制動風閘電氣部分基本原理

1、.制動風閘電氣部分基本原理摘要：我國水輪發(fā)電機采取的制動方式一般有兩種：電氣制動和機械制動。電氣制動可以減少機組軸承、制動閘、制動環(huán)的磨損和機坑內(nèi)的粉塵污染；由于電氣制動存在系統(tǒng)造價高，對外圍設備環(huán)境要求高的問題，一般水電廠的水輪機發(fā)電機采用純機械制動的方式，而較為先進的水電廠都采用電氣制動與機械制動相結合的方式。本文著重對機械制動電氣部分基本原理進行闡述，并結合實際生產(chǎn)中的應用，對制動風閘的自動控制情況加以說明。關鍵詞： 制動 風閘 電氣水輪發(fā)電機在停機過程中，進行制動可有效的減少停機時間，減少機組在低于額定轉速的游走時間，減少機組軸承磨損以及低轉速下摩擦引起的過熱燒瓦。在葛洲壩二江電廠的調(diào)

2、速系統(tǒng)中，停機過程導葉采用了分段快速關閉，與此相配合在機組轉速低于15%額定轉速時，投入制動風閘，保證機組停機過程中轉速的快速控制；三峽電廠水輪發(fā)電機采用電氣制動與機械制動相結合的方式，停機過程中導葉采用快速分段關閉的方式，機組轉速低于額定50%時投入電氣制動，轉速低于15%額定轉速時，投入機械風閘制動，并且在停機過程中投入高壓油系統(tǒng)，以保證機組能夠以快速、穩(wěn)定、安全的方式轉換運行工況。在建的溪洛渡水發(fā)電廠也是采用電氣制動與機械制動相結合的制動方式，其他大中型水電廠的制動方式與此類似，現(xiàn)就制動風閘電氣部分在結構、原理、應用上加以闡述。一、制動風閘的組成和結構水輪發(fā)電機制動器（俗稱風閘）是機組機

3、械制動系統(tǒng)中的重要部件。機組制動系統(tǒng)由制動器、油風管路、手動和自動控制裝置組成。1.1制動器圖1為制動器外觀圖，圖2為制動器結構圖：圖1 制動器外觀圖圖2 制動器結構圖制動器的作用包括以下幾方面： 避免機組停機過程中長時間在低轉速下運行，迅速制動（剎車）； 在機組安裝或檢修期間，可用作千斤頂頂起轉子； 對于停運狀態(tài)的機組，可防止其轉動； 便于塑料瓦機組重新建立起油膜。1.2油風回路油風管路是制動器動作復歸的能量供給通道，控制油作用于換向閥電磁鐵的控制，而帶壓氣系統(tǒng)通過風管通道，為制動器的上下腔進行充放氣，實現(xiàn)制動器的動作控制。圖3為制動系統(tǒng)中低壓氣管路圖。圖3 低壓氣管路圖1.3手自動控制裝置

4、制動風閘的重要性決定了其高可靠性要求，單純的自動控制存在誤動拒動的運行風險，為其增設手動控制回路，一方面增加其動作可靠性，在自動失效的情況下可以人為干預，另一方面，手動操作的靈活性，為機組的檢修作業(yè)提供方便。在圖3中，電磁換向閥與手動換向閥并聯(lián)形成的制動系統(tǒng)，是一種簡單有效的制動系統(tǒng)。圖4為檢修作業(yè)中的制動器布置（環(huán)形布置黃色部分）。圖4 檢修作業(yè)中的制動器布置二、制動風閘的電氣部分制動風閘電氣部分有兩個作用： 風閘接點把風閘的位移信號轉換為開關量電信號，并通過電纜傳送至現(xiàn)地控制單元PLC和指示燈，為機組LCU的流程判據(jù)以及運行人員的操作提供依據(jù)； 機組LCU通過開出控制，發(fā)令投入或撤除制動風

5、閘，通過控制通訊電纜，動作風閘投退電磁鐵，再通過低壓氣系統(tǒng)作用于制動風閘上下腔，實現(xiàn)制動風閘的投退控制。圖5為風閘信號動作返回接點（行程開關），圖6為制動風閘動作切換電磁鐵：圖5 風閘信號動作返回接點圖6 制動風閘動作切換電磁鐵行程開關，位置開關（又稱限位開關）的一種，是一種常用的小電流主令電器。利用生產(chǎn)機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現(xiàn)接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。通常，這類開關被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。 在電氣控制系統(tǒng)中，位置開關的作用是實現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。用于控制機械設備的行程及

6、限位保護。構造：由操作頭、觸點系統(tǒng)和外殼組成。 在我們的制動系統(tǒng)中，行程開關被固定安裝在支架上，制動風閘閘體上安裝固定剛性撥條，撥條隨風閘閘體的動作而上下移動。在撥條動作到某個固定位置時，觸動行程開關操作觸頭，行程開關內(nèi)部常開接點閉合，常關接點斷開；當撥條離開固定位，行程開關操作觸頭復歸，內(nèi)部接點常開接點打開，常關接點閉合，從而實現(xiàn)制動風閘實際位置信號由機械信號向電氣信號的轉變。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥是用電磁的效應進行控制，主要的控制方式由繼電器控制。這樣，電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制，而控制的精度和靈活性都能

