山東鄒縣1000MW

1、鄒 縣 發(fā) 電 廠 1000MW機 組 勵 磁 系 統(tǒng) 介 紹摘要：本文介紹了我廠的1000MW機組勵磁系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理及各項限制保護功能關(guān)鍵詞：四期勵磁系統(tǒng) 介紹 我廠四期1000MW機組勵磁系統(tǒng)采用機端自并勵勵磁方式，勵磁調(diào)節(jié)器為瑞士ABB公司生產(chǎn)的UNITROL 5000微機型勵磁調(diào)節(jié)器。 一：發(fā)電機勵磁系統(tǒng)組成及參數(shù)1.1 發(fā)電機為東方電機廠(日立公司)生產(chǎn)的三相同步汽輪發(fā)電機，發(fā)電機的主要參數(shù)如下：型 號TFLQQ-KD極 數(shù)2額定容量SN1120MW定子線圈接法YY額定功率1000MW定子繞組絕緣等級F級額定功率因數(shù)cosN0.9（滯后）定子鐵芯絕緣等級F級最大連續(xù)輸出容量11

2、00MW（與汽機VWO匹配下）轉(zhuǎn)子繞組絕緣等級F級額定電壓27000V冷卻型式水氫氫額定電流23949A額定勵磁電壓501V額定轉(zhuǎn)速3000r/min額定勵磁電流5272A頻 率50Hz空載勵磁電壓166 V相 數(shù)3空載勵磁電流1822 A1.2 發(fā)電機采用機端自并勵靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，由發(fā)電機機端通過勵磁變壓器取得勵磁電源，送至可控硅整流器。勵磁系統(tǒng)由以下設備組成：(1) 三臺單相干式變壓器，由德國ABB公司生產(chǎn)，設備主要參數(shù)為：型號RESIBLOC冷卻方式AN/AF容量3×2700kVA阻抗電壓11額定電壓27/0.961kV絕緣等級 LV/HVF額定電流173.2/4866A溫 升8

3、0 K頻率50Hz(2) ABB公司生產(chǎn)的UNITROL 5000型自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)柜一套。雙自動通道,兩個通道完全相同,每個通道都有自動和手動控制方式。(3)可控硅整流器由四個整流橋組成。型號為UNL14300。每臺整流橋的額定電流IEN=3500ADC，整流橋采用雙風機冗余冷卻方式。整流橋控制角范圍為15°150°。整流橋最高溫度設定為70°C，當溫度高于60°C報警。溫度高于70°C時整流橋退出運行。當兩個整流橋故障時，閉鎖強勵;三個整流橋故障時，整流系統(tǒng)故障，發(fā)信號給發(fā)變組保護屏，機組全停。(4)滅磁開關(guān)采用HPB60 M110

4、 D3 1800 E82 S 5000A 2000V型高速直流斷路器。滅磁開關(guān)在直流側(cè)。整個勵磁系統(tǒng)圖如圖1：20圖1鄒縣發(fā)電廠四期工程勵磁系統(tǒng)圖二、調(diào)節(jié)器的主要監(jiān)測保護功能簡介（1）具有反時限特性的最大磁場電流限制器最大磁場電流限制器用于防止轉(zhuǎn)子回路過熱。它主要有兩個不同的設定值，一個是強勵頂值電流限制值，另一個是連續(xù)運行允許的過熱限制值。過熱限制附加兩個控制參數(shù)分別代表轉(zhuǎn)子過熱和冷卻的等效時間。從以上內(nèi)容可以列出下述基本的設定值：強勵頂值電流限制值Imax 1/2過熱限制值Itherm 1/2轉(zhuǎn)子的等效過熱時間常數(shù)Tequiv轉(zhuǎn)子的等效冷卻時間常數(shù)Tcooling有了這些設定值，最大磁場電

5、流限制器就能夠計算勵磁繞組最大允許的熱能Emax。該限制器的參數(shù)設定值和功能框圖如圖2所示。圖2最大和最小磁場電流限制器最小勵磁電流限制主要用于水輪發(fā)電機組深度進相，故在此汽輪發(fā)電機組退出最小勵磁電流限制。工作原理：在同步發(fā)電機正常運行過程中（無限制器在起作用），最大磁場電流限制器的有效的控制點是強勵頂值電流限制值Imax。這說明AVR無論何時需要時都能達到強勵頂值電流?，F(xiàn)在假定，出現(xiàn)了某一個系統(tǒng)故障，為了消除故障需要強勵，只要勵磁電流的實際值超出過熱限制值，那么調(diào)節(jié)器就會起動一個過剩電力積分器，它將該電流偏差值i2（其中i=Ifield-Itherm）積分，這個積分的結(jié)果與勵磁繞組的熱能成正

