三峽左岸電站發(fā)電機電氣制動開關(guān)裝置的設(shè)計概要

1、三峽左岸電站發(fā)電機電氣制動開關(guān)裝置的設(shè)計趙鑫 長江水利委員會設(shè)計院，湖北武漢430010）摘要：介紹了三峽左岸電站發(fā)電機電氣制動開關(guān)裝置的參數(shù)、結(jié)構(gòu)和布置等，闡述了對發(fā)電機制動運行工 況的分析和制動開關(guān)與封閉母線的連接、電壓互感器配置等技術(shù)問題的解決方案。關(guān)鍵詞： 電氣制動； 開關(guān)裝置； 發(fā)電機； 設(shè)計； 三峽中圖分類號：TV 734 文獻標(biāo)識碼：B三峽左岸電站裝設(shè)14臺額定功率為700 MW的水輪發(fā)電機組，發(fā)電機單機額定容量為778 MVA、最大容量為840 MVA ；發(fā)電機正常停機時采用電氣制動加機械制動的混合制動方式，即兩套制動方式配合使用；當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降到 50%額定轉(zhuǎn)速時，電氣制動

2、系統(tǒng)投入運行；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的10%時，機械制動系統(tǒng)投入運行；制動時間限制在300 s以內(nèi)。電氣制動采用定子繞組三相對稱短路，轉(zhuǎn)子加勵磁使定子繞組有等于最大容量運行工況時電流值的制 動電流流過，產(chǎn)生電制動力矩，實現(xiàn)電氣制動。發(fā)電機制動開關(guān)裝置作為電氣制動系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一， 其功能為用于發(fā)電機定子繞組三相對稱短路，應(yīng)具有大容量、能高速合閘、三相聯(lián)動操作等技術(shù)性能。三 峽左岸電站水輪發(fā)電機組選用HEC3型SF6發(fā)電機斷路器作為發(fā)電機電氣制動開關(guān)裝置，據(jù)此進行了電氣制動開關(guān)裝置的設(shè)計。1結(jié)構(gòu)、布置和參數(shù)選定1.1結(jié)構(gòu)和布置發(fā)電機制動開關(guān)裝置主要由HEC3型SF6發(fā)電機斷路器和三相短接線兩部

3、分組成。HEC3型SF6發(fā)電機斷路器為水平布置的三相整體結(jié)構(gòu)，三個帶金屬封閉外殼的單相滅弧室（斷路器）和液壓彈簧操作機構(gòu)、控制柜等設(shè)置在一個共用的金屬結(jié)構(gòu)底盤支架上，斷路器采用三相機械聯(lián)動、液壓彈簧機構(gòu)操作的方式。 在每臺套制動開關(guān)裝置的動觸頭（發(fā)電機主回路離相封閉母線）側(cè)裝設(shè)3組（9臺）電壓互感器，電壓互感器為環(huán)氧樹脂澆注單相結(jié)構(gòu)，每相3臺置于單相金屬封閉外殼內(nèi)；在每臺套制動開關(guān)裝置的另一端（靜觸頭側(cè)）金屬封閉外殼內(nèi)裝設(shè)3個單相接地開關(guān)，接地開關(guān)三相機械聯(lián)動，三相共用一個電動機構(gòu)。發(fā)電機制動開關(guān)裝置的三相短接線采用封閉母線，裝于制動開關(guān)裝置的靜觸頭側(cè)。三峽左岸電站每臺發(fā)電機配置一套發(fā)電機制動

4、開關(guān)裝置，制動開關(guān)裝置布置安裝于各機組段75.3 m高程上游副廠房內(nèi)，制動開關(guān)裝置動觸頭側(cè)端子與發(fā)電機主回路離相封閉母線垂直段T接頭水平連接。1.2制動運行工況分析三峽左岸電站水輪發(fā)電機的正常停機制動可采用兩種方式，一種方式是在發(fā)電機轉(zhuǎn)速降至50% 60%額定轉(zhuǎn)速時投入電氣制動裝置， 經(jīng)5 min左右機組全停；另一種方式是在發(fā)電機轉(zhuǎn)速降至 50%60%額定轉(zhuǎn) 速時投入電氣制動，轉(zhuǎn)速降至 5% 10%的發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速時投入機械制動，制動時間可縮短一些。當(dāng)發(fā)電機停機轉(zhuǎn)速降至50%60%額定轉(zhuǎn)速時，由于發(fā)電機磁路存在剩磁，發(fā)電機端存在剩磁電壓，因此，當(dāng)制動開關(guān)短接發(fā)電機端子將產(chǎn)生電流。剩磁一般小于額

