1、三峽左岸電站發電機電氣制動開關裝置的設計趙鑫 長江水利委員會設計院，湖北武漢 430010）摘要：介紹了三峽左岸電站發電機電氣制動開關裝置的參數、結構和布置等，闡述了對發電機制動運行工況的分析和制動開關與封閉母線的連接、電壓互感器配置等技術問題的解決方案。關鍵詞： 電氣制動； 開關裝置； 發電機； 設計； 三峽中圖分類號：TV 734     文獻標識碼：B三峽左岸電站裝設14臺額定功率為700 MW的水輪發電機組，發電機單機額定容量為778 MVA、最大容量為840 MVA；發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；

2、當發電機轉速下降到50%額定轉速時，電氣制動系統投入運行；當轉速下降到額定轉速的10%時，機械制動系統投入運行；制動時間限制在300 s以內。電氣制動采用定子繞組三相對稱短路，轉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，產生電制動力矩，實現電氣制動。發電機制動開關裝置作為電氣制動系統中的主要設備之一，其功能為用于發電機定子繞組三相對稱短路，應具有大容量、能高速合閘、三相聯動操作等技術性能。三峽左岸電站水輪發電機組選用HEC3型SF6發電機斷路器作為發電機電氣制動開關裝置，據此進行了電氣制動開關裝置的設計。1結構、布置和參數選定1.1結構和布置發電機制動開關裝置主要由HEC

3、3型SF6發電機斷路器和三相短接線兩部分組成。HEC3型SF6發電機斷路器為水平布置的三相整體結構，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、控制柜等設置在一個共用的金屬結構底盤支架上，斷路器采用三相機械聯動、液壓彈簧機構操作的方式。在每臺套制動開關裝置的動觸頭（發電機主回路離相封閉母線）側裝設3組（9臺）電壓互感器，電壓互感器為環氧樹脂澆注單相結構，每相3臺置于單相金屬封閉外殼內；在每臺套制動開關裝置的另一端（靜觸頭側）金屬封閉外殼內裝設3個單相接地開關，接地開關三相機械聯動，三相共用一個電動機構。發電機制動開關裝置的三相短接線采用封閉母線，裝于制動開關裝置的靜觸頭側。三峽

4、左岸電站每臺發電機配置一套發電機制動開關裝置，制動開關裝置布置安裝于各機組段75.3 m高程上游副廠房內，制動開關裝置動觸頭側端子與發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電機的正常停機制動可采用兩種方式，一種方式是在發電機轉速降至50% 60%額定轉速時投入電氣制動裝置，經5 min左右機組全停；另一種方式是在發電機轉速降至50%60%額定轉速時投入電氣制動，轉速降至5% 10%的發電機額定轉速時投入機械制動，制動時間可縮短一些。當發電機停機轉速降至50%60%額定轉速時，由于發電機磁路存在剩磁，發電機端存在剩磁電壓，因此，當制動開關短接發電機端

5、子將產生電流。剩磁一般小于額定磁場的3%，大機組占的比例較小，一般300 MW以上機組在2%以下；為適當留有安全余度，三峽左岸電站水輪發電機的剩磁按額定磁場的2.5%考慮，相應發電機端剩磁電壓亦約為發電機額定電壓（20 kV）的2.5%，即500V；三峽左岸電站水輪發電機的直軸次暫態電抗Xd標幺值為0.2，因此，在 制動開關 投入瞬間，電流（標幺值）I*=E*/Xd，其中，E*=0.025，Xd=0.2，則I*=0.125（標幺值），三峽左岸電站水輪發電機的額定電流為24 250 A，制動開關 投入時的電流約為3 031A。在制動開關 投入后，電氣制動的控制裝置將增加發電機勵磁，流過電氣制動裝

6、置的電流迅速上升至約為發電機的額定電流，即24 250 A。由此分析可知，三峽左岸電站發電機制動開關裝置的制動運行工況為：制動開關 投入瞬間，電壓約為500 V，電流約為3 031 A；制動開關 投入后電流快速上升至24 250 A，制動時間約為5 min。另外，按水輪發電機組啟動驗收有關規程規范的規定，水輪發電機在進行短路干燥試驗時，電流不宜超過發電機額定電流的50%，溫升不宜超過 8/h；為了便于運行操作，優化發電機主回路離相封閉母線的結構，不在封閉母線上設置進行發電機短路干燥的專用接口，可利用發電機制動開關裝置進行發電機短路干燥。根據上述有關三峽左岸電站發電機制動開關裝置的制動運行工況分