6、比。如果勵磁電流高于過熱限制值一定時間，那么積分器的輸出值i2dt=E將會增加。積分器的輸出值一超過Emax，最大磁場電流限制器的限制值將被從Imax減小到Itherm。通過一個過熱探測器可以探測到這種條件。如果勵磁電流降到它的正常值（在Itherm值以下），那么積分器的輸出將開始隨著冷卻時間常數(shù)Tcooling降低。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)了另一個故障，強勵電流在冷卻時間結(jié)束之前再次高于Itherm，那么在這個強勵電流下所允許的時間顯然比第一個故障中的時間短，因為將會較早地達到Emax值。如果冷卻時間已經(jīng)結(jié)束（重新設定）了，那么限制器將僅允許勵磁場電流在強勵允許時間段中保持在頂值水平。過熱限制值Ith

7、erm可受到外部信號的影響，如代表發(fā)電機冷卻空氣溫度的信號。該信號被附加到過熱限制值Itherm上。最大磁場電流限制器在兩種不同情況下的限制特性如圖3所示。圖3：最大磁場電流限制器的限制特情況一：IfPROSPECTIVE> Ifmax情況二：IfPROSPECTIVE >Iftherm由下述表達式給出熱限制器的激活時間：t = (Imax1/20.9)2/(If0.9)2 × Tequiv過勵限制的整定過勵限制：我廠四期工程勵磁系統(tǒng)參數(shù)：強勵頂值電流倍數(shù)2.0允許強勵時間20s。 定值取110%Ien，180%Ien最大值延時10秒。限制器動作時間1s，拉回到限制線11

8、0%Ien。保護動作方程：名稱參數(shù)備注1301 REF1 IETH110% Ifn最大連續(xù)勵磁電流11302 REF2 IETH100% Ifn最大連續(xù)勵磁電流2(未使用)1303 REF1 IEMAX180% Ifn頂值勵磁電流11304 REF2 IEMAX100% Ifn頂值勵磁電流2(未使用)1305 TIME IEMAX SEL10.0s強勵時間1306 TC IE RED MAX-TH 1.00s勵磁電流從頂值到最大連續(xù)運行值的時間常數(shù)4過勵保護：超過限制線10%，延時2秒保護動作。名稱參數(shù)備注902 START IE MONITOR10%勵磁電流限制實際值與監(jiān)視器特性之間的裕度,

9、 以額定勵磁電流Ifn的百分數(shù)表示. 如果勵磁電流超過該裕度, 勵磁過流監(jiān)視動作.903 DLY IE MONITORING2.0s過流監(jiān)視器的啟動延時. 延時結(jié)束發(fā)勵磁過流1 段報警信號OC1_EXC_CURR (10905), 指示勵磁電流限制器在所設延時內(nèi)未能奏效，切換到手動控制。(2) P/Q限制器P/Q限制器本質(zhì)上是一個欠勵限制器，用于防止發(fā)電機進入不穩(wěn)定運行區(qū)域。可以用五個無功功率值對應五個有功功率水平（P=0%，P=25%，P=50%，P=75%，P=100%）來設定限制曲線。限制曲線與發(fā)電機的電壓水平有關(guān)，發(fā)電機電壓變化時，限制特性隨之偏移。圖4P/Q限制P/Q限制的整定低勵限

10、制的動作曲線是按照發(fā)電機不同有功功率靜穩(wěn)極限及發(fā)電機端部發(fā)熱條件確定的。由系統(tǒng)靜穩(wěn)條件確定進相能力曲線時，應根據(jù)系統(tǒng)最小運行方式的系統(tǒng)等值電抗，且不考慮其他發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器的作用，確定該勵磁系統(tǒng)的低勵限制動作曲線。2006年6月9日，中調(diào)保護科提供的系統(tǒng)參數(shù)：母線正序阻抗零序阻抗基準容量220kVX1=0.19(0.37)X0=0.28(0.48)1000MVA500kVX1=0.06(0.12)X0=0.11(0.21)1000MVA注：括號內(nèi)對應最小運行方式。主變的阻抗為18%，基準容量為1140MVA最大聯(lián)系阻抗為Xs=18%×+12%×=31%發(fā)電機同步電抗為X

