制動風(fēng)閘電氣部分基本原理

1、制動風(fēng)閘電氣部分基本原理摘要：我國水輪發(fā)電機(jī)采取的制動方式一般有兩種：電氣制動和機(jī)械制動。電氣制動可以減少機(jī)組軸承、制動閘、制動環(huán)的磨損和機(jī)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(shè)備環(huán)境要求高的問題，一般水電廠的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)采用純機(jī)械制動的方式，而較為先進(jìn)的水電廠都采用電氣制動與機(jī)械制動相結(jié)合的方式。本文著重對機(jī)械制動電氣部分基本原理進(jìn)行闡述，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，對制動風(fēng)閘的自動控制情況加以說明。關(guān)鍵詞： 制動 風(fēng)閘 電氣水輪發(fā)電機(jī)在停機(jī)過程中，進(jìn)行制動可有效的減少停機(jī)時間，減少機(jī)組在低于額定轉(zhuǎn)速的游走時間，減少機(jī)組軸承磨損以及低轉(zhuǎn)速下摩擦引起的過熱燒瓦。在葛洲壩二江電廠的調(diào)速

2、系統(tǒng)中，停機(jī)過程導(dǎo)葉采用了分段快速關(guān)閉，與此相配合在機(jī)組轉(zhuǎn)速低于15%額定轉(zhuǎn)速時，投入制動風(fēng)閘，保證機(jī)組停機(jī)過程中轉(zhuǎn)速的快速控制；三峽電廠水輪發(fā)電機(jī)采用電氣制動與機(jī)械制動相結(jié)合的方式，停機(jī)過程中導(dǎo)葉采用快速分段關(guān)閉的方式，機(jī)組轉(zhuǎn)速低于額定50%時投入電氣制動，轉(zhuǎn)速低于15%額定轉(zhuǎn)速時，投入機(jī)械風(fēng)閘制動，并且在停機(jī)過程中投入高壓油系統(tǒng)，以保證機(jī)組能夠以快速、穩(wěn)定、安全的方式轉(zhuǎn)換運(yùn)行工況。在建的溪洛渡水發(fā)電廠也是采用電氣制動與機(jī)械制動相結(jié)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(fēng)閘電氣部分在結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用上加以闡述。一、制動風(fēng)閘的組成和結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)制動器（俗稱風(fēng)閘）是機(jī)組機(jī)械

3、制動系統(tǒng)中的重要部件。機(jī)組制動系統(tǒng)由制動器、油風(fēng)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(jié)構(gòu)圖：圖1 制動器外觀圖圖2 制動器結(jié)構(gòu)圖制動器的作用包括以下幾方面： 避免機(jī)組停機(jī)過程中長時間在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，迅速制動（剎車）； 在機(jī)組安裝或檢修期間，可用作千斤頂頂起轉(zhuǎn)子； 對于停運(yùn)狀態(tài)的機(jī)組，可防止其轉(zhuǎn)動； 便于塑料瓦機(jī)組重新建立起油膜。1.2油風(fēng)回路油風(fēng)管路是制動器動作復(fù)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(fēng)管通道，為制動器的上下腔進(jìn)行充放氣，實(shí)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手自動控制裝置制

4、動風(fēng)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(yùn)行風(fēng)險，為其增設(shè)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(yù)，另一方面，手動操作的靈活性，為機(jī)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(fēng)閘的電氣部分制動風(fēng)閘電氣部分有兩個作用： 風(fēng)閘接點(diǎn)把風(fēng)閘的位移信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)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(jī)組LCU的流程判據(jù)以及運(yùn)行人員的操作提供依據(jù)； 機(jī)組LCU通過開出控制，發(fā)令投入或撤除制動風(fēng)閘