7、夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來擋住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。在機械制動系統(tǒng)中，通過繼電器的動作接點來控制投風閘、撤風閘兩個電磁鐵，電磁鐵在電源接通后線圈充電產(chǎn)生磁性，來驅動電磁閥閥芯動作，從而實現(xiàn)

8、低壓氣在管路中不同形式的流通，進而實現(xiàn)制動風閘不同的充壓泄壓方式，最終達到制動風閘在自動或手動方式下，按照運行規(guī)程動作的目的。圖7為機械制動電氣部分原理圖。圖7 機械制動系統(tǒng)電氣圖上圖中PS為LCU現(xiàn)地控制單元的電源模塊，CP為通訊模塊，DO為開關量開出模塊，AI為模擬量輸入模塊，DI為開關量輸入模塊。三、制動風閘在水電廠的應用 在水電廠中，制動風閘安裝在風洞層，圍繞定子座環(huán)均勻布置。制動風閘的行程開關的常開接點以并聯(lián)的方式用屏蔽電纜連接，屏蔽電纜走經(jīng)電纜廊道或橋架連接至現(xiàn)地控制單元，現(xiàn)地控制單元對信號進行采集處理后，以通訊的方式把采集到的信號上送至LCU，LCU負責把風閘的機械位置以圖表的形

9、式表現(xiàn)給監(jiān)控系統(tǒng)；另一方面，LCU內(nèi)部通過流程執(zhí)行，在條件滿足時，由開出模塊發(fā)投/撤風閘令，開出模塊接通開出繼電器線圈勵磁電源，繼電器的常開接點閉合，連通電磁鐵動作的220V直流回路，驅動電磁鐵動作，電磁鐵動作帶動電磁閥閥芯移動，從而低壓氣經(jīng)由閥芯移動產(chǎn)生的孔洞，進入制動風閘的下/上腔，制動風閘在氣壓存在的情況下，上/下移動，以完成對LCU發(fā)令的任務執(zhí)行。 在葛洲壩二江電廠的制動系統(tǒng)中，檢修需求的風閘投退由運行人員手動完成。機組運行中的動作情況是這樣的:在機組接到停機令后，導葉分段關閉，機組轉速迅速下降，當機組轉速降至15%額定轉速時（7.5HZ），投入制動風閘，導葉開度小于3%時投入鎖定，轉

10、速小于5%時， LCU檢查風閘投入、鎖定投入、后延時60S撤除風閘制動，投入緊停，機組進入停機狀態(tài)。因為機組測速方式采用齒盤測速，因此在風閘撤除后，如果機組還有低速運轉的情況，監(jiān)控系統(tǒng)會進行蠕動報警，運行人員進入現(xiàn)場人為干預。圖8為監(jiān)控系統(tǒng)停機流程圖。圖8 監(jiān)控系統(tǒng)停機流程圖三峽電廠機械制動過程與葛洲壩電廠相同，由于三峽電廠屬于巨型水輪機組，在停機階段，50%額定轉速時投入電氣制動方式，以減少機組低速運行的時間，加快停機過程。溪洛渡、向家壩電廠的制動方式與制動過程，與三峽電廠相類似。四、制動風閘的改進要求和發(fā)展方向 制動風閘的實際運行經(jīng)驗表明，在機組的正常運行過程中經(jīng)常存在風閘的誤動拒動情況，

11、嚴重時直接導致機組制動環(huán)磨損，風閘損壞，產(chǎn)生大量煙塵，造成機組強迫性檢修和慘重的經(jīng)濟損失。因此制動風閘不僅僅是簡單的接點信號返回，動作命令下發(fā)，在細節(jié)處理和流程執(zhí)行條件把握上應該給予更多的思考。 4.1誤動 拒動制動風閘的誤動主要有以下原因：1） 流程編寫不嚴謹，導致出現(xiàn)的誤動2） 開出模塊故障造成的誤動3） 繼電器接點抖動出現(xiàn)的誤動4） 回路接線錯誤出現(xiàn)的誤動 制動風閘的拒動主要有以下原因：1） 流程編寫不嚴謹造成的拒動2） 開出模塊故障造成的拒動3） 繼電器損壞造成的拒動4） 電磁鐵、電磁閥故障造成的拒動5） 油氣管路堵塞造成的制動風閘拒動針對以上誤動原因，制動風閘系統(tǒng)應做以下改進：1）

