摘要：水輪機(jī)組是水利發(fā)電的核心部件。水輪發(fā)電機(jī)組在高速的沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)下容易運(yùn)行不穩(wěn)，轉(zhuǎn)子慣動(dòng)量大工作時(shí)間長(zhǎng)會(huì)發(fā)熱，轉(zhuǎn)子磨損嚴(yán)重，因此解決制動(dòng)停機(jī)是水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵性技術(shù)。文章介紹了水輪發(fā)電制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)方式及其電氣制動(dòng)原理，為技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和運(yùn)用提供了很好的參考。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組；制動(dòng)原理；電氣制動(dòng)技術(shù)；機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)；水利發(fā)電 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM303 文章編號(hào)：1009-2374（2016）36-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.024

水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組工作流程是超高壓水壓沖撞發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，然后扭轉(zhuǎn)力切割磁感線轉(zhuǎn)化為電力的過(guò)程。水輪發(fā)電機(jī)組在高速的沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)下容易運(yùn)行不穩(wěn)，轉(zhuǎn)子慣動(dòng)量大工作時(shí)間長(zhǎng)會(huì)發(fā)熱，轉(zhuǎn)子磨損嚴(yán)重，因此水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)頻繁，所以解決制動(dòng)停機(jī)也是水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵性技術(shù)。

1 水輪發(fā)電機(jī)組制動(dòng)中的電氣制動(dòng)技術(shù)

1.1 電氣制動(dòng)原理分析

電氣制動(dòng)的工作原理是讓同步電機(jī)發(fā)生電樞反應(yīng)而帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)。一般的發(fā)電機(jī)解列或滅磁以后等到機(jī)組轉(zhuǎn)速減慢至額定工作轉(zhuǎn)速的一半后，發(fā)電機(jī)定子三相短路，利用特定的方式操作提供動(dòng)力電源，此時(shí)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)檔位，模式由原本的電制動(dòng)模式轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子制動(dòng)模式，轉(zhuǎn)子制動(dòng)模式繞阻為發(fā)電機(jī)加勵(lì)磁電流。

1.2 電氣制動(dòng)的基本構(gòu)成

當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)收到投電制動(dòng)指令時(shí)，啟動(dòng)閉鎖邏輯，當(dāng)檢測(cè)到出口開(kāi)關(guān)閉合機(jī)組轉(zhuǎn)速不大且沒(méi)有收到電制停機(jī)令時(shí)要在分閘出制動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)判斷分閘合上電制動(dòng)開(kāi)關(guān)以及跨接器開(kāi)關(guān)是否出現(xiàn)電流的震蕩，方可下達(dá)下一步指令，如圖1所示：

1.3 電氣制動(dòng)的優(yōu)勢(shì)

電氣制動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于能判斷當(dāng)勵(lì)磁電流不發(fā)生變化時(shí)，這一特別現(xiàn)象做系統(tǒng)分析。這時(shí)的電勢(shì)只會(huì)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速定子電流這一個(gè)因素有關(guān)系，此時(shí)的定子直流電阻完全不存在影響，而定子繞組中的短路電流為恒定不會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化而變化，影響因素完全只剩下轉(zhuǎn)速，此時(shí)為研究水輪發(fā)電機(jī)制動(dòng)技術(shù)提供了良好的條件。

1.4 電氣制動(dòng)的突出特點(diǎn)

常用的電氣制動(dòng)實(shí)現(xiàn)的方式有高壓側(cè)短路制動(dòng)、逆變制動(dòng)和三相短路制動(dòng)，高壓側(cè)短路制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠附加制動(dòng)耗損在制動(dòng)效果上是最好的，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上要求很高，逆變制動(dòng)的能量可以回收，但受到電子器件的約束。定子三相短路制動(dòng)在短路發(fā)電機(jī)上方便使用，也是使用得比較普遍的一種制動(dòng)方式。綜合三種制動(dòng)方式其顯著的特點(diǎn)歸納為以下三點(diǎn)：（1）制動(dòng)慣性力矩與定子短路電流的平方成正比關(guān)系，隨著定子短路電流的增加而增加，反之則相反；（2）定子電流發(fā)生短路時(shí)電流基本不會(huì)變；（3）制動(dòng)力矩會(huì)與機(jī)組的轉(zhuǎn)速成反比，考慮到定子短路電流基本不變，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的下降其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩會(huì)變大。

2 電氣制動(dòng)參數(shù)

