三峡左岸电站发电机电气制动开关装置的设计 赵鑫 摘要：介绍了三峡左岸电站发电机电气制动开关装置的参数、结构和布置等，阐述了对发电机制动运行工况的分析和制动开关与封闭母线的连接、电压互感器配置等技术问题的解决方案。 三峡左岸电站装设14台额定功率为700MW的水轮发电机组，发电机单机额定容量为778MVA、最大容量为840 MVA；发电机正常停机时采用电气制动加机械制动的混合制动方式，即两套制动方式配合使用；当发电机转速下降到50%额定转速时，电气制动系统投入运行；当转速下降到额定转速的10%时，机械制动系统投入运行；制动时间限制在300s以内。 电气制动采用定子绕组三相对称短路，转子加励磁使定子绕组有等于最大容量运行工况时电流值的制动电流流过，产生电制动力矩，实现电气制动。发电机制动开关装置作为电气制动系统中的主要设备之一，其功能为用于发电机定子绕组三相对称短路，应具有大容量、能高速合闸、三相联动操作等技术性能。三峡左岸电站水轮发电机组选用HEC3型SF6发电机断路器作为发电机电气制动开关装置，据此进行了电气制动开关装置的设计。 1 结构、布置和参数选定 1.1 结构和布置 发电机制动开关装置主要由HEC3型SF6发电机断路器和三相短接线两部分组成。HEC3型SF6发电机断路器为水平布置的三相整体结构，三个带金属封闭外壳的单相灭弧室（断路器）和液压弹簧操作机构、控制柜等设置在一个共用的金属结构底盘支架上，断路器采用三相机械联动、液压弹簧机构操作的方式。在每台套制动开关装置的动触头（发电机主回路离相封闭母线）侧装设3组（9台）电压互感器，电压互感器为环氧树脂浇注单相结构，每相3台置于单相金属封闭外壳内；在每台套制动开关装置的另一端（静触头侧）金属封闭外壳内装设3个单相接地开关，接地开关三相机械联动，三相共用一个电动机构。发电机制动开关装置的三相短接线采用封闭母线，装于制动开关装置的静触头侧。 三峡左岸电站每台发电机配置一套发电机制动开关装置，制动开关装置布置安装于各机组段75.3m高程上游副厂房内，制动开关装置动触头侧端子与发电机主回路离相封闭母线垂直段T接头水平连接。 1.2 制动运行工况分析 三峡左岸电站水轮发电机的正常停机制动可采用两种方式，一种方式是在发电机转速降至50%～60%额定转速时投入电气制动装置，经5min左右机组全停；另一种方式是在发电机转速降至50%～60%额定转速时投入电气制动，转速降至5%～10%的发电机额定转速时投入机械制动，制动时间可缩短一些。 当发电机停机转速降至50%～60%额定转速时，由于发电机磁路存在剩磁，发电机端存在剩磁电压，因此，当制动开关短接发电机端子将产生电流。剩磁一般小于额定磁场的3%，大机组占的比例较小，一般300 MW以上机组在2%以下；为适当留有安全余度，三峡左岸电站水轮发电机的剩磁按额定磁场的2.5%考虑，相应发电机端剩磁电压亦约为发电机额定电压（20 kV）的2.5%，即500V；三峡左岸电站水轮发电机的直轴次暂态电抗Xd″标幺值为0.2，因此，在 制动开关 投入瞬间，电流（标幺值）I*=E*/Xd″，其中，E*=0.025，Xd″=0.2，则I*=0.125（标幺值），三峡左岸电站水轮发电机的额定电流为24250A，制动开关 投入时的电流约为3031A。在制动开关 投入后，电气制动的控制装置将增加发电机励磁，流过电气制动装置的电流迅速上升至约为发电机的额定电流，即24250A。 由此分析可知，三峡左岸电站发电机制动开关装置的制动运行工况为：制动开关 投入瞬间，电压约为500 V，电流约为3031A；制动开关 投入后电流快速上升至24250A，制动时间约为5min。 另外，按水轮发电机组启动验收有关规程规范的规定，水轮发电机在进行短路干燥试验时，电流不宜超过发电机额定电流的50%，温升不宜超过 8℃/h；为了便于运行操作，优化发电机主回路离相封闭母线的结构，不在封闭母线上设置进行发电机短路干燥的专用接口，可利用发电机制动开关装置进行发电机短路干燥。 根据上述有关三峡左岸电站发电机制动开关装置的制动运行工况分析，考虑制动开关的电气寿命（关合时动、静触头的烧损），提高发电机制动开关装置的检修周期，适当留有安全余度，并兼顾发电机短路干燥试验的需要，发电机制动开关装置的额定电流选定为12kA；并与制造商ABB公司协商确定制动开关不检修关合4000A电流的次数为9000次，便于电站运行管理。 