12、完善流程的執(zhí)行判斷條件，對投風閘、撤風閘的執(zhí)行條件進行更為細致的論證；同時，增加機組運行過程中風閘誤投后立即撤除風閘的程序流程，最大限度的保護運行中的設備安全；2） 采用高可靠性、高性能的開出模件和繼電器，繼電器可考慮采用并聯(lián)冗余的方式；開出繼電器增加開出使能環(huán)節(jié)，從而增加制動風閘動作的可靠性；3） 檢修作業(yè)中增加制動系統(tǒng)電氣回路檢查環(huán)節(jié)，防止由于接線錯誤引起的設備誤動拒動；4） 對低壓氣管路加裝氣壓傳感器，對壓力異常的情況，通過監(jiān)控系統(tǒng)進行報警，以及時提醒維護人員現(xiàn)場處理；5） 為防止出現(xiàn)機組運行過程中，由于轉速測量信號直接消失，導致的系統(tǒng)誤認為機組轉速低于15%投風閘的故障發(fā)生，在投制動風

13、閘的流程執(zhí)行中，應加入機端頻率、導葉開度等必要的判斷條件。4.2制動風閘系統(tǒng)的優(yōu)化舉例說明制動風閘系統(tǒng)的優(yōu)化方式。機組的風閘制動器分上、下兩腔，采用2個電磁閥(1DK和2DK)進行控制，其中1DK控制上腔充氣（1DK-a得電）/排氣(1DK-b得電)，2DK電磁閥控制下腔充氣（2DK-a得電/排氣2DK-b得電），風閘投退操作可采用3種方式進行，其控制邏輯如下表1：表1：風閘投退動作邏輯操作方式風閘投入風閘拆除下腔充氣上腔充氣/下腔排氣上腔排氣監(jiān)控LCU程序控制LCU發(fā)風閘投入DO指令制動柜ZDT1接點動作下腔充氣LCU發(fā)風閘拆除DO指令制動柜ZDT2接點動作上腔充氣/下腔排氣LCU在發(fā)風閘撤

14、除指令延時15s發(fā)上腔排氣指令DO制動柜A-68/A-70接點動作上腔排氣監(jiān)控PC2柜上的投入/撤除按鈕操作（共2個按鈕）按投入AN3按鈕制動柜ZDT1接點動作下腔充氣，按撤除按鈕AN4制動柜ZDT2接點動作上腔充氣/下腔排氣現(xiàn)地制動柜上按鈕操作（共3個按鈕）按鈕1AN動作下腔充氣按鈕2AN動作上腔充氣/下腔排氣按鈕3AN動作上腔排氣通過上表分析，若通過PC2柜的按鈕進行了風閘的撤除操作，則在風閘撤除后制動器上腔仍然充氣有壓，當再次投入風閘時則上、下腔均充氣有壓，將發(fā)生制動器無法投入或投入后上腔有壓，導致停機流程運行到投風閘步超時退出，停機失敗。為保證監(jiān)控系統(tǒng)程序、LCU的PC2柜、制動現(xiàn)地柜

15、三處都能對制動風閘進行協(xié)調(diào)、可靠的控制，故對制動風閘的控制回路進行優(yōu)化。優(yōu)化方案經(jīng)分析電源電站機組風閘制動的合理控制邏輯應該為：制動器投入：下腔充氣；制動器撤除：制動器上腔充氣、下腔排氣再經(jīng)數(shù)秒的延時后，制動器上腔排氣為下次的制動器投入（下腔充氣）作準備。根據(jù)以上控制邏輯邏輯分析，改進明如下：保留PC2柜手動投入的按鈕AN3與監(jiān)控系統(tǒng)的制動器投入（下腔充氣）的DO量，和手動撤除的按鈕AN4與監(jiān)控系統(tǒng)制動器撤除（制動器上腔充氣、下腔排氣）的DO量，而放棄原監(jiān)控系統(tǒng)延時控制上腔排氣的DO量線路。增加一個制動器上腔氣壓開關1YK控制的中間繼電器6KA(原1YK只將上腔有壓的信號送與監(jiān)控，優(yōu)化后該信號

16、由6KA送出)，并增加一個在制動風閘撤除后延時排掉上腔氣壓的延時繼電器1SJ。當制動器撤除后（制動器上腔充氣、下腔排氣）后，由制動器落下的行程開關（J1至J6）控制的繼電器3KA勵磁，制動器上腔有壓的繼電器6KA也勵磁，控制延時繼電器1SJ勵磁，經(jīng)10秒的延時后，1SJ的常開接點動作，制動器上腔排氣，上腔無壓后6KA失電，控制1SJ失電。這樣即可保證無論是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令或是PC2柜的按鈕都能循環(huán)、可靠的控制制動風閘的投入、撤除。4.3制動風閘系統(tǒng)的發(fā)展方向做為一個有著幾十年運行經(jīng)驗的系統(tǒng)，制動風閘有著比較成熟的設計思路和運行經(jīng)驗，同時由于該系統(tǒng)的輔助設備角色，在大多數(shù)情況，該系統(tǒng)設計簡單。由于該系統(tǒng)投入使用率不高的問題，有些設備隱患長期存在也難于被發(fā)現(xiàn)，在關鍵時候的拒動誤動或者動作不到位的故障發(fā)生，都會影響到機組的穩(wěn)定和設備的安全。因此在水輪發(fā)電機機組體積越來越巨型，功率越來越高的形勢下，制動風閘系統(tǒng)應該在未來的發(fā)展中具備更高的系統(tǒng)要求和控制精度。隨著