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

6、位保護(hù)。構(gòu)造：由操作頭、觸點(diǎn)系統(tǒng)和外殼組成。 在我們的制動系統(tǒng)中，行程開關(guān)被固定安裝在支架上，制動風(fēng)閘閘體上安裝固定剛性撥條，撥條隨風(fēng)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(guān)操作觸頭，行程開關(guān)內(nèi)部常開接點(diǎn)閉合，常關(guān)接點(diǎn)斷開；當(dāng)撥條離開固定位，行程開關(guān)操作觸頭復(fù)歸，內(nèi)部接點(diǎn)常開接點(diǎn)打開，常關(guān)接點(diǎn)閉合，從而實(shí)現(xiàn)制動風(fēng)閘實(shí)際位置信號由機(jī)械信號向電氣信號的轉(zhuǎn)變。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥是用電磁的效應(yīng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠

7、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(jìn)油孔是常開的，液壓油就會進(jìn)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(jī)械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機(jī)械運(yùn)動。在機(jī)械制動系統(tǒng)中，通過繼電器的動作接點(diǎn)來控制投風(fēng)閘、撤風(fēng)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(qū)動電磁閥閥芯動作，從而實(shí)現(xiàn)低

8、壓氣在管路中不同形式的流通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動風(fēng)閘不同的充壓泄壓方式，最終達(dá)到制動風(fēng)閘在自動或手動方式下，按照運(yùn)行規(guī)程動作的目的。圖7為機(jī)械制動電氣部分原理圖。圖7 機(jī)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(guān)量開出模塊，AI為模擬量輸入模塊，DI為開關(guān)量輸入模塊。三、制動風(fēng)閘在水電廠的應(yīng)用 在水電廠中，制動風(fēng)閘安裝在風(fēng)洞層，圍繞定子座環(huán)均勻布置。制動風(fēng)閘的行程開關(guān)的常開接點(diǎn)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(jìn)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(fù)責(zé)把風(fēng)閘的機(jī)械位置以圖表的形式

9、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(fēng)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(diǎn)閉合，連通電磁鐵動作的220V直流回路，驅(qū)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(jìn)入制動風(fēng)閘的下/上腔，制動風(fēng)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(wù)執(zhí)行。 在葛洲壩二江電廠的制動系統(tǒng)中，檢修需求的風(fēng)閘投退由運(yùn)行人員手動完成。機(jī)組運(yùn)行中的動作情況是這樣的:在機(jī)組接到停機(jī)令后，導(dǎo)葉分段關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至15%額定轉(zhuǎn)速時（7.5HZ），投入制動風(fēng)閘，導(dǎo)葉開度小于3%時投入鎖定，轉(zhuǎn)速

10、小于5%時， LCU檢查風(fēng)閘投入、鎖定投入、后延時60S撤除風(fēng)閘制動，投入緊停，機(jī)組進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。因?yàn)闄C(jī)組測速方式采用齒盤測速，因此在風(fēng)閘撤除后，如果機(jī)組還有低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，監(jiān)控系統(tǒng)會進(jìn)行蠕動報警，運(yùn)行人員進(jìn)入現(xiàn)場人為干預(yù)。圖8為監(jiān)控系統(tǒng)停機(jī)流程圖。圖8 監(jiān)控系統(tǒng)停機(jī)流程圖三峽電廠機(jī)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(jī)組，在停機(jī)階段，50%額定轉(zhuǎn)速時投入電氣制動方式，以減少機(jī)組低速運(yùn)行的時間，加快停機(jī)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(fēng)閘的改進(jìn)要求和發(fā)展方向 制動風(fēng)閘的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在機(jī)組的正常運(yùn)行過程中經(jīng)常存在風(fēng)閘的誤動拒動情況，嚴(yán)

11、重時直接導(dǎo)致機(jī)組制動環(huán)磨損，風(fēng)閘損壞，產(chǎn)生大量煙塵，造成機(jī)組強(qiáng)迫性檢修和慘重的經(jīng)濟(jì)損失。因此制動風(fēng)閘不僅僅是簡單的接點(diǎn)信號返回，動作命令下發(fā)，在細(xì)節(jié)處理和流程執(zhí)行條件把握上應(yīng)該給予更多的思考。 4.1誤動 拒動制動風(fēng)閘的誤動主要有以下原因：1） 流程編寫不嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)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(diǎn)抖動出現(xiàn)的誤動4） 回路接線錯誤出現(xiàn)的誤動 制動風(fēng)閘的拒動主要有以下原因：1） 流程編寫不嚴(yán)謹(jǐn)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(fēng)閘拒動針對以上誤動原因，制動風(fēng)閘系統(tǒng)應(yīng)做以下改進(jìn)：1） 完

