1、三峡左岸电站电气制动简介胡先洪 万和勇三峡水力发电厂 湖北宜昌 （）摘要：本文讲述了发电机电气制动的工作原理和特点，介绍了三峡左岸电站电气制动的组成及其设备，并对其流程控制和运行状况进行了分析。关键词：三峡左岸电站 电气制动 短路开关 时序图 1 概述自上个世纪 60 年代以来，国内已有多个水电站的发电机采用电气制动，但实际运行中的使用效果不太理想，有很多都发生的发生短路开关触头烧损，有的因操作回路不合理而误动或拒动。因此，目前国内水电机组还是普遍采用传统的机械制动方式，即使用风闸与制动环直接接触产生的摩擦力让机组停下来。然而对于大机组来说，机组转动惯量大，制动风闸与制动环之间的摩擦剧烈，时间
2、一长，风闸容易出现顶不起来或落不下来的故障；而且摩擦产生的污染，严重影响机组的绝缘和散热，不利于机组的安全稳定运行。三峡发电机组其推力轴承载荷达到 3990t，平均压力 4.1Mpa。如此重载条件下发电机在低转速区很容易因油膜破坏而导致推力轴承被烧毁。因此必须在机组停机时尽可能地采用可靠地制动来缩短机组的停机时间。三峡发电机正常停机时采用电气制动加机械制动的混合制动方式，即两套制动方式配合使用；当发电机转速下降到 50%额定转速时，电气制动系统投入运行；当转速下降到额定转速的 10%时，机械制动系统投入运行；制动时间限制在 300s 以内。2 电气制动的特点与基本原理电气制动的工作原理是基于同
3、步电机的电枢反应。当机组与电网解列，发电机转子灭磁以后，将定子三相短路，同时给发电机加励磁电流，使它产生一个方向与机组惯性力矩的方向相反，具有强大制动作用的电磁转矩。这里的励磁电流一般由厂用电系统经整流后接入发电机转子。根据电机学理论可知，制动力矩 ME 可表达为：22/nrxnIMdb电气制动力矩出现最大值时的转速 nmax 为dxrnmax最大电气制动力矩为： dbxIM2max式中 Ib 为制动励磁电流；n 为机组转速； r 定子绕组的有效电阻； xd 为直轴同步电抗。式中表明，电气制动力矩随转速下降而增大。根据以上理论依据，当发电机转速很高时，即使投入电气制动，其制动转矩也是非常小的，
4、而且在较高的转速下发电机轴承比较容易形成油楔，所以对轴承有影响的一般在低转速区，因此，在机组停机过程中，并不是一开始就投入电气制动，而是在转速下降到一定范围内才投入电气制动，一般为转速的 50%至60%时投入。电气制动具有制动力矩大、无磨损、无污染、维护工作量小等优点，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。下图是发电机电气制动特性曲线图。t(s)制 动 时 转 子 电 流 曲 线转 子 电 流 曲 线机 组 转 速 曲 线机 组 停 机 令n(prm)IA10%未 加 电 气 制 动 的
5、转 速 曲 线51图一 发电机电气制动特性曲线图由图可以看出，当机组开始停机时，由于转速高，空气阻力大，即使不加任何制动，转速下降还是比较快，随着转速下降，空气阻力减少，速度下降曲线趋于平缓，如果不加电气制动，转速将下降很慢，如图中的虚线 1。投入电气制动后，发电机将迅速下降，转速越底，制动越明显。3 三峡左岸电站发电机电气制动原理及设备组成三峡左岸电站共装设 14 台额定功率为 700MW 的水轮发电机组。发电机单机额定容量为 778MVA、最大容量为 840 MVA；其中 6 台由 VGS 公司提供，8 台由 ABB 公司提供。电气制动系统采用采用定子绕组三相直接对称短路方式，采用单独配备
6、制动励磁设备的发电机制动装置。制动电源采用 AC400V 厂用电，经制动电源开关 S105、制动变、制动整流柜、制动开关 S106 到发电机转子侧，与励磁整流柜直流输出侧并接在一起，如图二所示。隔 离 开 关短 路 开 关直 流 灭 磁 开 关出 口 断 路 器主 变 制 动 整 流 器S106制 动 开 关 制 动 变 S105制 动 开 关励 磁 整 流 器 交 流 灭 磁 开 关励 磁 变图 二 ： 三 峡 左 岸 电 站 电 气 制 动 接 线 图 AC4VS101三峡的短路开关并不象国内其他电厂那样采用隔离开关做发电机定子三相短路开关，而是采用由 ABB 公司 HEC3 型 SF6
