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制动风闸电气部分基本原理

溪洛渡电厂筹建处电气维修部杨张斌（云南昭通）

摘要：我国水轮发电机采取的制动方式一般有两种：电气制动

和机械制动。电气制动可以减少机组轴承、制动闸、制动环的磨损和机坑内的粉尘污染；由于电气制动存在系统造价高，对外围设备环境要求高的问题，一般水电厂的水轮机发电机采用纯机械制动的方式，而较为先进的水电厂都采用电气制动与机械制动相结合的方式。本文着重对机械制动电气部分基本原理进行阐述，并结合实际生产中的应用，对制动风闸的自动控制情况加以说明。

关键词： 制动 风闸 电气

水轮发电机在停机过程中，进行制动可有效的减少停机时间，减少机组在低于额定转速的游走时间，减少机组轴承磨损以及低转速下摩擦引起的过热烧瓦。在葛洲坝二江电厂的调速系统中，停机过程导叶采用了分段快速关闭，与此相配合在机组转速低于15%额定转速时，投入制动风闸，保证机组停机过程中转速的快速控制；三峡电厂水轮发电机采用电气制动与机械制动相结合的方式，停机过程中导叶采用快速分段关闭的方式，机组转速低于额定50%时投入电气制动，转速低于15%额定转速时，投入机械风闸制动，并且在停机过程中投入高压油系统，以保证机组能够以快速、稳定、安全的方式转换运行工况。在建的溪洛渡水发电厂也是采用电气制动与机械制动相结合的制动方式，其他大中型水电厂的制动方式与此类似，现就制动风闸电

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气部分在结构、原理、应用上加以阐述。

一、制动风闸的组成和结构

水轮发电机制动器（俗称风闸）是机组机械制动系统中的重要部件。机组制动系统由制动器、油风管路、手动和自动控制装置组成。 1.1制动器

图1为制动器外观图，图2为制动器结构图：

图1 制动器外观图

图2 制动器结构图

制动器的作用包括以下几方面：

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① 避免机组停机过程中长时间在低转速下运行，迅速制动（刹车）；

② ③ ④

在机组安装或检修期间，可用作千斤顶顶起转子； 对于停运状态的机组，可防止其转动； 便于塑料瓦机组重新建立起油膜。

1.2油风回路

油风管路是制动器动作复归的能量供给通道，控制油作用于换向阀电磁铁的控制，而带压气系统通过风管通道，为制动器的上下腔进行充放气，实现制动器的动作控制。图3为制动系统中低压气管路图。

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图3 低压气管路图

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1.3手自动控制装置

制动风闸的重要性决定了其高可靠性要求，单纯的自动控制存在误动拒动的运行风险，为其增设手动控制回路，一方面增加其动作可靠性，在自动失效的情况下可以人为干预，另一方面，手动操作的灵活性，为机组的检修作业提供方便。在图3中，电磁换向阀与手动换向阀并联形成的制动系统，是一种简单有效的制动系统。图4为检修作业中的制动器布置（环形布置黄色部分）。

图4 检修作业中的制动器布置

二、制动风闸的电气部分

制动风闸电气部分有两个作用：

① 风闸接点把风闸的位移信号转换为开关量电信号，并通过电

缆传送至现地控制单元PLC和指示灯，为机组LCU的流程判据以及运行人员的操作提供依据；

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② 机组LCU通过开出控制，发令投入或撤除制动风闸，通过控

制通讯电缆，动作风闸投退电磁铁，再通过低压气系统作用于制动风闸上下腔，实现制动风闸的投退控制。

图5为风闸信号动作返回接点（行程开关），图6为制动风闸动作切换电磁铁：

图5 风闸信号动作返回接点

图6 制动风闸动作切换电磁铁

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行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。

在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。

在我们的制动系统中，行程开关被固定安装在支架上，制动风闸闸体上安装固定刚性拨条，拨条随风闸闸体的动作而上下移动。在拨条动作到某个固定位置时，触动行程开关操作触头，行程开关内部常开接点闭合，常关接点断开；当拨条离开固定位，行程开关操作触头复归，内部接点常开接点打开，常关接点闭合，从而实现制动风闸实际位置信号由机械信号向电气信号的转变。

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向

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不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

在机械制动系统中，通过继电器的动作接点来控制投风闸、撤风闸两个电磁铁，电磁铁在电源接通后线圈充电产生磁性，来驱动电磁阀阀芯动作，从而实现低压气在管路中不同形式的流通，进而实现制动风闸不同的充压泄压方式，最终达到制动风闸在自动或手动方式下，按照运行规程动作的目的。

