发电机励磁系统.doc

浅谈我厂1000MW发电机励磁系统许震（国电谏壁发电厂，江苏 镇江， 212006）摘 要：供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。为保证我厂1000MW发电机组安全运行，特别是采用了新型励磁调节器，对我们的安全运行及维护又提出了新的要求，因此，必须详细了解励磁系统的相关知识（包括新型励磁调节器）。关键词：1000MW发电机 励磁系统 励磁调节器一、励磁系统概述发电机励磁系统基本原理框图励磁系统的主要作用有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。1、 UNITROL 5000励磁系统简述发电机静止励磁系统通过可控硅整流桥控制励磁电流，达到调节同步发电机电压和无功功率的目的。其主要分为四个主要部分：励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流器、起励和灭磁单元。2、励磁变压器我公司励磁变压器采用三只单相干式变压器，冷却方式为风冷；容量为3300KVA，变比为27KV/956V，一次电流212A，二次电流3452A；接线方式为D,Y11。二、UNITROL 5000介绍1. 系统概述13、14号发电机励磁系统采用的是机端自并励静止励磁系统，励磁调节器为瑞士ABB公司原装产品，其型号为UNITROL 5000系列Q5S-O/U541-S8000，该励磁调节器采用双通道数字式AVR。每个通道完全独立，并独立运行实现所有的控制功能；两个自动控制通道（A、B通道）之间相互通讯，相互热跟踪。Q：四通道：双自动通道(自动/ 自动)和独立的备用控制器5： UNITROL 5000 （微处理器系统5000）S：整流器：配置（标准型n-1 冗余）S- 未使用 如果用B 代替 - ，双自动通道及独立的备用控制器O 无附加功能WithOut additional functions U5：整流器型号 UNL 133004： 运行的整流桥数目 4 1： 每个桥臂1 个可控硅 3 相6 个脉冲S： 断路器单极断点直流断路器8000：断路器额定电流：8000（A）我厂发电机静态励磁系统设计共有8面柜子。各柜排列情况如下表所示（从柜体的正面看）： UNITROL5000励磁系统柜体布置情况调节屏灭磁屏直流出线柜整流屏整流屏整流屏整流屏交流励磁进线柜2. 励磁系统运行方式AVR有四种运行模式：自动模式、手动模式、恒功率因数和恒无功模式。UNITROL 5000励磁系统是一整套设备，正常情况下由控制室远控操作。励磁系统控制方式开关必须置于REMOTE（远方），才能从控制室DCS画面发出命令，此命令是通过励磁系统以二进制信号发出。直接安装在励磁系统前面板上的就地控制屏仅在调试、试验或紧急控制时使用，就地控制使用集成在励磁系统中的就地控制单元(ECT)。2.1 励磁开关接通和断开 只要无跳闸信号，接通命令ON就可以合上励磁开关。开关一旦闭合励磁就接通。命令OFF可以断开励磁开关，同时励磁退出，励磁系统中的整流器转换为逆变方式运行，同时将灭磁电阻与转子绕组并联，使发电机通过整流器和灭磁电阻快速灭磁。2.2 励磁系统投入和退出满足起励的前提条件：励磁开关在合位，无分闸命令和跳闸信号、励磁系统无故障信号、发电机转速应当大于额定转速的90%，由运行人员在DCS画面内手动起励或由并网逻辑自动起励。3、可控硅整流器1) 采用三相全波桥式整流，由六个臂组成。共有四个功率柜组成；2) 可控硅整流桥通过一个门极驱动板（GDI）去驱动可控硅，进行整流。3) 整流装置的每个功率元件都装有快速熔断器保护，以便及时切除短路故障，并发出信号。4) 当一个功率柜退出运行时能满足发电机强励和1.1倍额定电流运行的要求。5) 当两个功率柜退出运行时，能提供发电机额定工况所需的励磁容量,不能进行强励。6) 如果三台功率柜故障则自动切断励磁。7) 运行中严禁打开功率柜的门，否则，该功率柜将自动退出运行8） 冷却方式：带双冗余风机的强迫冷却。当两台冷却风机都退出运行时，该整流柜退出运行。另外整流器还有温度保护，90跳闸。9） CIN: 整流桥接口板；用于监控整流桥的所有电子部件。其主要作用是监控风机、温度和熔丝。 在每台整流桥的正、负输出连接处都配有电流传感器。根据这些输入值，CIN可自动调节各可控硅的电流，从而实现并联桥的均流。除此之外，还能监视每个可控硅的触发。整流桥的实际状态显示在柜门的整流桥显示面板CDP上。10） GDI: 门极驱动器 门极驱动器用来产生可控硅触发所需的脉冲。4、起励和灭磁单元1）、起励部分A. 正常情况下，发电机的残压用于起励是足够的。发电机转子有剩磁存在，一般情况下UN5000可以实现残压起励。B. 当励磁投入后，可控硅桥立即被触发，只要可控硅输入端有5V的电源电压，门极控制单元就能有效地控制可控硅桥。备用起励回路（-R03，-V03，-Q03），用它励方式建立这一电压。备用起励电源取自220V直流系统。如果残压低于5V不足以建立发电机电压时，经过一定时间的延迟，起励装置就会投入：起励开关自动闭合，向磁场绕组通流，定子建压开始。C. 当电压达到额定值的10%时，可控硅桥已经能正常工作，起励开关自动断开。当机端电压达到发电机额定电压的10%时，整流桥已能接管励磁控制，起励自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到额定电压22KV，整个起励过程的控制和监测都是由AVR软件实现的。