摘要：水轮机组是水利发电的核心部件。水轮发电机组在高速的冲击式水轮机驱动下容易运行不稳，转子惯动量大工作时间长会发热，转子磨损严重，因此解决制动停机是水轮发电机组的关键性技术。文章介绍了水轮发电制动系统的制动方式及其电气制动原理，为技术人员的学习和运用提供了很好的参考。

关键词：水轮发电机组；制动原理；电气制动技术；机组制动系统；水利发电 文献标识码：A

中图分类号：TM303 文章编号：1009-2374（2016）36-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.024

水轮发电机机组工作流程是超高压水压冲撞发电机转子，然后扭转力切割磁感线转化为电力的过程。水轮发电机组在高速的冲击式水轮机驱动下容易运行不稳，转子惯动量大工作时间长会发热，转子磨损严重，因此水轮发电机组启动、停机频繁，所以解决制动停机也是水轮发电机组的关键性技术。

1 水轮发电机组制动中的电气制动技术

1.1 电气制动原理分析

电气制动的工作原理是让同步电机发生电枢反应而带动水轮发电机。一般的发电机解列或灭磁以后等到机组转速减慢至额定工作转速的一半后，发电机定子三相短路，利用特定的方式操作提供动力电源，此时的励磁调节器将会自动调节档位，模式由原本的电制动模式转为转子制动模式，转子制动模式绕阻为发电机加励磁电流。

1.2 电气制动的基本构成

当励磁系统收到投电制动指令时，启动闭锁逻辑，当检测到出口开关闭合机组转速不大且没有收到电制停机令时要在分闸出制动开关。当判断分闸合上电制动开关以及跨接器开关是否出现电流的震荡，方可下达下一步指令，如图1所示：

1.3 电气制动的优势

电气制动的优势在于能判断当励磁电流不发生变化时，这一特别现象做系统分析。这时的电势只会与发电机的转速定子电流这一个因素有关系，此时的定子直流电阻完全不存在影响，而定子绕组中的短路电流为恒定不会随着转子的转动速度的变化而变化，影响因素完全只剩下转速，此时为研究水轮发电机制动技术提供了良好的条件。

1.4 电气制动的突出特点

常用的电气制动实现的方式有高压侧短路制动、逆变制动和三相短路制动，高压侧短路制动的优点在于能够附加制动耗损在制动效果上是最好的，实现技术上要求很高，逆变制动的能量可以回收，但受到电子器件的约束。定子三相短路制动在短路发电机上方便使用，也是使用得比较普遍的一种制动方式。综合三种制动方式其显著的特点归纳为以下三点：（1）制动惯性力矩与定子短路电流的平方成正比关系，随着定子短路电流的增加而增加，反之则相反；（2）定子电流发生短路时电流基本不会变；（3）制动力矩会与机组的转速成反比，考虑到定子短路电流基本不变，随着机组转速的下降其转动力矩会变大。

2 电气制动参数

通过公式可以反映出：制动力矩的性质，制动力矩与定子短路电流的平方成正比，而与机组的转子转速成反比。电气制动在投入选择上要合理安排时间。例如在参考电气制动参数为理论依据，当发电机转速比较高的时候，倘若选择电气制动它的制动转矩比较小，在高转速的齿轮带动下，发电机轴承容易形成脱机。一般在慢速轴承有一定影响的时候，机组停机不建议一开始投入电气制动，而要在转速为额定转速一半的时候开始使用电气制动。在应用实践中发现，在电气机组制动要停机的高速运行区域，水轮机转动的阻力力矩的制动起到最大的效果；电流选择从给我们的电气制动参考上，调整励磁电流导致电流增大，提高制动电流为了更好的效果，缩短制动时间不能一味的追求时间，励磁电流的增大会致使机组的温差过大，也会引起震动激烈，影响机组安全稳定的运行。

3 电气制动技术的相关要点

3.1 电气制动主回路

电气制动实现过程中电磁循环需要提供外部制动电源，然而这种模式与励磁系统的主回路结构卡诺有很大的关联。在制动实现之前，需要了解一下主回路的两种设计方式：自并励接线方式和它励式连接方式。