12、善流程的執(zhí)行判斷條件，對投風(fēng)閘、撤風(fēng)閘的執(zhí)行條件進(jìn)行更為細(xì)致的論證；同時，增加機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)閘誤投后立即撤除風(fēng)閘的程序流程，最大限度的保護(hù)運(yùn)行中的設(shè)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(fēng)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(shè)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(jìn)行報警，以及時提醒維護(hù)人員現(xiàn)場處理；5） 為防止出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)速測量信號直接消失，導(dǎo)致的系統(tǒng)誤認(rèn)為機(jī)組轉(zhuǎn)速低于15%投風(fēng)閘的故障發(fā)生，在投制動風(fēng)閘

13、的流程執(zhí)行中，應(yīng)加入機(jī)端頻率、導(dǎo)葉開度等必要的判斷條件。4.2制動風(fēng)閘系統(tǒng)的優(yōu)化舉例說明制動風(fēng)閘系統(tǒng)的優(yōu)化方式。機(jī)組的風(fēng)閘制動器分上、下兩腔，采用2個電磁閥(1DK和2DK)進(jìn)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(fēng)閘投退操作可采用3種方式進(jìn)行，其控制邏輯如下表1：表1：風(fēng)閘投退動作邏輯操作方式風(fēng)閘投入風(fēng)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(fēng)閘投入DO指令制動柜ZDT1接點(diǎn)動作下腔充氣LCU發(fā)風(fēng)閘拆除DO指令制動柜ZDT2接點(diǎn)動作上腔充氣/下腔排氣LCU在發(fā)風(fēng)閘撤除

14、指令延時15s發(fā)上腔排氣指令DO制動柜A-68/A-70接點(diǎn)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(diǎn)動作下腔充氣，按撤除按鈕AN4制動柜ZDT2接點(diǎn)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(jìn)行了風(fēng)閘的撤除操作，則在風(fēng)閘撤除后制動器上腔仍然充氣有壓，當(dāng)再次投入風(fēng)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(dǎo)致停機(jī)流程運(yùn)行到投風(fēng)閘步超時退出，停機(jī)失敗。為保證監(jiān)控系統(tǒng)程序、LCU的PC2柜、制動現(xiàn)地柜三

15、處都能對制動風(fēng)閘進(jìn)行協(xié)調(diào)、可靠的控制，故對制動風(fēng)閘的控制回路進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案經(jīng)分析電源電站機(jī)組風(fēng)閘制動的合理控制邏輯應(yīng)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(zhǔn)備。根據(jù)以上控制邏輯邏輯分析，改進(jìn)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(guān)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)化后該信號由

16、6KA送出)，并增加一個在制動風(fēng)閘撤除后延時排掉上腔氣壓的延時繼電器1SJ。當(dāng)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(guān)（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(diǎn)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(fēng)閘的投入、撤除。4.3制動風(fēng)閘系統(tǒng)的發(fā)展方向做為一個有著幾十年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)，制動風(fēng)閘有著比較成熟的設(shè)計思路和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時由于該系統(tǒng)的輔助設(shè)備角色，在大多數(shù)情況，該系統(tǒng)設(shè)計簡單。由于該系統(tǒng)投入使用率不高的問題，有些設(shè)備隱患長期存在也難于被發(fā)現(xiàn)，在關(guān)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(jī)組的穩(wěn)定和設(shè)備的安全。因此在水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組體積越來越巨型，功率越來越高的形勢下，制動風(fēng)閘系統(tǒng)應(yīng)該在未來的發(fā)展中具備更高的系統(tǒng)要求和控制精度。隨著時