水轮发电机组电气制动方法的分析与探讨.doc

水轮发电机组电气制动方法的分析与探讨张红 ,王辑祥(广西大学电气工程学院 ,广西 南宁 530004) 摘要 介绍水轮发电机组电气制动的工作原理 ,着重分析了几种电气制动方法的特点及其应用场合 ,深入探讨了发 - 变组高压短路制动和中小机组反接制动的可行性 、实用性 ,为水电厂选择合理的电气制动方式提供了依据 。 关键词 水轮发电机 ;电气制动 ;机械制动 ;反接制动 中图分类号 T K730 . 32 文献标识码 文章编号 1003 - 1510 (2004) 01 - 0013 - 04B2 . 1 发电机定子三相短路电气制动电气制动的接线如图 1 所示 , 用三相开关将发 电机定子短路2 ,在转子绕组中通以适当的励磁电 流 ,使发电机定子短路电流为额定电流的 0 . 81 . 2 倍 ,用定子绕组中的短路损耗实现机组制动 。该制动方法是基于同步电机的电枢反应原理 。 在机组与电网解列并将发电机转子灭磁后 , 合上三 相开关 ZD K 将发电机定子短路 ,励磁电流由厂用电 系统经整流后的外部电源供给 。这样在定子中就流 过了短路电流 ,该电流在定子绕组中产生铜耗制动力矩 ,其方向与机组的惯性力矩方向相反 ,电制动力 矩以及机组的其它阻力矩一起作用使机组快速停 机 ,从而保证机组推力轴承的安全 。1电气制动技术的提出水轮发电机组在停机过程中 ,为确保轴承的安全 ,必须采用强迫制动停机 。传统制动方式是采用机械制动 ,但这种制动方式存在很多缺点 。为了克 服机械制动的缺点 ,提出了对机组实现电气制动停机的方法 。电气制动是一种非接触式的制动方法 ,它是基 于电磁感应的原理 ,将机组的剩余动能转变为热能 而实现制动停机的 。它克服了机械制动的缺点 ,主要优点是 :有足够的可靠性 ; 无磨损无污染 ; 维护工 作量小 ;没有机械制动时常伴有的噪音和振动 ;电气 制动的制动力矩与机组转速成反比 ,即随着停机过 程中的转速降低 ,制动力矩反而增大 ;制动投入时的 转速不受限制 ,停机时间短 ;能有效改善水轮发电机的运行条件及满足可逆式机组运行工况迅速切换的 要求 ;能提高水电厂的自动化水平 。因此 ,电气制动 是一种理想的制动方式 。目前电气制动都是清一色采用发电机定子绕组 三相短路 ,并对励磁线圈通以适当的励磁电流以产生制动力矩的方法来实现的 。本文还提出了另外两 种电气制动的新方法 ,通过对模拟机组的实验 ,分析 比较了这些方法的原理 、特点和应用场合 ,水电厂在 设计和技术改造中可以根据实际情况进行选择 。图 1 发电机定子三相短路电气制动接线图在模拟机组上做了有关的各种试验 ,模拟发电机的额定参数如下 :有功功率 : Pe = 5 k W , 视在功率 : S e = 6 . 25 kVA ,2 几种电气制动方法的分析 收稿日期 2003212208作者简介张 红 ( 修订日期 2004202202)女 黑龙江省嫩江人 广西大学电气工程学院级研究生 从事水电站自动化方面的研究 王辑祥 (定子电流 : Ie = 9. 06 A ,定子电压 : Ue = 400 V ,转速 : N e = 1 500 r/ min在以后画的变化特性曲线各量均用标么值表 示 ,标么值的基值如下 :母线而采用发电机 - 变压器单元接线 ,它具有接线简单 ,操作方便 ,短路电流小等优点 。对于这种接线 可以在变压器的高压侧实施短路对发电机进行电气 制动 ,接线如图 4 所示 。除短路地点不同外 ,接线与 发电机定子短路制动相同 。图 5 示出了模拟试验时制动功率与转速的变化特性 ,为了便于比较 ,把相同 短路电流的定子短路特性也画上 。Pb = 0. 1 Pe , S b = 0. 1S e , Ib = Ie , N b = N e 。定子短路制动各量随机组转速变化的特性如图2 所示 ,可以看出 : 机组本身的制动力矩 , 包括风 摩擦损耗 ,轴承摩擦损耗和集散损耗 ,随转速下降而减小 ,在低速时下降较快 , 如果只靠此力矩自然停机 ,机组势必在低速下长时间运转 ,对轴承很不利 , 因此外加强迫制动使之迅速停机是很必要的 ; 定 子短路电流随机组转速的降低基本不变 ; 电气制动力矩随转速的下降迅速上升 ,这是电气制动十分 宝贵的特性 ,在对轴承威胁最大的低速时 ,机组本身 的阻力矩已经不大 ,电气制动起了决定性的作用 。 理论分析也说明定子短路电流 I k 和损耗 Pk 不随机组转速下降而变化的特点 。