（吉林敦化抽水蓄能有限公司 吉林省 133700）
摘要：随着国民经济快速发展，环境问题日益严峻，各行各业对于能源需求量逐渐增大，新能源的推广应用成为未来发展的主要趋势。尤其是水力发电这一清洁能源的发电方式逐渐加大推广和应用力度，其中，水轮机组是水力发电中不可或缺的组成部分，水轮机电气制动系统运行安全稳定，对推力瓦油膜能够起到良好的保护作用，从而能够延长电气制动系统的使用年限，对于水力发电机组运行具有重要的意义。
关键词：PLC；水轮机；电气制动系统
引言
水轮发电是我国重要的发电形式之一，在经济发展建设中发挥了巨大的作用，通过水轮机的应用能够在电力用电高峰时快速补充电能，缓解用电紧张。但水轮机在使用过程中也存在诸多问题，尤其是在停止的过程中，由于惯性导致机组运行时间相对较短，推力轴容易出现损坏等情况。因此，为了降低故障情况的发生，在水轮机运行过程中，通常会采取电气制动系统的运用，通过PLC进行逻辑控制，能够确保每个操作步骤都能够有严密的逻辑互锁线，防止出现故障。
一、电气制动概述
水轮发电机组的传统制动方式一般采用机械制动，其优点是：运行可靠，使用方便，通用性强，用气压、油压操作所消耗能源较少，在制动过程中对推力瓦的油膜有保护作用；既用来制动机组，又用来顶转子，故具有双重功能。但这种制动方式存在如下一些缺点：制动器的制动块磨损较快，制动中产生的粉尘随着循环风进入转子磁轭及定子铁心的通风道，长年积累会减少通风道的过风断面面积，影响发电机的冷却效果，导致定子温升增高；粉尘与油雾结合会四处飞落，污浊定子绕组，妨碍散热，降低绝缘水平，增加检修工作量；在制动过程中，制动环表面温度急剧升高，因而产生热变形，以致出现龟裂现象。
机械制动存在一定的缺陷，电气制动停机技术能够减少上述问题的产生，因而被广泛应用。电气制动具有制动力矩大、停机时间短、无环境污染、制动投入转速不受任何限制以及设备维护检修方便等优点。采用电制动的局限性在于水轮发电机组系统接线比较复杂；另外当机组内部有电气故障时，电制动不能投入。闸门漏水严重，导水叶缺损会使转子在自由惰行状态下，长时间一直保持在30%的额定转速以上，转速降不下来，机械制动方式必须作为停机的辅助或最后手段而保留。
二、电气制动系统
1、原理
当水轮发电机组与系统解列后，导水机构关闭，发电机灭磁，机组在转轮水阻力矩、转子风阻力矩以及轴承摩擦力矩的共同作用下，转速迅速下降，当达到一定数值时（通常为额定转速的50%~60%），使发电机定子绕组出线端的制动短路开关FDK短接，再重新给机组转子绕组加恒定励磁电流，此时，定子线圈便产生一强大的短路电流（一般将此电流控制在额定值左右）。依据同步发电机的电枢反应原理，电枢反应的直轴分量仅体现为加磁或去磁，不反应有功转矩，而电枢反应的交轴分量则体现为一个有功转矩，其方向与原有速度方向相反，其量值为：
式中，Tet为电气制动转矩；IF为发电机电气制动短路电流；Xd为发电机同步电抗；R为发电机定子绕组电阻；S为转速比。在电气制动过程中，由于给转子绕组加的是恒定励磁电流，所以随着转速的降低，发电机的感应电势和直轴同步电抗按比例减小，使发电机定子绕组上的制动电流幅值保持恒定，而频率逐渐减小。
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2、电气制动系统的主要构成
2.1基于PLC控制电气制动系统的主要构成
通过基于PLC控制的水轮机电气制动系统进行设计，结合三相短路法能够实现电气制动。作为一套独立的电气制动系统，必须包括制动电源输入输出开关各一台、定子短路刀闸一台、电气变电箱以及PLC等外部控制回路。由于该方案能够保证电气制动装备处于完全独立的运行状态，所以无需更改现有的励磁设备，并且在设计时由于主回路采取的是可控硅元件电制动电流也会有电气制动控制进行制动，能够保证电流化整为零，在现场实验的过程中也非常的高效安全，通过调节PLC能够实现调节制动力矩，保证电制动发挥出最大的功效，尽可能的减少停机时间。
