摘要：水轮发电机组由于启动、停机方便迅速，因而在电网系统中常肩负起调峰、调频及事故备用的重大责任。大、中型水轮发电机组在停机过程中，为了缩短机组的惰性时间，防止在转速逐渐下降过程中推力轴承的油膜减薄、变干、发生硬碰硬的摩擦而烧坏推力轴瓦的现象，水轮发电机组在低转速区必须进行连续的强制刹车。基于此，本文主要对水轮发电机停机制动控制流程与优化改进进行分析探讨。
关键词：水轮发电机；停机制动；控制流程；优化改进
1、前言
水轮发电机组在电力系统中普遍起着调峰、调频和旋转备用的作用，需要进行频繁的开、停机操作。当机组停机过程在低转速区运行时间较长的情况下，推力轴承很容易因油膜破坏而导致推力瓦被烧毁，威胁电网及机组的安全稳定运行。因此，在机组停机时必须尽可能地采用可靠地制动来缩短机组的停机时间。
2、机械制动原理及特点
2.1机械制动的基本原理
水轮发电机组的机械制动就是利用固定不旋转的制动风闸与转子的制动抗磨环摩擦，相当于施加外力以快速降低机组转速。传统的机械式制动一般在机组转速下降至20％至30％的额定转速时投入。
2.2机械制动流程
（1）启动机械制动应具备的条件为:机组转速下降到10%的额定值或电制动失败。（2）机械制动启动后，保持数秒后复归启动信号。
2.2机械制动特点分析
首先，机械制动具有一定的优点：通用性比较强，运行也比较可靠，使用也比较方便，用气压操作所消耗能源较少；风闸既可以用来制动机组，又可以用来顶转子，具有双重功能；设备维护简单。同时，机械制动又存在一些缺点：首先，对于大机组来说，机组转动惯量大，制动风闸与制动环之间的摩擦剧烈，时间一长，风闸容易出现顶不起来或落不下来的故障；其次，制动块因摩擦产生的粉尘进入定子铁芯的通风孔道，减少通风孔道的过风断面面积，严重影响机组的散热，第3，粉尘与油雾结合会粘结在设备绝缘上，降低转子、定子绕组绝缘水平，不利于机组的安全稳定运行。第4，机组停机制动时间较长，缩短机组推力轴瓦的使用寿命。
3、电气制动原理及特点
3.1电气制动的基本原理
电制动原理是基于同步发电机的电枢反应，制动时将发电机出口三相短路，给转子加恒定电流，由电枢电流产生的电枢磁势可分解为直轴分量和交轴分量。直轴分量（即无功分量）仅产生电磁力，不形成电磁转矩；而交轴分量（即有功分量）则产生电磁力，并形成电磁转距，其方向与惯性转距方向相反，从而实现减速制动停机。当机组与电网解列、灭磁以后，待转速大约降至额定转速的50%～60%时，将发电机定子在机端出口三相短路，通过一系列逻辑操作，切换励磁电源；同时，励磁调节器转至电制动模式运行，给发电机转子绕组加恒定励磁电流。因为发电机正在转动，定子在转子磁场的作用下，感应产生短路电流，由此产生的电磁力矩正好与转子的惯性转向相反。在机组制动期间，该制动力矩和水轮机转轮在水中转动摩擦引起的水阻力矩、发电机通风损耗引起的风摩擦阻力矩及轴承摩擦损耗引起的阻力矩构成机组总的阻力矩。
3.2电气制动基本构成
电气制动的基本构成见图1。
图1 电气制动基本原理图
3.3励磁系统电制动投入与退出逻辑：
励磁系统收到监控系统发的“励磁系统投电制动”命令，启动本身的闭锁逻辑，检测到机组出口开关在分闸位，出口短路开关已合闸，机组转速不大于85％后判断励磁灭磁开关合闸下，如果此时没有电制动停机令，励磁接着判断励磁开关的是否分闸，如果没有分则发令分闸，在分闸后合上电制动开关，再判断跨接器开关是否分闸，同样没有分则发令分闸；在开关状态均满足下，投入电制动续流回路，励磁调试器处于FCR(自动电流控制)模式，启动可控硅触发脉冲进行电气制动。电气制动此时完成投入过程。