通過(guò)公式可以反映出：制動(dòng)力矩的性質(zhì)，制動(dòng)力矩與定子短路電流的平方成正比，而與機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成反比。電氣制動(dòng)在投入選擇上要合理安排時(shí)間。例如在參考電氣制動(dòng)參數(shù)為理論依據(jù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高的時(shí)候，倘若選擇電氣制動(dòng)它的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較小，在高轉(zhuǎn)速的齒輪帶動(dòng)下，發(fā)電機(jī)軸承容易形成脫機(jī)。一般在慢速軸承有一定影響的時(shí)候，機(jī)組停機(jī)不建議一開(kāi)始投入電氣制動(dòng)，而要在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速一半的時(shí)候開(kāi)始使用電氣制動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在電氣機(jī)組制動(dòng)要停機(jī)的高速運(yùn)行區(qū)域，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力力矩的制動(dòng)起到最大的效果；電流選擇從給我們的電氣制動(dòng)參考上，調(diào)整勵(lì)磁電流導(dǎo)致電流增大，提高制動(dòng)電流為了更好的效果，縮短制動(dòng)時(shí)間不能一味的追求時(shí)間，勵(lì)磁電流的增大會(huì)致使機(jī)組的溫差過(guò)大，也會(huì)引起震動(dòng)激烈，影響機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 電氣制動(dòng)技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)

3.1 電氣制動(dòng)主回路

電氣制動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中電磁循環(huán)需要提供外部制動(dòng)電源，然而這種模式與勵(lì)磁系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)卡諾有很大的關(guān)聯(lián)。在制動(dòng)實(shí)現(xiàn)之前，需要了解一下主回路的兩種設(shè)計(jì)方式：自并勵(lì)接線方式和它勵(lì)式連接方式。

自并勵(lì)接線方式是當(dāng)機(jī)端短路時(shí)，勵(lì)磁變?yōu)闊o(wú)電源，此時(shí)的電源是由專門(mén)的制動(dòng)變壓器提供的。在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)變接廠用變的接線方式，在發(fā)電工況下電流整流要通過(guò)操作把電流控制在交流側(cè)斷器處。它勵(lì)式連接方式則是，當(dāng)勵(lì)磁變壓器位于發(fā)電機(jī)斷路器外側(cè)時(shí)，電路中的全部整流電源都是由勵(lì)磁變壓器提供。兩種接線方式都有它的可操作范圍，在手法上雖然它勵(lì)式連接方式省去了制動(dòng)變壓器和交流側(cè)斷路器，但操作卻比較復(fù)雜，相對(duì)來(lái)說(shuō)雖然自并勵(lì)接線方式設(shè)備多點(diǎn)，但控制邏輯簡(jiǎn)單比較方便。通常的發(fā)電勵(lì)磁設(shè)計(jì)都為自并勵(lì)接線方式，而勵(lì)磁變一般直接始發(fā)于發(fā)電機(jī)端，所以說(shuō)自并勵(lì)接線方式比它勵(lì)式連接方式使用更為普遍。

3.2 電氣回路控制設(shè)計(jì)

科學(xué)合理的設(shè)計(jì)電氣制動(dòng)控制回路，要求我們懂得控制回路設(shè)計(jì)的一些基本知識(shí)，否則會(huì)影響電氣制動(dòng)過(guò)程中的可靠性，所以必須要嚴(yán)格考慮其足夠的約束條件和閉鎖措施。在學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)電氣回路之前，要先了解一下電氣投入的約束條件：當(dāng)機(jī)組發(fā)出停機(jī)命令后，觀察短路器是否在跳閘位置，如果在的話，機(jī)組的自身保護(hù)起到了作用，電氣機(jī)組則無(wú)故障。另外閘門(mén)要在全關(guān)的位置，滅磁開(kāi)關(guān)也要在斷開(kāi)的位置。記住電氣回路的安全參數(shù)，保證設(shè)計(jì)的合理性。除此之外，在電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)的投入和退出方面，一定要跟滅磁開(kāi)關(guān)的投入和退出符合對(duì)于的邏輯關(guān)系，切不可馬虎，不然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生。

3.3 選擇短路開(kāi)關(guān)

發(fā)電機(jī)組制動(dòng)開(kāi)關(guān)有嚴(yán)格的規(guī)格，水輪發(fā)電機(jī)也是一樣需要選擇合適的。否則會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危害到機(jī)組人員的人身安全。機(jī)組停機(jī)的開(kāi)關(guān)選擇上，要考慮水輪發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的定子殘壓情況，還有短路時(shí)產(chǎn)生的電弧沖擊，在選擇上用作短路的隔離開(kāi)關(guān)一定要有抗電弧的能力和應(yīng)急觸頭，相反如果沒(méi)有配置，要配置些能及時(shí)斷路的斷路器或者快速開(kāi)關(guān)。電氣制動(dòng)持續(xù)時(shí)間比較短，在任何情況下選擇開(kāi)關(guān)時(shí)，短路開(kāi)關(guān)的額定電流在選擇上一定要比機(jī)組制動(dòng)的電流要略低。較為理想的電氣制動(dòng)方式上的三相聯(lián)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，在環(huán)節(jié)上連接方式比較精簡(jiǎn)，接入的位置很直接，在選擇上很利于提高發(fā)電機(jī)組制動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。