7、发电机断路器。隔 离 开 关 虽 然 结 构 简 单 ， 价 格 低 ， 便 于布 置 ， 但 因 合 闸 时 电 流 较 大 、 动 作 （ 停 机 ） 频 繁 或 动 作 速 度 低 等 原 因 而 容 易 产 生 触头 烧 损 ， 在 国 内 个 别 水 电 站 中 曾 经 发 生 过 触 头 烧 损 的 事 故 。 因 此 ， 对 于 三 峡电 厂 而 言 ， 为 了 保 证 单 机 容 量 700 MW 的 特 大 型 机 组 运 行 安 全 ， 三 峡 左 岸 电 站 选用 HEC3 型 SF6 发 电 机 断 路 器 作 为 发 电 机 电 气 制 动 开 关 是 合 适 的 。
8、 制动电源开关 S105 采用 SIEMENS 公司 3WN6 开关，当开关的操作把手置远方位置时，由励磁调节器控制。制动整流器采用 SIEMENS 公司 6QA5013-1A 可控硅整流器，国内其他厂家电厂采用二极管作变流设备，这种方式虽然简单，但没有办法对制动励磁电流进行调节控制。制动变为顺特产干式环氧浇筑变压器，制动开关 S106 为 SIEMENS 公司 3AH3 真空断路器。三峡左岸发电机电气额定制动电流（定子电流）为 26KA；制动装置工作时间不小于 10min；制动时励磁电压：192V(VGS) 226V(ABB)；电气制动时励磁电流：2124A(VGS) 2209A (ABB)
9、 下面对各主要设备作一些简单介绍：3.1 短路开关发电机制动开关装置主要由 HEC3 型 SF6 发电机断路器和三相短接线两部分组成。HEC3型 SF6 发电机断路器为水平布置的三相整体结构，三个带金属封闭外壳的单相灭弧室（断路器）和液压弹簧操作机构、控制柜等设置在一个共用的金属结构底盘支架上，断路器采用三相机械联动、液压弹簧机构操作的方式。在每台套制动开关装置的动触头（发电机主回路离相封闭母线）侧装设 3 组（9 台）电压互感器，电压互感器为环氧树脂浇注单相结构，每相 3 台置于单相金属封闭外壳内；在每台套制动开关装置的另一端（静触头侧）金属封闭外壳内装设 3 个单相接地开关，接地开关三相机
10、械联动，三相共用一个电动机构。发电机制动开关装置的三相短接线采用封闭母线，装于制动开关装置的静触头侧。三峡左岸电站每台发电机配置一套发电机制动开关装置，制动开关装置布置安装于各机组段 75.3m 高程上游副厂房内，制动开关装置动触头侧端子与发电机主回路离相封闭母线垂直段 T 接头水平连接。每台发电机制动开关装置均配置 1 台控制柜，柜中包括所需的全部机械和电气控制部件，实现对制动开关装置的远方和现地操作，接收和执行计算机监控系统发出的分、合闸指令并与 500kV 高压侧单元断路器、励磁和调速系统等实现电气联锁。32 电气制动变压器采用顺德特种变压器厂还羊角主干是变压器，绝缘等级 F 级，由于
11、VGS 机组和 ABB 机组容量不同，所以有些具体参数也有一定差别：VGS 机组 ABB 机组电压变比 400V/3/192V 400V/3/226V容量 625KVA 791KVA接线组别 Yd11 Yd11工作频率 50Hz 50Hz报警温度 140 140跳闸温度 150 150制动变压器的温度控制完全由制动变本体的温控器实现，温控器并不将报警及动作跳闸信号送至励磁系统，因此，当制动变温度超高报警，或者过温跳闸，励磁系统都不会有报警或者别的动作指令发出。制动电源进线开关 S105：安装在 400V 机组动力盘段母线上。33 电气制动整流柜柜内安装有一个完整的可控硅三相全控整流桥作为电气制
12、动的变流设备，采用SIEMENS 公司 6QA501 可控硅整流组件，可控硅元件反向峰值电压 2500V 元件额定正向平均电流 2100 A。装有熔断器共六组 12 个：分别为六个整流支臂的输入保险，单个熔断器的容量是 710A。柜门上有两块表计，一块为输出电流表，是制动整流柜的实际输出电流值，量程为 4000A：另一块监视本整流柜六个支臂输出电流的平衡程度，当其中一个指示灯熄灭时，表示功率柜有单臂掉相的情况，此时，励磁系统将自动将此功率柜退出运行，并发出一个报警信息，因为调试过程中发现，在单元控制室内使用手机时，会影响此电流平衡装置的正常运行，所以现在已经将此装置的灵敏度调低。在柜体顶部的左
13、侧有两个红色的指示灯：当直流灭磁开关 S101 合闸时，指示灯点亮，但指示灯点亮并不代表励磁系统投入或退出运行。柜体上部装有冷却风机，在励磁系统投入运行之后，一组风机将会自动启动，两组冷却风机每次轮换投入运行。当功率柜检测道风量低时，会自动启动另一组风机，若启动另一组风机之后，冷却风量仍低，则励磁系统会将此功率柜退出运行。4 三峡电气制动控制流程三峡左岸电站电气制动控制自动化程度比较高，正常停机情况下，当监控系统发出停机令时，励磁系统首先进行逆变灭磁，当机组转速降到 50%的时候，监控系统首先合上短路开关，励磁系统在判断制定投入的条件都满足后，首先投上制动开关 S106，断开灭磁阀片投入开关