电气制动退出过程与投入过程基本相反，不同的是退出过程不需要逻辑闭锁；投入过程只能监控系统发出，励磁本身是无条件进行自动投入的，而退出过程励磁和监控均可以自动进行。当励磁本身达到电气制动累计投入时间大于200s后会自动启动电气制动退出流程，监控系统在判断机组转速不大于0％并延时一定时间后，发“电制动退出令”给励磁；励磁系统改变脉冲触发角进行逆变灭磁，检测到励磁电流小于5％额定励磁电流并延时6s后闭锁脉冲，合跨接器开关，分电制动开关完成电气制动的退出过程。在电气制动投入的过程中，一旦机组出现事故停机，监控系统就会立即发“电制动退出令”给励磁。当机组转速<10％投入机械制动后，电气制动并不是立即退出，而是继续保持到停机状态。如果励磁电制动投入失败，励磁发“电制动投入失败”令给监控，监控结束电气制动停机流程改为单机械制动停机。
4、应用实践
某水电站安装有2台同型号，额定功率为250MW的水轮发电机组，采用中国电器科学研究所生产的EXC9000型励磁装置。励磁系统由3个单相干式励磁变压器、三相全控桥可控硅整流装置、灭磁装置、双微机励磁调节器、制动变压器和发电机短路装置（RES）等组成。
4.1电制动主回路
该系统正常工况时与电制动共用励磁装置，励磁方式采用静止可控硅自并励方式，电制动主回路如图2所示。当机端短路时，励磁变无电源，制动电源来自于专用制动变压器，制动变接至厂用电，通过整流桥交流侧断路器QF1和QF2的切换，进行发电工况和电制动工况的转换。RES为电制短路开关；GCB为发电机出口断路器；MB为主变；LB为励磁变；ZB为制动变；QF1，QF2为空气断路器；AVR为机端电压控制；FMK为灭磁开关；L为转子绕组。
图2 电制动原理
4.2电制动工作流程
当停机信号给出、机组与系统解列后，导水机构关闭，同时发电机逆变灭磁。当转速下降到50%的额定转速以下时，由监控系统向励磁系统发出电制动投入令，电制动过程的流程控制是通过励磁系统的专用可编程控制器（PLC）实现。
（1）检测电制动投入的条件。正常停机时，当发电机与系统解列后，监控系统就会向励磁调节器发出停机令，由励磁调节器进行逆变灭磁。在具备以下条件时，监控系统向励磁系统发出电制动投入命令，即：①机组停机令已发；②发电机出口断路器已分；③灭磁、发电机机端残压＜10%UN；④导叶全关，机组不再有原动力矩；⑤发电机无内部电气故障；⑥机组转速下降到50%的额定值以下。
（2）当励磁系统的电制动PLC检测到电制动投入命令并判断条件满足后，依次闭锁继电保护、分励磁变副边开关QF1，合短路开关RES、合电制动电源交流开关QF2。
（3）控制励磁调节器转入电制动模式，使励磁系统向转子绕组输出设定的励磁电流值（60%IfN）形成制动力矩，完成电制动。
（4）在电制动过程中，任何一步如果不能满足电制动的条件，那么PLC都会发信号转为机械制动，并向计算机监控系统发送报警信号，电制动退出;同时进入第7步。
（5）当机组转速小于10%时，电制动完成，PLC向励磁调节器发逆变灭磁信号，灭磁成功后进入第7步。
（6）逆变灭磁失败，PLC将跳灭磁开关，然后进入第7步。
（7）当完成第3～5步或第6步后，PLC同时发信号给电制动电源交流开关QF2、短路开关RES、合整流变副边开关QF1，解除发电机继电保护，使励磁装置恢复到正常开机前的状态。
4.3电制动失败
在电制动过程中，PLC始终对整个制动过程进行监测，当遇到以下异常情况时，PLC将向监控系统发出电制动失败报警信号，并退出电制动过程。此时，监控系统会投入机械制动装置完成制动。（1）在规定时间内QF1不能分断，或RES、QF2开关不能合上。（2）电制动时间过长（超过300s）。（3）电制动启动后一定时间内，励磁电流小于空载励磁电流的50%。（4）定子电流大于额定定子电流的130%。