图7为机械制动电气部分原理图。

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上图中PS为LCU现地控制单元的电源模块，CP为通讯模块，DO为开关量开出模块，AI为模拟量输入模块，DI为开关量输入模块。

图7 机械制动系统电气图

三、制动风闸在水电厂的应用

在水电厂中，制动风闸安装在风洞层，围绕定子座环均匀布置。制动风闸的行程开关的常开接点以并联的方式用屏蔽电缆连接，屏蔽电缆走经电缆廊道或桥架连接至现地控制单元，现地控制单元对信号进行采集处理后，以通讯的方式把采集到的信号上送至LCU，LCU负责把风闸的机械位置以图表的形式表现给监控系统；另一方面，LCU内部通过流程执行，在条件满足时，由开出模块发投/撤风闸令，开出模块接通开出继电器线圈励磁电源，继电器的常开接点闭合，连通电磁铁动作的220V直流回路，驱

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动电磁铁动作，电磁铁动作带动电磁阀阀芯移动，从而低压气经由阀芯移动产生的孔洞，进入制动风闸的下/上腔，制动风闸在气压存在的情况下，上/下移动，以完成对LCU发令的任务执行。 在葛洲坝二江电厂的制动系统中，检修需求的风闸投退由运行人员手动完成。机组运行中的动作情况是这样的:在机组接到停机令后，导叶分段关闭，机组转速迅速下降，当机组转速降至15%额定转速时（7.5HZ），投入制动风闸，导叶开度小于3%时投入锁定，转速小于5%时， LCU检查风闸投入、锁定投入、后延时60S撤除风闸制动，投入紧停，机组进入停机状态。因为机组测速方式采用齿盘测速，因此在风闸撤除后，如果机组还有低速运转的情况，监控系统会进行蠕动报警，运行人员进入现场人为干预。图8为监控系统停机流程图。

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投风闸50s判机组转速<5s判导叶开度<3%？导叶未全关关闭47DCF投空气围带投锁锭锁锭投入？20s判锁锭投入锁锭未投入风闸投入？撤风闸投紧停DP清停机标志

图8 监控系统停机流程图

三峡电厂机械制动过程与葛洲坝电厂相同，由于三峡电厂属于巨型水轮机组，在停机阶段，50%额定转速时投入电气制动方式，以减少机组低速运行的时间，加快停机过程。溪洛渡、向家坝电厂的制动方式与制动过程，与三峡电厂相类似。

四、制动风闸的改进要求和发展方向

制动风闸的实际运行经验表明，在机组的正常运行过程中

经常存在风闸的误动拒动情况，严重时直接导致机组制动环磨损，风闸损坏，产生大量烟尘，造成机组强迫性检修和惨重的经

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济损失。因此制动风闸不仅仅是简单的接点信号返回，动作命令下发，在细节处理和流程执行条件把握上应该给予更多的思考。 4.1误动 拒动

制动风闸的误动主要有以下原因： 1） 流程编写不严谨，导致出现的误动 2） 开出模块故障造成的误动 3） 继电器接点抖动出现的误动 4） 回路接线错误出现的误动 制动风闸的拒动主要有以下原因：

1） 流程编写不严谨造成的拒动 2） 开出模块故障造成的拒动 3） 继电器损坏造成的拒动 4） 电磁铁、电磁阀故障造成的拒动 5） 油气管路堵塞造成的制动风闸拒动

针对以上误动原因，制动风闸系统应做以下改进：

1） 完善流程的执行判断条件，对投风闸、撤风闸的执行条件

进行更为细致的论证；同时，增加机组运行过程中风闸误投后立即撤除风闸的程序流程，最大限度的保护运行中的设备安全；

2） 采用高可靠性、高性能的开出模件和继电器，继电器可考

虑采用并联冗余的方式；开出继电器增加开出使能环节，从而增加制动风闸动作的可靠性；

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3） 检修作业中增加制动系统电气回路检查环节，防止由于接