7、析，考慮制動開關的電氣壽命（關合時動、靜觸頭的燒損），提高發電機制動開關裝置的檢修周期，適當留有安全余度，并兼顧發電機短路干燥試驗的需要，發電機制動開關裝置的額定電流選定為12 kA；并與制造商ABB公司協商確定制動開關不檢修關合4000A電流的次數為9 000次，便于電站運行管理。1.3溫升采購合同規定，發電機制動開關裝置在制動運行工況（26 kA、10 min）和水輪發電機進行短路干燥試驗時（12 kA持續運行），各部位的溫升（溫度）均應滿足相關標準的規定，其中，導體的溫升（溫度）不超過50 K（90），外殼的溫升（溫度）不超過30 K（70）。根據制造商提供的資料可知，因制動工況屬于短時

8、（最長不超過10 min）運行工況，即使發電機制動開關裝置運行電流（26 kA）超過額定電流（12 kA）的1倍多，但其溫升十分有限；制造商在早期產品HEK3型開關（與HEC3型開關具有相同的尺寸和參數）進行溫升試驗時，施加預熱電流20 kA/60Hz/10min，溫升約為10 K，制造商計算分析認為HEC3型開關在制動運行工況（26 kA、10min）時的溫升約為16 K至20 K；發電機制動開關裝置三相短接線（封閉母線）的溫升（溫度）制造商亦進行了計算，12 kA持續運行導體的溫升（溫度）約為44.3K(84.3)，外殼的溫升（溫度）約為20 K(60)，制動運行工況（26 kA、10mi

9、n）導體的溫升（溫度）約為38 K(78)，外殼的溫升(溫度)約為18 K(58)；由于實際運行中制動時間不會超過5 min，因此在發電機制動運行時，發電機制動開關裝置的溫升是比較低和安全的。1.4 技術參數選定（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時間&#

10、160;    110 kA，3s（10）電氣壽命關合開斷額定電流的次數  600次關合額定電流的次數      5 000次關合6 000A電流的次數   8 000次關合4 000A電流的次數   9 000次2 制動開關裝置的相關設計2.1 與母線的連接設計根據廠房電氣設備布置設計，發電機制動開關裝置動觸頭側端子與發電機主回路離相封閉母線垂直段T接頭水平連接，由于廠房結構限制，開關與母線連接時需A、C相母線向內側轉約30°的彎進行

11、過渡，因此，T接頭實際上是一小段分支回路封閉母線，其導體直徑約500 mm，厚度約15 mm，外殼直徑約975 mm，厚度約7 mm。按HEC3型開關制造商ABB公司的常規方式，HEC3型開關與封閉母線的連接導體采用軟聯接，外殼采用焊接。考慮到發電機主回路離相封閉母線垂直段的位移、基礎不均勻沉陷等可能因素的影響，外殼連接亦采用軟聯接，即封閉母線制造商提供連接環并將其焊接到HEC3型開關的外殼上，連接環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，為滿足發電機回路勵磁、調速器、保護、儀表等功能要求，每個發電機變壓器組單元回路中均配置4組（12臺雙繞組）電壓互感器，

12、裝于電壓互感器柜內并作為發電機主回路離相封閉母線的配套設備。三峽左岸電站采用HEC3型SF6發電機斷路器作為發電機制動開關裝置后，由于HEC3型開關類似于發電機回路中的組合式電器，可集成電壓互感器、電流互感器、接地開關等設備，故取消了常規方式中的電壓互感器柜，將發電機回路中的電壓互感器裝于HEC3型開關金屬封閉外殼內，以達到簡化三峽左岸電站發電機電壓設備布置的目的。但發電機變壓器組的接線和發電機制動開關裝置的運行方式，要求將所有電壓互感器裝于HEC3型開關的動觸頭（發電機主回路離相封閉母線）側，而標準定型的HEC3型開關單相金屬封閉外殼內的有效空間，對電壓互感器的臺數和對應一定參數（容量、精確

13、級等）的電壓互感器體積有嚴格限制；因此，經過對三峽左岸電站發電機回路中所需電壓互感器容量等參數的計算分析，與ABB公司協商確定在每臺套發電機制動開關裝置的動觸頭側裝設9臺三繞組（每相3臺）電壓互感器，其主要參數如下：（1）額定電壓    24 kV（2）額定頻率    50 Hz（3）型式        單相，環氧樹脂（4）聯結及變比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

14、/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 電氣控制每臺發電機制動開關裝置均配置1臺控制柜，柜中包括所需的全部機械和電氣控制部件，實現對制動開關裝置的遠方和現地操作，接收和執行計算機監控系統發出的分、合閘指令并與500 kV高壓側單元斷路器、勵磁和調速系統等實現電氣聯鎖。3 結束語自上個世紀60年代以來，國內已有多個水電站的發電機采用電氣制動，其電氣制動開關主要為隔離開關（快速或帶有輔助觸頭）和發電機斷路器兩種形式；發電機斷路器性能較好，但價格昂貴，而且體積大，布置