間結(jié)果比對(duì)

現(xiàn)將混流式、沖擊式、抽水蓄能機(jī)組的電制動(dòng)過(guò)程停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 3種機(jī)型電制動(dòng)停機(jī)時(shí)間對(duì)比表

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

7 結(jié)論

柔性電制動(dòng)可靠、適用、方便，對(duì)沖擊式機(jī)組,制動(dòng)效果較好，是一種理想的清潔環(huán)保自動(dòng)控制技術(shù)，無(wú)噪聲、無(wú)碳化、無(wú)污染，滿足沖擊式水電站機(jī)組停機(jī)制動(dòng)的時(shí)間要求。清潔環(huán)保無(wú)污染的電制動(dòng)方式在世界水電工程中已廣泛應(yīng)用。