线错误引起的设备误动拒动；

4） 对低压气管路加装气压传感器，对压力异常的情况，通过

监控系统进行报警，以及时提醒维护人员现场处理； 5） 为防止出现机组运行过程中，由于转速测量信号直接消失，

导致的系统误认为机组转速低于15%投风闸的故障发生，在投制动风闸的流程执行中，应加入机端频率、导叶开度等必要的判断条件。 4.2制动风闸系统的优化

举例说明制动风闸系统的优化方式。

机组的风闸制动器分上、下两腔，采用2个电磁阀(1DK和2DK)进行控制，其中1DK控制上腔充气（1DK-a得电）/排气(1DK-b得电)，2DK电磁阀控制下腔充气（2DK-a得电/排气2DK-b得电），风闸投退操作可采用3种方式进行，其控制逻辑如下表1：

表1：风闸投退动作逻辑

风闸投入 操作方式 下腔充气 LCU发风闸投入DOLCU发风闸拆除DO指令监控LCU程序控制 指令→制动柜ZDT1→制动柜ZDT2接点动作接点动作→下腔充→上腔充气/下腔排气 气 监控PC2柜上的投入/撤除按钮操作（共按投入AN3按钮→制动柜ZDT1接点动作→下腔充气， 按撤除按钮AN4→制动柜ZDT2接点动作→上腔充气/下腔排气 作→上腔排气 制动柜A-68/A-70接点动15s发上腔排气指令DO→上腔充气/下腔排气 上腔排气 LCU在发风闸撤除指令延时风闸拆除 12

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2个按钮） 现地制动柜上按钮操作（共3个按钮） 按钮1AN动作→下腔充气 按钮2AN动作→上腔充按钮3AN动作→上腔排气 气/下腔排气 通过上表分析，若通过PC2柜的按钮进行了风闸的撤除操作，则在风闸撤除后制动器上腔仍然充气有压，当再次投入风闸时则上、下腔均充气有压，将发生制动器无法投入或投入后上腔有压，导致停机流程运行到投风闸步超时退出，停机失败。

为保证监控系统程序、LCU的PC2柜、制动现地柜三处都能对制动风闸进行协调、可靠的控制，故对制动风闸的控制回路进行优化。

优化方案

经分析电源电站机组风闸制动的合理控制逻辑应该为： 制动器投入：下腔充气；

制动器撤除：制动器上腔充气、下腔排气→再经数秒的延时后，制动器上腔排气→为下次的制动器投入（下腔充气）作准备。

根据以上控制逻辑逻辑分析，改进明如下：

保留PC2柜手动投入的按钮AN3与监控系统的制动器投入（下腔充气）的DO量，和手动撤除的按钮AN4与监控系统制动器撤除（制动器上腔充气、下腔排气）的DO量，而放弃原监控系统延时控制上腔排气的DO量线路。

增加一个制动器上腔气压开关1YK控制的中间继电器6KA(原1YK只将上腔有压的信号送与监控，优化后该信号由6KA送出)，并增加

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一个在制动风闸撤除后延时排掉上腔气压的延时继电器1SJ。

当制动器撤除后（制动器上腔充气、下腔排气）后，由制动器落下的行程开关（J1至J6）控制的继电器3KA励磁，制动器上腔有压的继电器6KA也励磁，控制延时继电器1SJ励磁，经10秒的延时后，1SJ的常开接点动作，制动器上腔排气，上腔无压后6KA失电，控制1SJ失电。

这样即可保证无论是监控系统发令或是PC2柜的按钮都能循环、可靠的控制制动风闸的投入、撤除。

4.3制动风闸系统的发展方向

做为一个有着几十年运行经验的系统，制动风闸有着比较成熟的设计思路和运行经验，同时由于该系统的辅助设备角色，在大多数情况，该系统设计简单。由于该系统投入使用率不高的问题，有些设备隐患长期存在也难于被发现，在关键时候的拒动误动或者动作不到位的故障发生，都会影响到机组的稳定和设备的安全。因此在水轮发电机机组体积越来越巨型，功率越来越高的形势下，制动风闸系统应该在未来的发展中具备更高的系统要求和控制精度。

随着时间推移，电气制动系统的技术运行成熟，越来越多的发电机会采用电气制动与机械制动相结合的方式，以在最优最快的方式下实现机组的快速控制，与电气制动方式的配合关系也是制动风闸系统在现代化智能电站中重点发展方向。

可以推断，未来的制动系统是电气制动与机械风闸制动、高压油系统相结合的系统，这个系统是智能的，有自己独立的控制单元，核

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心控制单元间采用多套冗余，分系统的协调由核心控制单元决策，在设备末端有精密的智能传感器能及时准确的提供环境信号，并具有自我诊断、远程监控能力，协助电站的监控系统，完成机组稳定运行、安全控制的目标。

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