图 3 不同短路电流的制动特性图 4 发电机 变压器单元短路制动接线图 2 各量随转速变化的特性由同步电机理论可知 ,电制动力矩 M E 可表达为 : PE3 I 2 RKI2 Rkk( 1)M E = = 2n/ 60=n式中 : PE 铜损功率 ; 角频率 ;K = 3 60 常数 。2由 ( 1) 式可知 I K , R 为常数时 ,电气制动力矩是随机组转速下降而增大的 ,因此对低转速停机具有 独特效果 。同时 ,还可以看出 ,在相同的转速下 ,制 动力矩和制动电流的平方成正比 。我们在模拟机组上也做了不同短路电流时制动功率的试验 ,其变化 特性如图 3 所示 ,试验结果与理论分析是一致的 。2 . 2 发电机 变压器单元高压侧短路电气制动水电厂一般如无近区负荷 ,发电机端往往不设图 5 定子电流相同时各种制动方式特性比较从图 5 可以看出 ,与定子短路制动一样 ,转速变化时短路电流也是基本不变的 ,因为变压器的感应电 势与频率成正比 ,变压器的电抗也与频率成正比 ,故 变压器的短路电流和损耗基本上不随频率而变化 。而这时的短路损耗不但有发电机定子绕组的铜耗 ,还包括了变压器的铜耗 ,因而在相同的短路电流下发电 机的制动力矩增加了 ,制动时间缩短了 ,比较图 5 中 定子短路和变压器短路的特性就可以清楚表明这一 点 。单元接线中发电机和变压器的容量是匹配的 ,经查阅有关资料表明 ,同容量的发电机和变压器的等效 电阻大致相同 ,因而可以使制动力矩成倍增加 。发电机定子短路制动要在室内装设大电流的短 路开关 ,安装复杂 ,占地面积大 ,同时运行表明 ,作为 短路用的国产大电流电动操作隔离开关的可靠性还有待提高 ,例如广西岩滩水电厂早就安装了电气制 动 ,由于短路开关的原因至今未能正常投运 。而变 压器高压侧短路制动 ,电流要小得多 ,同时为了检修 方便和安全 ,单元接线的高压断路器两侧的隔离开 关一般都配备有接地短路开关 ,只要此开关是远方自动操作的 ,就可以兼作发电机短路制动之用 ,这样 既简化了接线 ,也节省了投资 ,即使是手动操作的开 关 ,更换为自动的也不难 。综上所述 ,在发电机 - 双绕组变压器单元接线 时 ,采用升压变高压侧短路的制动方式 ,比发电机定子短路制动更具优越性 ,但这种方式可能是由于历 史原因并未见有实际应用 ,笔者认为 ,进一步的研究 和试验 ,是很有现实意义的 。还应当指出 ,当发电机 电压有母线 ,或升压变为三绕组 (或自耦) 变压器 ,或 发电机为扩大单元接线时 ,不适用这种制动方式 。2 . 3 反接制动停机发电机解列灭磁后 ,将励磁绕组通过灭磁电阻 或直接短接 ,在定子绕组中通以负序低电压的三相 交流电 ,如图 6 所示 。负序电流在定子侧产生了一 个与发电机转子旋转方向相反的旋转磁场 ,这一磁场与转子有 N o + N 的相对运动 ( N o 为外加电源的 同步速 , N 是发电机转子速度) , 就会在励磁绕组 , 阻尼绕组 ,转子本体和磁极铁心上产生相应频率的 感应电势 ,由于励磁绕组和阻尼绕组是闭合的 ,致使 在其上形成电流并产生损耗 ,同时 ,由于转子铁心是一个整体的钢结构 ,在其上产生的涡流和相应的损 耗是较大的 。转子损耗形成反方向的力矩 ,对发电 机起制动作用 。根据反 接 制 动 试 验 所 画 出 的 特 性 表 示 在 图 5上 ,从特性可见 : 反接制动力矩随转速的降低迅速 升高 ,这对发电机低速下的制动十分有利 ; 在定子电流相同的条件下 ,反接制动力矩要比定子短路制动大 得 多 , 例 如 , 在 N = 0 . 4 时 , 前 者 为 后 者 的4 . 7 倍 。图 6 反接制动接线中小型机组一般都采用线性灭磁方式 ,灭磁开关跳开后其一对常闭触头通过线性电阻将励磁绕组 短路 ,图 7 表示出励磁绕组直接短路和通过电阻 (其 值为 5 倍励磁绕组电阻 ,灭磁电阻值一般为 45 倍 励磁绕组电阻) 短路制动特性的比较 ,可以看出 ,在相同条件下 ,后者制动力矩略高 ,但由于励磁绕组损 耗 占 转 子 总 损 耗 的 份 额 不 大 , 力 矩 只 增 加 了 约15 % 。图 7 反接制动特性反接制动的效果明显优于定子短路制动 ,但在大容量机组上并未得到应用 ,这是因为产生反接制 动功率需要较大容量的变电设备 ,厂用电一般负担 不起 ,需要另外引接 ,增加了投资 ,安装也复杂 。而 这一制动方式对中小发电机却是可行的 。