电气制动原理

剑朝

石门水轮发电机组电气制动停机的理论分析

摘　要　为了缩短停机时水轮发电机组的惰行时间，防止推力轴瓦烧损，在停机过程中必须在低转速区对机组进行连续制动。简要介绍了机组制动的工作原理。分析了机械制动和电气制动的特点，对石门2F水轮发电机组电气制动进行了全面的分析，指出采用电气制动的必要性．对改善推力瓦运行条件、缩短机组低速运行时间、保证机组安全可靠刹车停机具有十分重要的意义。

关键词　水轮发电机组　电气制动停机　理论分析

一、引言

石门水电站位于陕西省汉中市境内的汉江支流褒河上，是石门水利枢纽工程的重要组成部分，工程运用以灌溉为主，结合发电。电站共包括河床、河东、河西三部分，装6台机组，总装机容量4．05万kW，年设计发电量1．21亿kW·h，其中河床电站装机3×12500kW，河东电站装机2×1250kW，河西电站装机1×500kW，首台机组于1978年5月建成发电，电站属于当地电网调度。河床发电机型号为TS286／115-12，视在功率15625kVA，额定有功12500kW，额定电压6．3kV，额定电流1432A，功率因数0．8(滞后)。

二、概述

为了缩短停机时水轮发电机组的惰行时间，防止推力轴瓦烧损，停机过程中必须在低转速区对机组进行连续制动。

1．机械制动的原理

石门水轮发电机组目前采用机械制动装置。通常接到停机命令后，机组与系统解列(跳机组油开关、励磁开关)，调速器停机把手打到停机位置，当机组转速下降到额定转速的35％时，打开制动通气阀门，用5～7kg／cm2的压缩空气顶起制动器顶部的制动块，使之与固定在发电机转子底部的制动环相接触，产生摩擦制动来完成停机。

2．机械制动的特点

机械制动所具有的优点是：装置简单、通用性强。但存在制动块磨损较大、制动器动作不灵、维护工作量大、制动噪声大等缺点，而且磨损产生的粉尘会随机组内部空气循环粘附在电机绕组的端部和通风槽入口，污染绝缘，堵塞通风槽，严重时将直接影响发电机的额定出力。

3．电气制动的必要性

由于机械制动存在明显的缺点，因此当前国外大、中容量水轮发电机组普遍采用以电气制动为主，机械制动为辅的联合制动方式。

电气制动和机械制动相比，不仅可靠性高、不存在磨损和寿命限制、也没有粉尘污染，而且对减小机组振动、噪音都有好处。特别是电气制动机组的转速越低其制动力矩就愈大，这样大大缩短了机组低速运行的时间，对改善推力瓦运行的条件是十分有利的。

因此，改变石门水轮发电机组停机方式，采用以电气制动为主、机械制动为辅的联合制动方式是十分必要的。本文以石门2F水轮发电机组为例进行了理论分析。

4．石门2F水轮发电机组的有关参数

石门2F水轮发电机组的具体参数见下表1所示：

三、机组电气制动分析

1．电气制动方案

通过机组励磁系统整流变压器(ZLB)的低压侧绕组，对机组定子三相直接短路，由感应电流产生制动力矩，实现机组单元结线的电气制动。

2．电气制动工作原理

机组接受正常停机命令后即开始关闭导水叶卸负荷，至空载时断开出门断路器612油开关，转子回路灭磁，机组开始减速。当机组转速下降到额定转速的35％时，断开K，刀闸，合上K，刀闸、励磁开关，合上制动刀闸FDK，同时由可控硅(KGL)给发电机组转子绕组以恒定励磁电流Ie，在发电机定子三相绕组内由感应电流产生能耗，使机组制动。