4.4电制动对继电保护的影响
（1）电制动的短路点一般设在发电机出口与断路器之间，在发电机差动保护范围之内。制动时将在差动保护回路内形成差流，为防止差动保护动作、误发信号，在投电制动时将保护闭锁。（2）通常，发电机是采用零序过电压型定子接地保护装置，对于消弧线圈接地保护方式而言，在电制动停机过程中，当转速降至1/3的额定转速时，发电机定子绕组中3次谐波电势引起的基波电压谐振，将导致保护误动作。采取电制动停机时，将发电机短路接地，以有效地消除其串联谐振现象。
4.5 电制动改进
电厂电制动短路开关 FDK采用电动三相刀闸。由于是调频、调峰电厂，所以机组开停机较为频繁，短路刀闸动作次数较多， 易产生装置疲劳，长周期运行会使其分合位置接点产生不可靠因素。
由于电制动启动后，先合FDK，然后将 FDK 位置信号送至电制动PLC中，然后再投入ZLK、JLK开关。但是 FDK分合位置接点是由与其电动机构联动来实现的，若FDK三相之间传动机构连接轴套两端因脱焊或者因扭矩力过大造成扭断后，电机操动机构与刀闸传动杆脱离，就会出现 FDK 实际分合闸位置与上送到监控或电制动PLC位置不对应，容易引起事故。在保证三相刀闸传动杆能正确可靠的传动， 使FDK正确分合的前提下，在 FDK 三相动触头处加装行程开关，并将此三相行程开关接点分别相串联后，再接入电制动装置 PLC 中和上位机计算机监控系统。这样可保证 FDK 在未分闸到位或者未合闸到位前，电制动装置就不会有制动电流产生。
图1 改进后的电制动短路开关 FDK 接线图
5 机械制动系统应用过程中故障分析与流程改进
5.1故障现象及原因分析
（1）风闸系统工作原理及故障现象
某电站装设 4 台混流式水轮发电机组，总装机容量 325 MW，在系统中担负调峰、调频及事故备用功能。开停机每日平均 4～5 次，开停机比较频繁，为此机组停机的制动就显得十分重要。
系统由风闸、风闸控制集成装置组成，风闸控制集成装置结构见图3所示，P为气源，O为排气，SDF1为手动加闸控制切换阀，SDF2、3、4为自动控制检修阀，手动加闸时投入SDF2、3、4，自动控制时拔出，A腔接风闸加闸腔，B腔接风闸复归腔，自动加闸工作原理：当风闸控制集成装置收到计算机监控系统的风闸加闸令时，电磁阀DCFA动作，通过电磁阀将气源输入风闸加闸腔，同时风闸复归腔接通O口进行排气，风闸顶起进行制动，压力开关YJ2检测到压力大于0.4MPa及风闸位置在上部时，发出信号表示加闸完成。收到复归风闸令时，电磁阀DCFB动作，通过电磁阀将气源输入风闸复归腔，同时风闸加闸腔接通O口进行排气，风闸落下，压力开关YJ3检测到压力小于0.04MPa及风闸位置在下部时，发出信号表示复归加闸完成，可以发出开机令。
图3 改前集成控制装置结构图
手动加闸控制切换阀采用了三位四通切换阀，电磁阀采用了二位四通切换阀，控制方式为脉冲型。2016年多次出现的故障情况是开机过程中计算机监控系统发出了复归风闸令，复归电磁阀(见图1的DCFB)动作后，B腔开始加压，A腔开始排压，A腔接加闸腔，当风闸加闸腔气压排至0.15MPa时，出现了气压保持在0.15MPa，无法排至0MPa，出现了风闸不能复位的故障，压力开关YJ3无法发出压力小于0.04MPa的信号，造成机组自动开机流程超时退出。
（2）原因分析