5、定磁場的3%,大機組占的比例較小，一般300 MW以上機組在2%以下；為適當(dāng)留有安全余度，三峽左岸電站水輪發(fā)電機的剩磁按額定磁場的2.5%考慮，相應(yīng)發(fā)電機端剩磁電壓亦約為發(fā)電機額定電壓（20 kV ）的2.5%，即500V ;三峽左岸電站水輪發(fā)電機的直軸次暫態(tài)電抗標(biāo)幺值為0.2，因此，在 制動開關(guān) 投入瞬間，電流（標(biāo)幺值）l*=E*/Xd ，其中，E*=0.025 , Xd =0.2,貝U I*=0.125 （標(biāo)幺值），三峽左岸電站水輪發(fā)電機的額定電流為24 250 A，制動開關(guān)投入時的電流約為 3 031A。在制動開關(guān) 投入后，電氣制動的控制裝置將增加發(fā)電機勵磁，流過電氣制動裝置的電流迅速上

6、升至約為發(fā)電機的額定電流，即24 250 A。由此分析可知，三峽左岸電站發(fā)電機制動開關(guān)裝置的制動運行工況為：制動開關(guān)投入瞬間，電壓約為500 V，電流約為3 031 A ;制動開關(guān) 投入后電流快速上升至 24 250 A，制動時間約為 5 min。另外，按水輪發(fā)電機組啟動驗收有關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，水輪發(fā)電機在進行短路干燥試驗時，電流不宜 超過發(fā)電機額定電流的 50%，溫升不宜超過 8C /h;為了便于運行操作，優(yōu)化發(fā)電機主回路離相封閉母線 的結(jié)構(gòu)，不在封閉母線上設(shè)置進行發(fā)電機短路干燥的專用接口，可利用發(fā)電機制動開關(guān)裝置進行發(fā)電機短 路干燥。根據(jù)上述有關(guān)三峽左岸電站發(fā)電機制動開關(guān)裝置的制動運行工況

7、分析，考慮制動開關(guān)的電氣壽命（關(guān) 合時動、靜觸頭的燒損），提高發(fā)電機制動開關(guān)裝置的檢修周期，適當(dāng)留有安全余度，并兼顧發(fā)電機短路 干燥試驗的需要，發(fā)電機制動開關(guān)裝置的額定電流選定為12 kA ；并與制造商ABB公司協(xié)商確定制動開關(guān)不檢修關(guān)合4000A電流的次數(shù)為9 000次，便于電站運行管理。1.3溫升采購合同規(guī)定，發(fā)電機制動開關(guān)裝置在制動運行工況（26 kA、10 min ）和水輪發(fā)電機進行短路干燥試驗時（12 kA持續(xù)運行），各部位的溫升（溫度）均應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其中，導(dǎo)體的溫升（溫度）不 超過50 K （90C）,外殼的溫升（溫度）不超過 30 K （ 70C）。根據(jù)制造商提供的資料

8、可知，因制動工況 屬于短時（最長不超過 10 min ）運行工況，即使發(fā)電機制動開關(guān)裝置運行電流（26 kA ）超過額定電流（12kA ）的1倍多，但其溫升十分有限；制造商在早期產(chǎn)品HEK3型開關(guān)（與HEC3型開關(guān)具有相同的尺寸和參數(shù)）進行溫升試驗時，施加預(yù)熱電流20 kA/60Hz/10min，溫升約為10 K，制造商計算分析認(rèn)為 HEC3型開關(guān)在制動運行工況（26 kA、10min）時的溫升約為16 K至20 K ;發(fā)電機制動開關(guān)裝置三相短接線（封 閉母線）的溫升（溫度）制造商亦進行了計算，12 kA持續(xù)運行導(dǎo)體的溫升（溫度）約為 44.3K（84.3 C ）,外殼的溫升（溫度）約為20

9、K（60 C ），制動運行工況（26 kA、10min）導(dǎo)體的溫升（溫度）約為38 K（78 C）, 外殼的溫升（溫度）約為18 K（58 C）;由于實際運行中制動時間不會超過5 min，因此在發(fā)電機制動運行時，發(fā)電機制動開關(guān)裝置的溫升是比較低和安全的。1.4技術(shù)參數(shù)選定（1 ）額定電壓 24 kV（2 ）額定電流 12 kA（3 ）制動電流26 kA（4 ）制動時間 > 10 min（5）制動開關(guān)合閘時間< 50 ms（6 ）相間不同期性分、合閘操作< 2ms（7） 額定短路關(guān)合電流（峰值）300 kA（8） 額定峰值耐受電流300 kA（9） 額定短時耐受電流和持續(xù)時間1