11、d=188%在功角=900，靜穩(wěn)邊界為一個圓。其方程為圓心為=、半徑為=2104MVA 。該發(fā)電機有進相要求，按靜穩(wěn)極限值留10%左右儲備系數(shù)整定。因此上述圓可以?。簣A心為=、半徑為0.9×=1894MVA 。 如果沒有規(guī)定低勵限制動作曲線，一般可按有功功率P=SN時允許無功功率Q=0及P=0時，Q=-（0.20.3）QN兩點來確定低勵磁限制動作曲線，其中SN、QN分別為額定視在功率和額定無功功率。本工程：SN=1120MVA PN=1008MWQN=488MvarCOS=0.9第1點：P=1120MW，Q=0第2點：P=0MW，Q=-0.3×488=146.4MVar。由

12、于UNITROL_5000中的低勵限制的功率基準為額定視在功率Sn，上述兩點可以寫為：第1點：P=100%，Q=0%第2點：P=0%，Q=-0.3×488=-13.1%Sn根據(jù)上述兩點確定其他3點：P=25%時，Q=-9.8%P=50%時，Q=-6.6%P=75%時，Q=-3.3%參考大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術(shù)P395： 對有進相要求的發(fā)電機：按廠用母線電壓不低于95%的電動機額定電壓為條件計算。按發(fā)電機穩(wěn)定運行功角700允許進相運行條件計算。上述兩個條件在發(fā)電機做完進相試驗后確定。參考東方電氣提供的QFSN-1000-2-27型汽輪發(fā)電機技術(shù)數(shù)據(jù)匯總表7.1：發(fā)電機容量

13、曲線，見附錄1。由上：做進相試驗后低勵限制曲線整定為：發(fā)電機有功實際整定為備注1501 REF0 Q（P）LIM-13.1% SN1502 REF25 Q（P）LIM-9.8% SN1503 REF50 Q（P）LIM-6.6% SN1504 REF75 Q（P）LIM-3.3% SN1505 REF100 Q（P）LIM-1.5% SN（此處有調(diào)整）上述整定的曲線在發(fā)電機容量曲線定子鐵心端部溫升限制范圍內(nèi)和靜穩(wěn)邊界范圍內(nèi)。低勵保護：Q(P) 限制值與低勵監(jiān)視器特性之間的裕度, 以額定無功電流的百分數(shù)表示. 無功電流跌落到該值以下, 低勵監(jiān)視器動作.904 START UEL MONIT ：超

14、過限制線10%；905 DLY UEL MONITITOR：延時2秒保護動作。（3）過通量保護（V/Hz繼電器）該保護目的是防止同步發(fā)電機和變壓器的磁通密度過于飽和。保護功能是根據(jù)與基準電壓的比較來工作的，而基準電壓取決于在發(fā)電機電壓實際值下的發(fā)電機的頻率。如果實際電壓超過基準值，一個定時器將被觸發(fā)。如果在可調(diào)的時間延遲結(jié)束后，電壓仍沒有返回到允許值，那么跳閘信號會被觸發(fā)。圖5 V/Hz保護框圖根據(jù)大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術(shù)P382。（1） 過激磁（V/Hz）限制器啟動值為105%Ue/fe（2） 過激磁（V/Hz）限制器動作時間取0.2s。（3） 作用方式。當過激磁限制動作后，瞬

15、時限制電壓頻率比為105%。V/HZ限制參數(shù)表為：名稱參數(shù)備注1911 REF V/Hz LIM AVR105% V/Hz限制線斜率1912 REF UMAX fNOM AVR105%1.對應于額定頻率(100%)的 V/Hz 電壓百分值限制. 2.它表示 V/Hz 線總是以 REF_V/Hz_LIM_AVR (1911)的斜率交于該點.1913 REF UMAX AVR105%絕對電壓限制值，以額定電壓百分值表示， 與超速無關(guān)。1914 DELAY V/Hz LIM AVR0.2sV/Hz 限制器投入延時。V/HZ保護參數(shù)912 V/HZ MON ：超過限制線5%；913 DLY V/HZ

16、MONITITOR：延時2秒保護動作。（4）定子電流限制器這個限制器在過勵和欠勵運行范圍內(nèi)防止發(fā)電機定子繞組過熱。它的工作原理與最大場電流限制器的工作原理相似。在工作中的主差值與峰值極限（最大定子電流）的設定值有關(guān)，沒有一個確定的值。理論上，限制曲線對于工作時間接近于零來講可能達到一個無限大值（Imax=無窮大）。通過適當?shù)拇_定參數(shù)，可以獲得反時限特性，接近于定子繞組的最大允許的熱能Emax。圖19在過勵和欠勵運行模式下的定子電流限制器兩個限制器的實際值是定子電流的平均值。當發(fā)電機過勵時，欠勵限制器被截止，反之亦然。通過考慮到負載功率因數(shù)，一個邏輯電路保證了定子電流限制器在兩個方向上（過勵和欠

