大型水轮发电机组电气制动控制回路的改进与完善

大型水轮发电机组电气制动控制回路的改进与完善

李平东

（甘肃省电力公司刘家峡水电731600）

摘要：电气制动比机械制动有着多方面的优越性能，在很多发电厂都被广泛应用。本文针对某电厂电气制动在运行中出现的问题，对电气制动控制回路进行了改进和完善，使得电气制动在该电厂运行的可靠性、安全性大幅度提高。本文所采用的改进方法对其他应用电气制动的水电厂有一定的参考作用。

关键字：电气制动;控制回路;发电机;改进

1某水电厂机组制动概况

目前水轮发电机组制动方式主要有三种制动方式：机械制动、电气制动、混合制动。混合制动是机械制动与电气制动相配合的制动方式，当发电机的正常停机制动采用电气制动，一旦电制动失败，就自动转入气制动,确保水轮发电机制动的万无一失。某水电厂在系统中承担着调频、调峰、调压和系统备用等任务，该厂机组制动有电气制动、机械制动两种方式，优先使用电气制动。在电气制动故障或失败时，使用机械制动；导叶漏水量大，导致电气制动时间过长时，及时投入机械制动。运行过程中曾出现过以下问题：电气制动PLC电池亏点、失电，电制动程序丢失，电气制动元件拒动或动作不良等。

本文着重从电气制动控制回路入手，通过改进和完善，使得因PLC电池亏电、失电造成程序丢失的问题得以彻底解决，使得该厂电气制动的可靠性、安全性大幅提升。电气制动相关元件拒动或动作不良的问题在该厂机组改造、检修中已逐步更换为可靠性能更好的元件，本文将不再做探讨。

2机组电气制动原理

电气制动的基本工作原理是基于同步发电机的电枢反应，以及能耗制动的原理，当停机信号发出后，水轮机导叶关闭，同时发电机转子回路灭磁，当灭磁时间Tm后，发电机机端母线仅维持剩磁电压，此时，机组轴上的转矩为发电机GD2决定的惯性转矩、发电机的风摩阻力矩、轴承的机械摩擦阻力矩、水轮机转轮的水阻力矩（搅水力阻）四者之和，惯性转矩方向与转子转动方向同向，而其他阻力矩则与转子方向相反。当机组与系统解列并灭磁成功停机时，在机组转速下降到一定转速(一般在90％Ne)时，将发电机出口三相短路，同时向发电机转子回路施加一恒定制动励磁电流。这时同步发电机发生电枢反应，其直轴分量体现为减磁；而交轴分量将产生一与转速方向相反的电磁制动力矩，量值为（标幺值），发电机转子将在此电磁制动力矩与其他阻力矩的共同作用下，快速通过低转速区，从而缩短了停机时间，避免了机组因低转速运行可能带来的危害，延长了发电机电气寿命和机械寿命。

图1某水电厂1号机组电气制动原理图

DZB-电制动变压器；JLK-交流侧开关；ZLK-直流侧开关；LK-励磁主回路开关；FMK-发电机灭磁开关；Rm-灭磁电阻；FDK-发电机出口短路开关；YH-电压互感器；F-发电机；L-发电机转子回路

当发电机组控制系统（发电机监控系统）发出正常停机信号，机组电气制动条件满足后，启动电气制动装置。即发电机出口开关跳闸、调速器导叶关闭、励磁回路的灭磁已完成（机组无压）、发电机转速降至（60%～50%）Ne(该转速应根据发电机组实际参数作相应调整)、无机组事故信号等条件满足后，电气制动系统投入工作，输出励磁电流，同时，发电机定子感应出三相短路电流，在机组内产生电磁制动力矩，对机组实行连续制动，发电机组转速迅速下降，短时间转速可降至零，电制动故障或失败时，机械制动在转速降至（15～25%）Ne后，手动投入机械制动；当转速接近零转速时，电气制动装置跳开交流阳极开关、直流灭磁开关、发电机出口短路开关，退出电气制动系统，即系统复位；若使用电气-机械混合制动，则机械制动在转速降至（10%～25%）Ne后，自动启动投入。电气制动停机操作是一个逻辑性极强的自动操作过程，重要的操作步骤要有严格的逻辑互锁性，否则就会出现重大操作事故。

3机组电气制动控制回路的改进与完善

某水电厂原1～5号发电机组电气制动控制回路中，PLC控制器、转速继电器的工作电源均取自发电机出口短路开关FDK的动力电源（A相、N相），如图2所示。在机组正常运行时，为防止发电机出口短路开关FDK、电气制动交流开关JLK、电气制动直流开关ZLK、励磁开关LK等电气制动元件误动作，正常时发电机出口短路开关FDK动力电源开关（2DK）在分闸状态。即在机组运行时，电气制动PLC控制器、转速继电器失电，其内部程序及定值存储由自身锂电池供电，当锂电池电压过低时，也无法监视电池电量低信号，容易造成电气制动程序丢失，从而导致机组电气制动无法停机。针对此问题，现提出以下三种解决方案。

图2某水电厂电气制动控制回路改进前接线图

3.1方案1

为防止因PLC程序锂电池电量耗尽，定期由检修人员进行锂电池电压的测量，发现电压下降，电池亏电、失电，及时更换PLC程序锂电池，以保证电制动PLC程序不会丢失。但该方案在具体实施过程中浪费较多人力，定期更换锂电池，也不经济。

3.2方案2

发电机出口短路开关FDK动力电源开关（2DK）常投，这样电气制动控制回路PLC电源长期供电，但无法从根本上避免短路开关FDK、电制动交流开关、直流开关在机组正常运行时误动作，存在一定的安全隐患。

3.3方案3

为防止程序丢失，增加回路的可靠性和各执行元件的正确动作，确保机组电气制动方式停机正常，将原电气制动控制回路PLC控制器、转速继电器工作电源进行改进完善，即在机组交、直流馈线盘上单独引入一路交流220V电源，使PLC控制器、转速继电器处于持续供电状态，如图3、图4所示。发电机出口短路开关FDK、电气制动交流开关JLK、电气制动直流开关ZLK控制回路未做改动，不会造成机组正常运行时，上述电气制动元件的误动作。

图3某水电厂电气制动控制回路改进后接线图

图4某水电厂电气制动控制回路改进后接线图

通过以上3种方案的对比，第三种方案更加合理，既满足安全生产的需要，又能到达节省人力、物力成本，从经济成本和现场实际技术角度出发，方案3具备改造条件，该厂5台机组电气制动控制回路的改进和完善，不仅消除了电气制动控制回路隐患，也大大提高了电气制动的可靠性与稳定性，减轻了运维工作量，同时也有效提高了水电站自动化水平。

4．结束语

从理论分析及实际运行经验来看，电气制动是一种可靠、成熟的技术，其优越性能远远超出机械制动。在机组停机时能够快速而且没有机械摩擦，通过不断完善电气制动程序、控制回路，使用质量可靠的电气制动元件，就能在根本上保证电气制动的可靠性和安全性。

参考文献：

[1]GB/T11805-2008水轮发电机组自动化元件(装置)及其系统基本技术条件

[2]《刘家峡水电厂图册》王玉国等2005

[3]GB/T8564-2003水轮发电机组安装技术规范

[4]梁勇,宋自灵,黄海琪.电气制动停机技术在我区水轮发电机组上的应用[J].广西电力技术,2001,1:43-44