停机后，解开接入风闸复归腔的管路，采用分割法检查，发现了个别风闸有串气现象，通过加闸腔串气到风闸复归腔，对风闸解体检查，发现该风闸盘根比不会串气的风闸小，更换该风闸的盘根后正常，经过处理后运行一段时间，又出现上述情况，只是不同的风闸而已，严重影响了自动开停机成功率。对安全生产非常不利。
针对这种故障，经过多次的分析：发现该故障不是单纯的风闸串气，该风闸是成熟的产品，是目前国内比较知名的品牌，盘根的规格与尺寸也在误差范围内，通过分析发现串气与风闸集成块的控制模式有关系，风闸控制是采用排气与加气同时进行的控制方式，采用这种方式要求气路比较畅顺，但该电站的风闸排气管路由于历史原因，管路较长，有部分是埋设安装，加上风闸集成块的电磁阀孔径较小，有一定的气阻，如有风闸盘根密封稍微差些，风闸就会出现串气现象，会使排气与加气压力达到平衡，排气管路依然有一定压力，造成机组开机条件不满足的故障。分析发现，制动控制逻辑存在缺陷，风闸复位时复位腔通气、加闸腔排气，两者同时进行，这时若风闸活塞密封圈存在很难避免的漏气量，则两个腔的气压差小，从而降低了风闸活塞的密封性能，导致两个腔窜气，风闸因压差小动作缓慢。
5.2改进措施
解决问题的办法是改进机组制动控制逻辑。复归风闸时，加闸腔先排气，等待加闸腔的气压基本为零时，经延时后复归腔再加气，以保证两个腔始终保持0.7MPa的气压差，试验发现当复归腔与加闸腔的气压差达到一定时，风闸动作迅速可靠，迅速的动作使风闸的活塞跨越了漏气量较大的区域，改善风闸活塞的密封性能。风闸动作的过程与复归风闸相反，复归腔先排气，等待复归腔的气压基本为零时，经延时后加闸腔再加气。
为了实现上述的控制逻辑，我们对风闸控制集成装置及计算机监
控系统流程进行了改进，改进后的风闸控制集成装置结构见图4所示，装置用两个两位三通电磁阀替换了二位四通切换电磁阀，用两个三位三通手动切换控制阀替换了三位四通，并按要求对连接气路进行了重新布置。
图4 改后集成控制装置结构图
改进后自动加闸工作原理：收到计算机监控系统的加闸腔排压令时，电磁阀D2A通电3s，进行加闸腔排压，当加闸腔气压排至小于0.04MPa时，发出复归腔加压令，电磁阀D1B通电3s，进行复归腔加压，风闸落下，压力开关YJ3检测到压力小于0.04MPa及风闸位置在下部时，发出信号表示复归加闸完成，可以发出开机令。停机时，当机组转速小于35%ne时计算机监控系统发出复归腔排压令，D1A通电3s，进行复归腔排压，当复归腔气压排至小于0.04MPa时，发出加闸腔加压令，电磁阀D2B通电3s，进行加闸腔加压，风闸顶起进行制动。
通过改进气路及控制模式、优化机组控制流程，做到机电一体化，克服了风闸系统气路不畅，即使个别风闸有串气时均能可靠动作的技术难题。对其他同类型机组的风闸系统改造有一定的借鉴，同时也说明风闸与风闸集成控制装置存在一定的配合关系，风闸集成控制装置的控制逻辑对风闸动作有较大影响。
6、结语
电气制动不仅能可靠停机而且能使机组在低转速区的运行时间缩短转速下降率快 对推力轴承的运行十分有利在外加恒定制动电流时还能大大缩短停机时间电气制动很好的解决了传统的机械制动这些缺点，但电气制动需要制动励磁电源和短路开关等设备，在这些设备出现故障或发电机内部电气事故不允许投电气制动，这时仍需投入机械制动，所以机械制动仍需保留，采用电气、机械混合制动是一种较理想的制动方式。
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论文作者:刘春宏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：风闸论文; 机组论文; 励磁论文; 转速论文; 发电机论文; 装置论文; 电气论文; 《电力设备》2017年第33期论文;