1.3 温升 采购合同规定，发电机制动开关装置在制动运行工况（26kA、10min）和水轮发电机进行短路干燥试验时（12kA持续运行），各部位的温升（温度）均应满足相关标准的规定，其中，导体的温升（温度）不超过50K（90℃），外壳的温升（温度）不超过30K（70℃）。根据制造商提供的资料可知，因制动工况属于短时（最长不超过10min）运行工况，即使发电机制动开关装置运行电流（26kA）超过额定电流（12kA）的1倍多，但其温升十分有限；制造商在早期产品HEK3型开关（与HEC3型开关具有相同的尺寸和参数）进行温升试验时，施加预热电流20kA/60Hz/10min，温升约为10K，制造商计算分析认为HEC3型开关在制动运行工况（26 kA、10min）时的温升约为16K至20K；发电机制动开关装置三相短接线（封闭母线）的温升（温度）制造商亦进行了计算，12kA持续运行导体的温升（温度）约为44.3K(84.3℃)，外壳的温升（温度）约为20 K(60℃)，制动运行工况（26kA、10min）导体的温升（温度）约为38 K(78℃)，外壳的温升(温度)约为18 K(58℃)；由于实际运行中制动时间不会超过5min，因此在发电机制动运行时，发电机制动开关装置的温升是比较低和安全的。 1.4 技术参数选定 （1）额定电压 24kV 2 制动开关装置的相关设计 2.1 与母线的连接设计 根据厂房电气设备布置设计，发电机制动开关装置动触头侧端子与发电机主回路离相封闭母线垂直段T接头水平连接，由于厂房结构限制，开关与母线连接时需A、C相母线向内侧转约30°的弯进行过渡，因此，T接头实际上是一小段分支回路封闭母线，其导体直径约500mm，厚度约15mm，外壳直径约975mm，厚度约7mm。 按HEC3型开关制造商ABB公司的常规方式，HEC3型开关与封闭母线的连接导体采用软联接，外壳采用焊接。考虑到发电机主回路离相封闭母线垂直段的位移、基础不均匀沉陷等可能因素的影响，外壳连接亦采用软联接，即封闭母线制造商提供连接环并将其焊接到HEC3型开关的外壳上，连接环与封闭母线外壳采用橡皮套进行连接和密封。 2.2 电压互感器的配置 在一般情况下，为满足发电机回路励磁、调速器、保护、仪表等功能要求，每个发电机—变压器组单元回路中均配置4组（12台双绕组）电压互感器，装于电压互感器柜内并作为发电机主回路离相封闭母线的配套设备。三峡左岸电站采用HEC3型SF6发电机断路器作为发电机制动开关装置后，由于HEC3型开关类似于发电机回路中的组合式电器，可集成电压互感器、电流互感器、接地开关等设备，故取消了常规方式中的电压互感器柜，将发电机回路中的电压互感器装于HEC3型开关金属封闭外壳内，以达到简化三峡左岸电站发电机电压设备布置的目的。但发电机—变压器组的接线和发电机制动开关装置的运行方式，要求将所有电压互感器装于HEC3型开关的动触头（发电机主回路离相封闭母线）侧，而标准定型的HEC3型开关单相金属封闭外壳内的有效空间，对电压互感器的台数和对应一定参数（容量、精确级等）的电压互感器体积有严格限制；因此，经过对三峡左岸电站发电机回路中所需电压互感器容量等参数的计算分析，与ABB公司协商确定在每台套发电机制动开关装置的动触头侧装设9台三绕组（每相3台）电压互感器，其主要参数如下： （1）额定电压 24kV 2.3 电气控制 每台发电机制动开关装置均配置1台控制柜，柜中包括所需的全部机械和电气控制部件，实现对制动开关装置的远方和现地操作，接收和执行计算机监控系统发出的分、合闸指令并与500kV高压侧单元断路器、励磁和调速系统等实现电气联锁。 3 结束语 自上个世纪60年代以来，国内已有多个水电站的发电机采用电气制动，其电气制动开关主要为隔离开关（快速或带有辅助触头）和发电机断路器两种形式；发电机断路器性能较好，但价格昂贵，而且体积大，布置困难，导致使用者很少；隔离开关结构简单，价格低，便于布置，故其使用者较多；但因合闸时电流较大、动作（停机）频繁或动作速度低等原因而容易产生触头烧损，在国内个别水电站中曾经发生过触头烧损的事故。因此，对于三峡工程而言，为了保证单机容量700MW的特大型机组运行安全，三峡左岸电站选用HEC3型SF6发电机断路器作为发电机电气制动开关是合适的。但参数选择、与封闭母线的连接、电压互感器的配置等技术问题应慎重对待，才能确保发电机制动开关装置的安全、稳定运行。
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