2.2基于PLC控制电气制动系统操作逻辑
在电子短路电流和制动投入转速之中，通过水轮机组与系统进行检验，定子外的电路三相短路，能够与转子绕组输入定量形成恒定电流，所以定子中会出现感应电流，感应电流能够在定子绕组中生成制动力矩，保证水轮机组快速减速并且停机。在电气制动流程设计的过程中，首先是轮机组运用PLC能够进行电气制动，运行模式中的设计包括有机械制动、电气制动和电机汇合制动三种不同的形式，可以结合实际的情况选择不同的制动方案。由于电气制动停机操作的关键逻辑顺序是水轮机与系统解列-根据电气制动启动条件来判断电气制动短路开关SDK闭合-直流开关ZLK闭合-闭合交流开关柜-断开-断开FDK系统复位。电器启动初始判断条件就是当系统接收到停机指令之后，水轮机的导水液为零，机组与系统并且没有出现电气故障，当停机指令接收时，只有满足全部的条件才能够执行下一步，否则系统就会根据没有达到要求的条件发出信号，直到所有的条件全部都满足，可以控制元件能够在不运行的过程中，只需要收到相应的指令才启动，并且将相应程序注入到系统中。
当电气自动控制的PLC作为水轮机最重要的监控系统时，为了能够满足启动要求，必须在转速达到80%的时候激活PLC，当转速下降到60%时则可编程控制逻辑就实现了运行控制的效果，所以只有在停机指令时机组油开关跳开，机组没有出现电气故障，则导水液开关关闭，水轮机组转速小于80%，在通常情况下，PLC都没有处于运行状态，只有当水轮机组监控系统发出停机指令之后，PLC才能够事先启动，根据预先设计好的运行程序运作。如果PLC收到水轮机组后发出的转速小于80%指令之后，可以直接判断水轮机组开关断开导水液等相关信息，然后立即开启差动保护，则FDK电源给予继电气和磁开关跳灭磁的开关脉冲时间一般在两秒左右，当转速小于60%时，通过利用PLC判断残压已经小于10%时，则FDK电源的发动机短路刀闸回关闭，所以直流开关也会随之关闭，在1.5秒之后交流开关也会关闭。
2.3基于PLC控制电气制动系统主要故障
与其他两种方式相比，电气制动更具有优势，能够确保水轮机组稳定运行，当电气制动装置存在故障或者电气制动造成水液漏水的问题，很容易引起停机故障。在满足条件之后，PLC就会根据预先设定的指令来控制逻辑操作闭合开关，直到电气制动完成，在检测到启动条件满足之后，PLC也会自动运行，在实际执行过程中会出现故障则PLC也会根据发出故障，并且将自动转为机械制动，在收到停机指令之后，如果不满足停机条件，则会一直处于待机状态，直到满足条件达成才能够自动开启。在发生电气制动故障时，会自动的将制动转向为机械制动，例如快熔丝熔断引起的是PLC故障或者制动失败，以及在运行过程中开关无法正常闭合，转子和定子电流也不能达到额定值，在预定时间内由于制动时间过长等等都会引起电气制动故障。
结语
水轮机组电气制动系统制动转矩大，停机时间短，对环境污染小，具有良好的应用效果，通过PLC技术在电气制动控制装置的运用，能够降低机组的维护工作量，提高自动化水平，提高水轮机组运行的安全性和稳定性，保证水轮机的运行效果。
参考文献：
[1]韩家黎.探析电气制动技术应用在水电厂的相关对策[J].通讯世界.2014（20）
[2]陈前荣.电气制动技术在水轮发电机组中的应用[J].电机技术.2014（06）
论文作者:刘聪,李春阳
论文发表刊物:《河南电力》2019年4期
论文发表时间:2019/10/30
标签：电气论文; 机组论文; 水轮论文; 定子论文; 水轮机论文; 转速论文; 绕组论文; 《河南电力》2019年4期论文;