3．电气制动及其控制回路原理接线图，见图1

4．外加恒定电流Ie与发电机短路电流ID的关系

在制动过程中，可控硅供给恒定励磁电流Ie时，发电机的短路电流ID的表达公式为：

式中：Ie——励磁电流标幺值

Xd——纵轴同步电杭标幺值

r——定子绕组有效电阻标幺值

n——机组转速标幺值

其中：2F机组有关标幺值确定如表2

机组任意转速下的标幺值见表3

由于同步电机的r(Xd当n>0．02时,(r/n)2项可忽略不计，故(1)式可写为：

ID=Ie/Xd　(2)

由此得到任意转速下定子电流标幺值：

ID=1／1．04=0．96

任意转速下定子电流为：

ID=0．96×1432=1375(A)

由公式(2)计算证明，为了在制动过程中获得恒

定制动电流ID励磁电流Ie。必须保持不变。

5．任意转速n与电制动力矩Mz之间的关系

如果不计制动电流在齿压板、转子表面及定子机座引起的附加损耗，则电制动力矩公式为：

将(3)式对n求导数，令Mz′=0，即可求得出现最大力矩的转速nmax。

由(3)、(4)式计算表明：电制动力矩与转速几乎成反比。当转速下降，r／Xd达到最大值时出现最大电动制动力矩；当转速下降，r／n项增大时电制动力矩减小。由此证明：当转速为nmax时电制动力矩最大，制动效应就强。此时，可大大缩短发电机在停机过程中的低速滑行时间，对改善推力轴承的运行状况十分有利。

四、电气制动装置及其控制电路

石门2F水轮发电机组采用定子三相直接短路、转子外加励磁的停机电制动方式(其电气制动及控制回路接线图见图1所示)。根据有关资料，一般机组电损耗制动电流为额定电流的1～1.3倍。根据石门2F机组的励磁特性，在电制动外加励磁装置中选择如下设备：

1．整流变压器(ZLB)

型号：ZSL，额定容量160(kVA)，额定电压380／270(V)，额定电流2755／342(A)，接线方式Y／△-11，使用条件：户内式。

2.可控硅静止励磁装置

型号：KGLF31，额定励磁电压160(V),额定励磁电流400(A)，输入电源3Pm，380V。

3．发电机出口FDK

采用GN2-10／2000型三相隔离刀闸。

五、保证电气制动安全运行的技术要求

1．电气制动装置投入的条件

电气制动装置投入时，必须同时满足下面几个条件

机组与系统解列(即出口断路器处于分闸状态)

机组内部无电气事故，已发出机组正常停机命令；

发电机灭磁开关已分闸；

水轮机导叶已关到零位。

2．发电机出口断路器刀闸不能误报

发电机出口断路器刀闸(FDK)是电气制动的重要部件，为防止造成严重事故，发电机并网运行时，应绝对保证该刀闸不会误报。

3．电气制动装置在投入、退出的操作过程及运行中不能出现操作过电压而危及发电机转子绕组的安全

(1)利用发电机转子回路中的电阻RM。当发电机灭磁开关FMK合闸时自动投入RM,构成转子绕组的消能回路。当电气制动直流侧开关K2合闸后再解除，使外加励磁电流全部加入转子绕组。

(2)为了保证制动装置正确投入，外加励磁电流开关K2的性能应有可靠保证。

(3)电气制动装置复归时应保证交流侧先断电，然后再分直流侧开关K2。

(4)当发电机发生内部电气事故时，不能采用电气制动方式。因此，在电制动失效或出现机组内部电气事故时，应保证机械制动装置的可靠投入。

六、结语

通过对石门2F水轮发电机组电制动停机的理论分析表明：

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；

石门水轮发电机组应采用机、电联合制动方式，在正常情况下，采用电气制动停机，在电制动失效或出现机组内部电气事故时，采用机械制动停机；

石门水轮发电机组采用电气制动停机时，对原发电机组、励磁系统的保护基本不产生影响；

机组电气制动停机具有显著的优点，在正常情况下应优先采用，可以对石门1#、2#、3#水轮发电机组的停机方式进行改造，以实现机组联合制动。