10、10 kA , 3s（10）電氣壽命關(guān)合開斷額定電流的次數(shù)600次關(guān)合額定電流的次數(shù)5 000次關(guān)合6 000A電流的次數(shù)8 000次關(guān)合4 000A電流的次數(shù)9 000次2制動開關(guān)裝置的相關(guān)設(shè)計2.1與母線的連接設(shè)計根據(jù)廠房電氣設(shè)備布置設(shè)計，發(fā)電機制動開關(guān)裝置動觸頭側(cè)端子與發(fā)電機主回路離相封閉母線垂直段 T接頭水平連接，由于廠房結(jié)構(gòu)限制，開關(guān)與母線連接時需A、C相母線向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)約 30。的彎進行過渡，因此，T接頭實際上是一小段分支回路封閉母線，其導(dǎo)體直徑約500 mm，厚度約15 mm,外殼直徑約975mm，厚度約 7 mm。按HEC3型開關(guān)制造商 ABB公司的常規(guī)方式，HEC3型開關(guān)與封閉母

11、線的連接導(dǎo)體采用軟聯(lián)接，外殼采用焊接?？紤]到發(fā)電機主回路離相封閉母線垂直段的位移、基礎(chǔ)不均勻沉陷等可能因素的影響，外殼連 接亦采用軟聯(lián)接，即封閉母線制造商提供連接環(huán)并將其焊接到HEC3型開關(guān)的外殼上，連接環(huán)與封閉母線外殼采用橡皮套進行連接和密封。2.2電壓互感器的配置在一般情況下，為滿足發(fā)電機回路勵磁、調(diào)速器、保護、儀表等功能要求，每個發(fā)電機一變壓器組單元回路中均配置 4組（12臺雙繞組）電壓互感器， 裝于電壓互感器柜內(nèi)并作為發(fā)電機主回路離相封閉母線 的配套設(shè)備。三峽左岸電站采用HEC3型SF6發(fā)電機斷路器作為發(fā)電機制動開關(guān)裝置后，由于HEC3型開關(guān)類似于發(fā)電機回路中的組合式電器，可集成電壓互

12、感器、電流互感器、接地開關(guān)等設(shè)備，故取消了常規(guī) 方式中的電壓互感器柜，將發(fā)電機回路中的電壓互感器裝于HEC3型開關(guān)金屬封閉外殼內(nèi)，以達(dá)到簡化三峽左岸電站發(fā)電機電壓設(shè)備布置的目的。但發(fā)電機一變壓器組的接線和發(fā)電機制動開關(guān)裝置的運行方式，要求將所有電壓互感器裝于 HEC3型開關(guān)的動觸頭（發(fā)電機主回路離相封閉母線）側(cè)，而標(biāo)準(zhǔn)定型的HEC3 型開關(guān)單相金屬封閉外殼內(nèi)的有效空間，對電壓互感器的臺數(shù)和對應(yīng)一定參數(shù)（容量、精確級等）的電壓 互感器體積有嚴(yán)格限制； 因此，經(jīng)過對三峽左岸電站發(fā)電機回路中所需電壓互感器容量等參數(shù)的計算分析， 與ABB公司協(xié)商確定在每臺套發(fā)電機制動開關(guān)裝置的動觸頭側(cè)裝設(shè)9臺三繞組（

13、每相3臺）電壓互感器，其主要參數(shù)如下：（1）額定電壓24 kV（2）額定頻率50 Hz（3）型式單相，環(huán)氧樹脂（4）聯(lián)結(jié)及變比1#電壓互感器：Y/Y/開口三角形，20 kV/3/100 V /3/100 V /32#電壓互感器：Y/Y/開口三角形，20 kV/3/100 V /3/100 V /33#電壓互感器：Y/Y/Y ，20 kV/3/100 V /3/100 V /3（5 ）二次繞組精確級和容量1#電壓互感器：0.2/45VA/ 單相，3P/100VA開口三角形2#電壓互感器:3P/100VA/ 單相,3P/100VA開口三角形3#電壓互感器：0.2/35VA/ 單相，3P/10VA/ 單相2.3電氣控制每臺發(fā)電機制動開關(guān)裝置均配置1臺控制柜，柜中包括所需的全部機械和電氣控制部件，實現(xiàn)對制動開關(guān)裝置的遠(yuǎn)方和現(xiàn)地操作，接收和執(zhí)行計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的分、合閘指令并與500 kV高壓側(cè)單元斷路器、勵磁和調(diào)速系統(tǒng)等實現(xiàn)電氣聯(lián)鎖。3結(jié)束語自上個世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)已有多個水電站的發(fā)電機采用電氣制動，其電氣制動開關(guān)主要為隔離 開關(guān)（快速或帶有輔助觸頭）和發(fā)電機斷路器兩種形式；發(fā)電機斷路器性能較好，但價格昂貴，而且體積 大，布置困難，導(dǎo)致使用者很少；隔