17、勵）的正確動作。顯然，定子電流限制器不能影響有功電流。如果有功電流的數(shù)值達到高于定子電流限制器的控制點值的水平，那么為了避免限制器的錯誤動作無功功率被調(diào)整到接近于零。定子電流限制的整定：該限制器用于防止發(fā)電機定子繞組過熱，在過勵和欠勵側(cè)均有效。定值取105%In，160%In最大值延時10秒。限制器動作時間1s，拉回到限制線105%In。保護動作方程：名稱參數(shù)備注1401 REF1 I MACH TH105% In最大連續(xù)運行定子電流11402 REF1 I MACH TH100% In最大連續(xù)運行定子電流21403 I MACH EQUIVALENT160% In等效定子電流1404 TIM

18、E I EQUIVALENT10.0s等效定子電流時的延時1405 TC I MACH RED1.00s從頂值返回最大連續(xù)運行值的時間常數(shù)（5）勵磁變壓器溫度測量保護在UNITROLR5000軟件內(nèi)執(zhí)行勵磁變壓器繞組溫度的測量。溫度的測量來源于PT100傳感器。每相使用一個傳感器，并連接到快速輸入/輸出板（FIO）的三個模擬量輸入點。溫度測量值可在現(xiàn)地控制面板（LCP）、手持編程器（LSP）上顯示，并傳送到控制室中。軟件中探測溫度條件是否滿足兩個預定的溫度臨界值，分別用于報警和跳閘。1)根據(jù)#7機勵磁變壓器安裝和維護手冊P28：變壓器風扇的運行壽命為30000小時，不能一直運行。僅在需要時投入

19、，平時使用空冷。因此啟動風扇的溫度應躲過變壓器額定運行時的溫度。2)根據(jù)勵磁變的試驗報告：變壓器的絕緣等級為F。根據(jù)我國的相關(guān)標準，絕緣系統(tǒng)溫度為155度，最高溫升為100K。3) 在變壓器柜北側(cè)本體端子箱內(nèi)有溫度控制器，其中啟動變壓器風扇溫度130度，報警溫度140度，跳閘溫度155度。4)設定勵磁調(diào)節(jié)器的勵磁變溫度保護定值報警溫度為140度跳閘溫度為155度即：1022 TRTEMP DEG ALARM 140 C1023 TRTEMP DEG FAULT 155 C1024 TEMP SENSOR TYPE PT100 THERMISTOR（6）發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護直流側(cè)過壓保護由跨接器

20、電路實現(xiàn)。該電路采用雪崩二極管用于探測轉(zhuǎn)子回路中的正向和反向過電壓。當雪崩二極管被擊穿，相連的可控硅則被觸發(fā)，立即將滅磁電阻器并聯(lián)連接到轉(zhuǎn)子回路上。同時發(fā)出跳閘令使磁場斷路器立即斷開。汽輪發(fā)電機采用實心轉(zhuǎn)子，電力系統(tǒng)短路故障、發(fā)電機異步運行或非同期合閘等異常狀態(tài)下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子過電壓倍數(shù)約23倍的額定勵磁電壓值。發(fā)電機額定勵磁電壓560V，DL/T650-1998大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件4.19.1.1要求：工頻耐壓試驗標準為發(fā)電機額定勵磁電壓大于500V時，2倍額定勵磁電壓加4000V，即2×501+4000=5002V。日立公司提供GEE-2006-0081發(fā)電機試驗

21、報告：發(fā)電機轉(zhuǎn)子耐壓試驗電壓為5120V，1min。DL/T650-1998大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件5.5.5要求：汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)如裝設發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置，則應簡單可靠，動作值應高于強勵后滅磁和異步運行時的過電壓值，應低于轉(zhuǎn)子繞組出廠工頻耐壓試驗幅值的70%，其容量可只考慮瞬時過電壓。在強勵狀態(tài)下滅磁時發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓不應超過6倍額定勵磁電壓值，應低于轉(zhuǎn)子過電壓保護動作電壓。（1） 發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護按70%轉(zhuǎn)子繞組出廠工頻耐壓試驗幅值整定。 70%×5002=3501V（2） 發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護按躲過在強勵狀態(tài)下滅磁時發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓。 6×