14、S107，合上制动电源开关 S105，同时，在调节器柜内同步切换开关将励磁同步变压器切至制动同步变压器，触发脉冲装置的同步信号源从励磁变压器侧切换至制动变压器侧；励磁系统将从 AVR 调节模式切换至 ECR 调节模式，调节器向制动整流柜加脉冲，使其向发电机转子加励磁，启动制动回路工作。电气制动投入命令“Electrical braking ON”只能从远方发出，在“现地”控制方式下没有投入电气制动的权限。电气制动投入运行时，励磁系统工作在 ECR 模式，因此，若要调节定子电流，即只能通过调整励磁电流设定值来改变。实际上，励磁电流是按照在电气制动时，使制动电流接近额定的定子电流来设定的。当监控系
15、统发出电气制动退出“Electrical braking OFF”命令之后，触发脉冲装置将关闭触发脉冲，制动整流桥将被关断；触发脉冲装置将切换回主整流桥；同步信号源也将切换至励磁变压器侧；励磁系统将切换回 AVR 调节模式；电气制动过程中有最大时限限制，这个时限是为了保护转子及制动变压器。当电气制动超时，励磁系统内部将发出电气制动退出的指令，退出电气制动，同时，会在操作面板上显示报警故障及报警信息。电气制动退出开关得分和顺序与电气制动投入的基本相反，除了 S106 和 S105 以外，即电气制动投入时 S106 先合 S105 后合，电气制动退出时 S106 先分 S105 后分。下图是三峡左
16、岸电站发电机电气制动时序图图三 电气制动投入时序图 0.1second/divElectrical brake ON command from remoteMode electrical brakingExcitation ON internalElectrical brake ON internalExcitation is ON Short circuit beakerS101S106S105Pulse release图四 电气制动退出时序图 0.1second/div5 投产后运行情况介绍三峡左岸电站目前已有 8 台机组投产发电，不论是试验或者是正常的停机操作，电气制动每次均能准确地投入
17、和退出。实测各台机与设计有一点小差别：电气制动时定子电流Electrical brake OFF command from remoteElectrical brake OFF internalMode electrical brakingExcitation OFF internalExcitation is OFFS101Negative ceiling votage De-excitation timeS106S10516000A 至 17000A，励磁电流 2100A 左右，投入电气制动后制动效果明显，从 50%到停机时间为 160 秒左右，从录波图可以看出其低速范围内制动作用非常好。
18、三峡工程举世瞩目，为了保证单机容量 700MW 的特大型机组运行安全，三峡左岸电站选用 HEC3 型 SF6 发电机断路器作为发电机电气制动的短路开关，在整个电气制动回路中 siemens 也采用了一些独特的技术。投产以后运行情况还比较理想。参考文献：日山本润二、林重雄等 现代水力发电机制动装置 三菱电机技报 vol.49 No.9 1975徐青山等 水轮发电机组电气制动技术分析 电力自动化设备 2002.8 第 8 期赵鑫 三峡左岸电站发电机电气制动开关装置的设计 中国三峡建设 2002.7 第 4 期作者简介：胡先洪(1965-)，男，湖北潜江人 主任 工程师 长期从事发电厂励磁系统检修和维护工作万和勇(1968-),男，河南邓州人 高级工程师 从事励磁系统设计和维护工作附录：三峡电厂 13 号机制动试验记录和录波图16 时 22 分 05 秒，启动停机流程；16 时 23 分 08 秒，导叶全关；16 时 23 分 16 秒，投入电制动 ，制 动电流 12.8Ka（监控读数），励磁电流 1973A，当机组转速降为 15%的额定转速时，电制动结束，机械制动投入；16 时 27 分 15 秒，机组转速降 为零，整个制 动结束。机组制动曲线图如下：