自并励接线方式是当机端短路时，励磁变为无电源，此时的电源是由专门的制动变压器提供的。在制动过程中制动变接厂用变的接线方式，在发电工况下电流整流要通过操作把电流控制在交流侧断器处。它励式连接方式则是，当励磁变压器位于发电机断路器外侧时，电路中的全部整流电源都是由励磁变压器提供。两种接线方式都有它的可操作范围，在手法上虽然它励式连接方式省去了制动变压器和交流侧断路器，但操作却比较复杂，相对来说虽然自并励接线方式设备多点，但控制逻辑简单比较方便。通常的发电励磁设计都为自并励接线方式，而励磁变一般直接始发于发电机端，所以说自并励接线方式比它励式连接方式使用更为普遍。

3.2 电气回路控制设计

科学合理的设计电气制动控制回路，要求我们懂得控制回路设计的一些基本知识，否则会影响电气制动过程中的可靠性，所以必须要严格考虑其足够的约束条件和闭锁措施。在学习设计电气回路之前，要先了解一下电气投入的约束条件：当机组发出停机命令后，观察短路器是否在跳闸位置，如果在的话，机组的自身保护起到了作用，电气机组则无故障。另外闸门要在全关的位置，灭磁开关也要在断开的位置。记住电气回路的安全参数，保证设计的合理性。除此之外，在电气制动开关的投入和退出方面，一定要跟灭磁开关的投入和退出符合对于的逻辑关系，切不可马虎，不然会导致严重的事故发生。

3.3 选择短路开关

发电机组制动开关有严格的规格，水轮发电机也是一样需要选择合适的。否则会影响机组的正常运行，严重时还会危害到機组人员的人身安全。机组停机的开关选择上，要考虑水轮发电机额定转速下的定子残压情况，还有短路时产生的电弧冲击，在选择上用作短路的隔离开关一定要有抗电弧的能力和应急触头，相反如果没有配置，要配置些能及时断路的断路器或者快速开关。电气制动持续时间比较短，在任何情况下选择开关时，短路开关的额定电流在选择上一定要比机组制动的电流要略低。较为理想的电气制动方式上的三相联动式驱动，在环节上连接方式比较精简，接入的位置很直接，在选择上很利于提高发电机组制动的稳定性和安全性。

4 电气制动的工作机制

电气制动流程控制的实现是通过励磁系统的可编程控制器调控完成的，其中起到关键作用的是PLC。PLC能实现的功能有：（1）可以在电气制动开启时检测电气此时能否满足投入条件。系统停机解列后，控制系统中监控部分马上启动开始对系统提供信号，发出励磁调节器停止指令，励磁调节器收到指令后自身发出灭磁信号；（2）励磁系统的电气制动能自行监测电气制动投入命令，看其是否满足电气制动的逻辑条件，满足条件后，依次会进行下面保护机制：闭锁继电保护、分励磁变压副开关保护、合短路开关、电气制动电源交流开关；（3）励磁调节器一旦保护实现不了出现问题了会直接进入电气制动模式，其励磁系统会向转子系统输送特定的电流，保护制动力矩的耐性从而继续制动装置，完成后续目标；（4）不满足任何电气制动的条件发生时，系统的指令是无法传达的，系统自身会发生举报，PLC会发出信号转至常规机械制动系统，并下达阻止命令电气制动退出进入保护状态；（5）转子参数当出现转速小于5%时，电气制动励磁控制的可编程控制器会发出逆变磁信号；（6）在上一步的灭磁过程中如果出现不成功的情况时，PCL将会制动进入下一步直接发出警报信号，自行保护电路；（7）PCL内设报警信号装置，无论哪部分都与信号报警装置相连，发出信号部位一般是安装在电气制动电源交流开关、短路开关、合整流变压器副边开关处，这些开关连接有解除發电机继电保护装置能很方便地调整发电机出现不正常的情况。

PCL在整个电气制动过程中的角色不容小觑，它始终监控电机的工作状态。一旦遭遇制动超时、整流变压器副开关不正常工作、短路开关及电气制动电源交流开关不能正常断开时，它能够灵活地退出程序，下达全方面的停机指令。

5 结语

机组制动系统中电气制动技术的研究意义重大，对于我国发电机组的改进有指导意义，能帮助我国对机组中涉及的专业性的问题进行突破，并能够在很大程度上提高我国水轮发电机组在生产工作中对不稳定因素的控制能力，保障机组人员的生命安全。

参考文献

[1] 刘余斌.电气制动方式的改进[J].科技资讯，2016， （32）.

[2] 贾永林.水轮发电常见问题与解决方法[J].科技学 术，2010，（7）.

作者简介：李侃（1988-），男，湖南新邵人，中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司天生桥水力发电总厂助理工程师，研究方向：水电运行。

（责任编辑：蒋建华）