抽水蓄能电站机械制动控制原理及应用

张博伦

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 引言

抽水蓄能机组具有启动频繁、水头高、双向旋转运行等特点，在电网中一般承担着调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。机械制动系统是抽水蓄能机组发电电动机的重要辅助设备，GB/T 20834—2014《发电电动机基本技术条件》中规定发电电动机应同时设置机械制动和电气制动装置。正常停机一般在转速下降至50%额定转速时投入电气制动，转速继续下降至5%额定转速时，再投入机械制动直至停机。

机械制动高速投入、带机械制动升速等恶性故障偶有发生，可能造成发电电动机粉尘污染、机组轴系偏移、制动环损坏等严重后果，严重影响机组的安全稳定运行。通过对机械制动系统的改进优化，可以显著降低故障发生概率，提高机组的安全性和可靠性。

2 机械制动原理阐述

2.1 低压气系统原理图

沙河抽水蓄能电站机械制动系统由4只制动风闸、1套移动式顶转子油泵、制动环及相关管路等组成。正常工作时，机械制动由低压气系统供气。低压气系统由4台低压气机、1个检修用气贮气罐、1个制动用气贮气罐及相关管路及辅助设备所组成。其中，3号、4号低压气机为2011年新增设备，1号、2号低压气机为2014年春季检修新换设备。检修状态时，可使用移动式顶转子油泵通过给油管路加压顶转子，起到制动作用。如图1所示。

图1 低压气系统图

2.2 机械制动原理流程

机组停机时，测量机组转速信号，此信号源应采用多通道方式，例如齿盘测速或PT冗余测速信号，防止信号丢失导致风闸误动。待导叶全关、机组出口断路器分闸位置、转速测量装置正常、机组转速小于设定值条件满足后，机械制动投入令输出，机械制动投电磁阀动作，机组风闸加压，待机组速度降为0，风闸泄压分开，风闸回到复位位置，向上位机传递1号、2号、3号、4号风闸复位信号，机械制动过程完成。

3 机械制动的一般原则及控制方式优化

3.1 一般原则

（1）机械制动控制回路应简单、高效、可靠，适应机组抽水、发电工况的运行要求，保证能够安全停机，并满足各种工况转换的要求。

（2）机械制动控制回路应充分发挥软硬件资源相结合的优势，提高机组自动化监控水平，降低人工失误概率。

（3）机械制动逻辑输入输出程序必须考虑机组转速、出口开关位置、主进水阀位置等信号的影响，形成安全闭锁。锁定条件下，当相关信号异常时，闭锁机械制动，防止机械制动误动或拒动。

3.2 控制方式优化

3.2.1 机组正常停机时机械制动控制方式

机组正常停机时，停机顺控流程如下：降低机组有功、无功，关闭导叶、分机组出口断路器，关闭主阀，消除励磁，推力循环油泵投入，机组转速低于5%Ne时投入机械制动，直至转速降至0%，正常停机完成。流程如图2所示。

图2 机械制动投入逻辑图

3.2.2 机组电气事故停机时机械制动控制方式

当机组运行时，发生电气干扰，紧急停机时间较短，当机组转速低于90%Ne时，高压油系统会锁定电制动，因此在机组转速低于额定转速25%的情况下，投入风闸至机组转速降至0，减少机组惰性运行时间，保护机组推力轴承。相比正常停机过程，机械制动将在更高的转速下启动。

3.2.3 机组发生蠕动时机械制动控制方式

由于水轮机导叶关闭不严，导致机组蠕动，易对导轴承及推力轴承造成损害，出现烧瓦事故，所以需要引入机械制动，消除机组蠕动以此保护轴承。

3.2.4 机组发生带机械制动升速（加闸）的控制方式

机组带机械制动时的转速提升会造成电机粉尘污染，极大程度上损害风闸机械部件的安全性和稳定性。该故障通常发生在机组启机或停机的过程中，为防止此故障发生，一般采取下列控制方式：

（1）测速装置发出警报时，将机械制动投入信号闭锁，并将机械制动退出。

（2）将“机械制动无压”及“风闸已复位”信号作为机组转速上升的条件，条件不满足时，闭锁机组转速继续上升。

（3）为防止单个转速5%信号故障误报导致机械制动异常投入，可在机械制动投退电磁阀回路上，增加一路转速信号回路，确认转速信号无误后，正确投入机械制动。

4 事故案例分析

4.1 事故案例分析1

4.1.1 事故现象

某日，沙河抽水蓄能电站1号机停机过程，上位机报1号制动风闸未复位。

当值值长通知检修人员进厂消缺，现地检查发现1号风闸复位后信号未可靠动作，传感器动作行程不够，无法到位，无法传送复位信号至上位机。

4.1.2 缺陷原因分析

检修人员现地调整1号风闸压紧行程，手动投退风闸多次，信号动作恢复正常。检查1号机组其他3只风闸，风闸锁定位置正常，螺栓紧固无松动，传感器位置正常。经检修人员检查判断后，认为原因为传感器动作行程不够引起。另外，也与机组制动风闸部件检查周期偏长有关（每年两次，结合年度C、D检修开展）。

4.1.3 后续处理情况

检修人员利用1号机D级检修对风闸进行全面检查和保养，实测4只风闸刹车板厚度为20 mm，刹车板与制动环距离为15 mm，与上次检修数据比较，风闸刹车板无磨损，与制动环之间距离无变化。对4只风闸的弹簧涂抹润滑油，确保动作顺畅。调整4只风闸压紧行程，增加2 mm垫片确保信号到位。检查风闸制动用气管路，无漏点。对4只风闸的复位导轨涂抹润滑油，确保动作顺畅。结合检修对1号、2号机制动风闸本体进行全面检查，复测闸板厚度，检查信号反馈回路，检查风闸制动用气管路。

4.2 事故案例分析2

4.2.1 事故现象

某日，沙河抽水蓄能电站1号机停机过程，2号制动风闸未复位。当值值长通知检修人员进厂消缺，现地检查发现1号机2号制动风闸锁定松动，导致风闸退出时未能完全到位。

4.2.2 缺陷原因分析

检修人员将1号机2号制动风闸锁定调整到位，螺栓紧固，并上螺纹锁固胶。组织人员检查1号机其他3只风闸，对风闸锁定螺栓重新上螺纹锁固胶并紧固。进行风闸投退试验多次，风闸动作及信号反馈均正常，如图3、图4所示。缺陷原因为：1号机振动引起2号制动风闸锁定松动，导致风闸退出时未能完全到位。另外，机组制动风闸部件检查周期偏长（结合年度检修每年检查两次），未及时发现设备缺陷。

图3 风闸故障检查

图4 风闸锁定螺栓紧固

4.2.3 后续处理情况

举一反三，对2号机4只风闸进行检查。调整定期工作，由每半年一次缩短至每季度一次对1号、2号机风洞内机械部件进行全面检查。

5 结束语

抽水蓄能电站中机械制动的高速投入、高速加闸和未投入将导致严重的负面后果。完善的控制方式和设计是确保抽水蓄能机组可靠运行的基础。文中描述了机械制动装置在不同运行工况甚至异常工况下的机械制动控制方式优化，包括正常停机、事故停机、机组蠕动以及加闸等情况的控制方式优化。最后对两起机械制动故障案例进行分析，对抽水蓄能电站的机械制动控制设计优化具有一定的借鉴意义。