22、501=3006V發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護定值設定為3200V。（7）實際值監(jiān)測（PT故障探查）對PT故障的檢測是通過對測量的發(fā)電機端電壓與勵磁變壓器副邊電壓進行比較來實現(xiàn)的。如果這兩個電壓的差值超過了預先調(diào)整的臨界值（發(fā)電機額定端電壓的15%），那么邏輯控制器將會起動切換：將會從出現(xiàn)錯誤的通道（如果它處于工作狀態(tài)）的自動模式切換到備用通道的自動模式。如果，兩組PT都出現(xiàn)故障，那么就會切換到手動模式三： 手動控制手動控制模式主要用于調(diào)試（如在設的投運或維護過程中），或者是作為在AVR故障時（如PT故障）的備用控制模式。當手動控制模式下運行時，UNITROLR5000以同步發(fā)電機的勵磁電流作為反饋量

23、進行調(diào)節(jié)。手動控制模式的給定功能與AVR控制模式的給定功能相同。手動給定值的上限為110Ifn,在它勵的情況下下限為0%Ifn,在自并勵的情況下下限為34.4%Ifn。在手動模式下運行時，磁場電流的給定值可以通過增、減命令來控制。做完發(fā)電機的進相試驗后發(fā)電機的手動控制方式下的低勵限制曲線整定如下表：發(fā)電機有功整定值2109: REF0 IE(P) LIM22.8%(Ifn)2110: REF25 IE(P) LIM30.7%(Ifn)2111: REF50 IE(P) LIM46.8%(Ifn)2112: REF75 IE(P) LIM58.8%(Ifn)2113: REF100 IE(P)

24、LIM77%(Ifn)為了避免在手動模式下突然甩負荷引起的過電壓，手動模式具有自動返回空載的功能。在發(fā)電機斷路器跳閘的情況下，一個脈沖信號傳送給調(diào)節(jié)器，使手動給定值立即恢復到預定值，該預定值一般與同步發(fā)電機空載勵磁電流的90相對應。自動跟蹤控制器保證了從自動模式向手動模式切換時無擾動，如果手動方式與自動方式的控制電壓偏差超過5將閉鎖切換。在自動模式下運行時，自動模式和手動模式的控制信號之差超過0.2%，將啟動自動跟蹤功能。四：起勵UNITROLR5000正常能夠從殘壓起勵。在起勵過程中，在可控硅整流器的輸入端僅需要約10V20V的電壓即可正常工作。如果電壓低于10V20V，可控硅整流器就會被連

25、續(xù)地觸發(fā)（二極管工作模式）以達到該值。然而，如果在幾秒內(nèi)殘壓起勵失敗，則起動備用起勵回路。這個備用回路設計用于達到所需要的10V20V電壓。機端電壓達到發(fā)電機電壓的30%時，備用起勵回路自動退出，立即開始軟起勵過程并建壓到預定的電壓水平。整個起勵過程和順序控制是通過AVR軟件實現(xiàn)的。當機端電壓達到發(fā)電機額定電壓的30%時，整流橋已能接管勵磁控制，起勵自動退出100ms后，軟起勵過程開始并將發(fā)電機電壓升到預定水平。整個起勵過程的控制和監(jiān)測都是由AVR 軟件實現(xiàn)的。為此設定：名稱參數(shù)備注304 FLASH OFF LEVEL30%發(fā)電機電壓達到30時，備用起勵開關(guān)斷開，開始軟啟勵305 FLASH

26、 MAX TIME5.0s合起勵開關(guān)后的最大起勵時間為5s，如果5s未達到30發(fā)電機電壓會發(fā)出起勵失敗信號，并切除滅磁開關(guān)311 t FIREALL FLASH9.0s可控硅整流器在被連續(xù)地觸發(fā)（二極管工作模式）的最大時間）整個起勵過程最長為14s，如大于此時間將啟動系統(tǒng)跳閘1915 SOFTSTART RAMP 15.0s15.0s從30%額定電壓升到100%額定電壓將有15秒時間1903 PRESET1 REF AVR100%AVR給定值的預設值五：滅磁滅磁回路主要由磁場斷路器Q02、滅磁電阻R02 （SiC非線性電阻，容量為，6MJ）、和晶閘管跨接器F02（以及相關(guān)的觸發(fā)元件）組成。勵磁切除時首先逆變，然后閉鎖脈沖。六：調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)設置參數(shù)名稱代號單位數(shù)值校正方式串聯(lián)校正靜態(tài)放大倍數(shù)KRPU500電壓檢測時間常數(shù)T