目前 ,电气制动只在为数不多的大容量发电机上应用 ,它应用于数量很多的中小发电机组上是否 合理可行却很少给予关注 。事实上 ,小水电对地方 经济发展的支撑作用是很大的 ,以广西为例 ,小水电 装机占了总装机容量的 30 %左右 。水电是再生能 源 ,发电成本应该是很低的 ,但小水电站的经济效益 普遍不高 ,其主要原因是人员太多 ,技术落后 ,一个 几千千瓦的小电站就有上百人 ,大幅度的减员分流 做到少人值班是提高经济效益的关键 ,这就要提高 小电站的自动化水平 ,而用电气制动代替机械制动 ,减少运行维护工作量 ,是提高自动化水平重要的一环 ,并且小电站机组一般开停比较频繁 。因此 ,小水 电站采用电气制动技术是十分必要的 ,应该引起足 够的重视 。中小型机组实现电气制动当然可以用定子短路制动方式 ,但投资大 ,占地面积多 ,接线复杂 ,因而限 制了这项新技术的应用 ,但中小机组制动功率不大 , 如果采用反接制动方式 ,其制动电源可以直接取自400 V 的厂用电 。根据模拟机组上的试验数据 ,计算出其定子电 阻约为 : R g = 1 . 8 , 反接制动时转子的等效电阻 为 : Rf = 19 . 2 , 后者与前者比 : Kr = Rf / R g =19 . 2/ 1 . 8 = 10 . 7 , 文献 1 对一台 25 000 k W 机组 进行试验测得 : R g = 0 . 005 , 通以负序电流时 Rf= 0 . 054 ,两者相比 : Kr = 0 . 054/ 0 . 005 = 10 . 8 ,粗略估算时二者在 10 倍左右是有代表性的 。有阻 尼绕组发电机负序电抗的典型值为 :X 2 = X d = 0 . 2 ( 标么值)一般中小型发电机的机端额定电压为 6 300 V , 如果用 400 V 厂用电反接通入发电机定子 ,定子电 流的标么值为 :用厂用电源直接接入发电机定子绕组进行反接制动 , 不 计 及 发 电 机 绕 组 的 电 阻 , 这 时 的 定 子 电 流为 : Ie= 400 400 184= 58 . 4 AI g=U e X 2 6 3000 . 2所需的制动容量为 :S j = 1 . 73 400 58 . 4 = 40 . 4 k W这个不大的容量厂用变压器是完全可以负担 的 ,同时制动时间很短 ,厂用变还可以短时过负荷 。 由此可见 ,中小机组直接利用厂用电源实施电 气制动 ,使用设备少 ,制动效果好 ,接线简单 ,容易实 现 ,是一种经济实用的电气制动方式 ,值得在小电站中推广应用 。3结语(1)水轮发电机组的电气制动具有制动转矩大 ,停机时间短 ,无环境污染 ,能提高机组自动化水平等一系列优点 ,是一种理想的制动方式 。(2)当电气主接线中采用发电机 - 双绕组变压器单元接线时 ,可以在升压变压器高压侧实施短路制动 ,它比定子短路制动力矩大 ,且可以利用接地 隔离开关兼作短路开关用 。I = 1 400(2)= 0 . 320 . 26 300(3)中小机组采用电气制动是必要和可行的 ,反接制动时在转子产生的制动损耗 ( 指励磁绕组直接短路) 与定子短路在额定电流时的损耗相比 为 :可用厂用电源直接接入发电机进行反接制动 ,制动效果略高于定子额定电流短路制动 ,这种方式接线 简单 ,经济实用 。 RfKi = 0 . 322 / 1 . 0 (4)电气制动是一项新技术 ,有许多问题有待= 0 . 102 4 10 = 1 . 024R g深入研究探讨 ,如用计算机仿真描述停机的全过程以确定最佳投入转速和选择合适的电流 ; 电气制动 与机组监控系统的配合 ; 采用最先进的自动控制技 术和策略提高电气制动的可靠性 ; 电气制动和励磁系统的结合等等 。参考文献(3) 可见 ,定子额定电压 6 300 V 的发电机用 400 V 厂用电源反接制动 ,与定子短路制动相比 ,制动力矩 和制动效果基本相同 ,如果考虑励磁绕组一般都通 过灭磁电阻短接 ,反接制动的效果还好一些 。由于 发电机的容量不大 ,所需反接制动的功率较小 ,而且时间很短 ,厂用电是完全可以负担的 。 例如 ,一台水轮发电机的参数如下 :额定有功功率 : Pe = 1 600 k W , 额 定 定 子 电压 : U e = 6 300 V ,额定定子电流 : Ie = 184 A ,负序 电抗 : X 2 = X d = 0 . 2 。1黄纯华 . 大型同步发电机运行技术 M . 北京 : 中国电力出版社 ,1991 .杨秀杰 ,王 芳 . 