4 電氣制動(dòng)的工作機(jī)制

電氣制動(dòng)流程控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的可編程控制器調(diào)控完成的，其中起到關(guān)鍵作用的是PLC。PLC能實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）可以在電氣制動(dòng)開(kāi)啟時(shí)檢測(cè)電氣此時(shí)能否滿足投入條件。系統(tǒng)停機(jī)解列后，控制系統(tǒng)中監(jiān)控部分馬上啟動(dòng)開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)提供信號(hào)，發(fā)出勵(lì)磁調(diào)節(jié)器停止指令，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器收到指令后自身發(fā)出滅磁信號(hào)；（2）勵(lì)磁系統(tǒng)的電氣制動(dòng)能自行監(jiān)測(cè)電氣制動(dòng)投入命令，看其是否滿足電氣制動(dòng)的邏輯條件，滿足條件后，依次會(huì)進(jìn)行下面保護(hù)機(jī)制：閉鎖繼電保護(hù)、分勵(lì)磁變壓副開(kāi)關(guān)保護(hù)、合短路開(kāi)關(guān)、電氣制動(dòng)電源交流開(kāi)關(guān)；（3）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一旦保護(hù)實(shí)現(xiàn)不了出現(xiàn)問(wèn)題了會(huì)直接進(jìn)入電氣制動(dòng)模式，其勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)向轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輸送特定的電流，保護(hù)制動(dòng)力矩的耐性從而繼續(xù)制動(dòng)裝置，完成后續(xù)目標(biāo)；（4）不滿足任何電氣制動(dòng)的條件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的指令是無(wú)法傳達(dá)的，系統(tǒng)自身會(huì)發(fā)生舉報(bào)，PLC會(huì)發(fā)出信號(hào)轉(zhuǎn)至常規(guī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，并下達(dá)阻止命令電氣制動(dòng)退出進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；（5）轉(zhuǎn)子參數(shù)當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速小于5%時(shí)，電氣制動(dòng)勵(lì)磁控制的可編程控制器會(huì)發(fā)出逆變磁信號(hào)；（6）在上一步的滅磁過(guò)程中如果出現(xiàn)不成功的情況時(shí)，PCL將會(huì)制動(dòng)進(jìn)入下一步直接發(fā)出警報(bào)信號(hào)，自行保護(hù)電路；（7）PCL內(nèi)設(shè)報(bào)警信號(hào)裝置，無(wú)論哪部分都與信號(hào)報(bào)警裝置相連，發(fā)出信號(hào)部位一般是安裝在電氣制動(dòng)電源交流開(kāi)關(guān)、短路開(kāi)關(guān)、合整流變壓器副邊開(kāi)關(guān)處，這些開(kāi)關(guān)連接有解除發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置能很方便地調(diào)整發(fā)電機(jī)出現(xiàn)不正常的情況。

PCL在整個(gè)電氣制動(dòng)過(guò)程中的角色不容小覷，它始終監(jiān)控電機(jī)的工作狀態(tài)。一旦遭遇制動(dòng)超時(shí)、整流變壓器副開(kāi)關(guān)不正常工作、短路開(kāi)關(guān)及電氣制動(dòng)電源交流開(kāi)關(guān)不能正常斷開(kāi)時(shí)，它能夠靈活地退出程序，下達(dá)全方面的停機(jī)指令。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)中電氣制動(dòng)技術(shù)的研究意義重大，對(duì)于我國(guó)發(fā)電機(jī)組的改進(jìn)有指導(dǎo)意義，能幫助我國(guó)對(duì)機(jī)組中涉及的專業(yè)性的問(wèn)題進(jìn)行突破，并能夠在很大程度上提高我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)工作中對(duì)不穩(wěn)定因素的控制能力，保障機(jī)組人員的生命安全。

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[2] 賈永林.水輪發(fā)電常見(jiàn)問(wèn)題與解決方法[J].科技學(xué) 術(shù)，2010，（7）.

作者簡(jiǎn)介：李侃（1988-），男，湖南新邵人，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司天生橋水力發(fā)電總廠助理工程師，研究方向：水電運(yùn)行。

（責(zé)任編輯：蔣建華）