小浪底电站电气制动系统的设计及应 用 J . 大电机技术 ,2002 , (1) :60263 .(责任编辑 :周 群)2(英文文摘下转第 23 页)位只相差 5 m ,防渗和基础处理难度差不大 ,但装机容量和发电量相差较大 。方案三和方案四的共同优 点是 :坝高比一 、二方案降低了 35 m 左右 ,对库坝渗 漏及大坝基础要求有所降低 ,工程难度不及一 、二方 案 。且方案三水库回水到黔 、桂边界 ,接贵州省的平林坝址 ,淹没贵州的土地不多 ,淹没赔偿易协调处理 ; 方案四以不淹贵州土地为原则 ,减少了许多涉及外省 移民搬迁和土地赔偿的麻烦事 。方案三 、四的共同缺 点是 :坝高仍有 90 多 m ,防渗及基础处理依然艰巨 。 方案三的单位电能造价较高 ,经济指标较差 。方案五的优点是 :坝高只有 65 m ,属中坝 ,对坝基的工程地 质条件要求相对较低 ,防渗及基础处理相对容易一 些 ,建设的风险性较小 ,可操作性好 ;同时 ,该方案投 资少 ,单位电能造价比较低 ,经济指标较好 ,在电力市 场中有较强的竞争力 。缺点是 :水力资源没有得到充分利用 ,对下游梯级电站调节作用甚微 。5 个开发方案的比较主要是对坝基和防渗处理问题的比较 。目前 ,正适中央对西部实施大开发战略的 大好时机 ,我们要审时度势 ,要从项目能否实施 、资 金筹措难易以及具有可操作性来考虑 ,不失时机地 对下桥水电站开发方案进行优选 , 尽快上马修建 。因此 ,2000 年底 ,在南宁召开了下桥水电站开发方 案的研讨会 ,与会专家一致认为 ,就下桥梯级本身而 言 ,正常蓄水位 280 m 方案有造价低 、经济指标优 越 、防渗和坝基处理的难度较低 、建设的风险性较 小 、可操作等优点 ,建议作可行性研究 ,并进一步优化设计 ,考虑利用原围堰坝的方案比较 。参考文献1广西壮族自治区水利电力局 . 广西中小型水库岩溶渗漏地质条件及防治措施论文选编 Z . 南宁 : 广西壮族 自治区水利电力局 ,1980 . 广西电力工业勘察设计研究院. 龙江下桥水电站开发2方案研究 R .2000 .南宁 : 广西电力工业勘察设计研 究 院 ,结语从上述 5 个方案的评价 ,各有优缺点 ,下桥电站6(责任编辑 :周 群)Probing into the developingscheme ofthe GuangxiLongjiang Xia qiao hydropo wer stationL I Zhi2jian1 , C H EN J ian2(1 . Guangxi water and power vocatio nal technology college , Guangxi Nanning 530023 , China ;2 . Guangxi Heci cit y water reso urces bureau , Guangxi Heci 547000 ,China)Abstract :Acco rding to t he engineering geologic co nditio n of t he Xiaqiao hydropower statio n , analyzed t he reser2 voir karst seepage , dam fo undatio n karst crack and sof t st rat um , expo unded t he unf avo rable f acto rs influencing reservoir co nst ructio n , p ut fo rt h t he opinio ns fo r seepage p reventio n and dam fo undatio n p rocessio n , evaluated t he every develop ment schemes and selected t he best o ne .Key words :karst ; geology ; t he Xiaqiao hydropower statio n ; develop ment ; desig(上接第 16 页)The analysis and discussing of electric bra king method in hydropo wer stationZHAN G Ho ng , WAN G J i2xiang( College of Elect r