D. 在整流桥的输出电压高于直流系统电压时，起励回路中的二极管会阻止反向电流流入直流系统。起励电流大约为空载励磁电流的10%至20%，其大小取决于串入的限流电阻-R03 。E. 软起励用于防止机端电压的起励超调。如果超调的话可能引起电压过高造成过激磁。2）、灭磁部分灭磁 当保护继电器检出发电机内部故障时，为保护发电机，必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放。灭磁功能由灭磁开关，跨接器Crowbar和灭磁电阻实现。 灭磁开关设计用于在任何故障情况下安全切断励磁电流。灭磁开关开断后，还在励磁变压器和磁场绕组之间形成明确的电气隔离。 自动灭磁装置装在励磁回路直流侧。灭磁开关的额定参数按励磁系统强励工况（机端电压为80%额定电压时，强励倍数2倍额定励磁电压）选择。灭磁开关型号为AEG GERAPLD8007额定电压2000V，开断电压2000V，短路电流开断能力50KA。5、励磁调节器1）、作用自动电压调节器AVR的主要功能是精确地控制和调节发电机的机端电压和无功功率，它对励磁电压快速作出反应，响应时间为几个毫秒。3）、自动控制与保护UNICTROL 5000励磁系统自动控制配置有多种型式，我厂选用的是2 AVR+2 FCR+2 BFCR，也就是带有手动紧急备用通道的双通道系统（如下图所示）。这是目前UNICTROL 5000励磁系统的最高配置。带有手动紧急备用通道的双通道系统A、主通道之间切换这种励磁系统具有两个完全独立的调节器和控制通道（通道1及通道2）。两个通道完全相同，因此可以自由地选择通道1或通道2作为工作通道。备用的通道 （不工作的通道）总是自动地跟踪工作通道。基本上，除了下述情况以外，通道的切换可以在任何时间进行：如果工作通道检测到故障，将自动地紧急切换到第二个通道。而后，直到故障修复才可能再切回到工作通道。如果不工作的通道故障，不能实现从工作通道到不工作通道的手动切换。若一个通道发生故障，发电机电压同时也发生动态扰动，立即自动切换到不工作的通道，此不工作的通道不跟随发电机电压的动态扰动。为了防止这种情况的发生，不工作的通道相对缓慢地跟随发电机电压，并具有一段延时。B、主通道自动/手动方式切换这种励磁系统的特点是每个主通道都有一个自动调节器（自动方式）和一个手动调节器（手动方式）。在自动方式中，发电机电压受到调节，因此，在发电机机端产生恒定的电压。而在手动方式中，发电机励磁（磁场电流）保持恒定，随着发电机负荷的变化，发电机励磁（磁场电流的设定点）必须手动调整，以使发电机电压不变。基本上，由于不工作的调节器总是跟随工作调节器，所以在任何时间，手自动方式之间的切换都是可行的，但应特别注意以下几点：a) 如果在自动方式下检测到故障（紧急切换到手动方式），直到故障已经消除才能自动地切回到自动方式。 b) 如果手动方式有故障，从自动到手动方式的切换就会被阻止。 c) 发电机能够在自动方式极限但又允许的运行范围内运行，但这个范围已经超出手动方式允许的运行范围。在此情况下，手动调节器可以不再跟随自动调节器。反馈指示允许手动调节器跟随检查校验。d) 由于故障，自动切换到手动方式，再切换到故障之前的运行方式，这种情况是可能发生的。为此，手动调节器的跟随控制，具有延迟和相应地减缓励磁电流改变的作用。e) 从自动向手动方式的切换，手动调节器相对延缓跟随的特性必须予以考虑，在这里直接跟随励磁电流的变化，切换被延迟一个很短的时间（等待信息： AUTO/MANUAL READY）。这样，在各种情况下都能保证无扰动切换。C、紧急备用通道 除两个主通道之外，励磁系统还附加了两个紧急备用通道。与主通道的手动方式相类似的紧急备用通道，装有一个励磁电流调节器。紧急备用通道的励磁电流调节器的作用与主通道的励磁电流调节器是相同的，也就是紧急备用通道仅仅是调节励磁电流，而不是调节发电机电压。紧急备用通道的励磁电流调节器自动地跟随主通道。因此，在主通道发生故障的情况下，自动地进行无扰动切换。从主通道向紧急备用通道的手动切换只能由被授权的特殊操作人员进行。两个调节器的跟随调整使其能够切回到主通道。转子接地保护 转子一点接地对汽轮发电机组的影响不大，一般允许继续运行一段时间。发电机组发生一点接地后，转子各部分对地电位发生变化，比较容易诱发两点接地，汽轮发电机一旦发生两点接地，其后果相当严重，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动。励磁回路两点接地，还可使轴系和汽机磁化。 励磁回路两点接地，即使保护正确动作，从防止汽缸和大轴磁化方面来看，已为时晚矣。励磁回路发生两点接地故障引起的后果非常复杂，处理很麻烦。 我厂采用的ABB公司的UN5000型励磁系统中带有电桥式转子接地保护装置，他们对转子接地保护的设计思想是：当励磁回路绝缘电阻下降到一定值时报警，当绝缘电阻继续下降至一定值时，保护即动作切除发电机组，以防止发生两点接导致灾难性事故。a) 转子接地保护装置UNS 3020是一个独立的保护继电器。它用作发电机整个转子回路（包括功率可控硅和励磁变压器二次侧）的接地故障保护。它的特点是：2段结构（1段报警，2段跳机），每段定值和延时单独调整。b) 如图所示为ABB公司UN5000励磁系统接地保护继电器原理接图。保护为叠加交流电压测量导纳电桥式，CK1和CK2为隔直耦合电容，CR为发电机励磁回路对地等效电容，隔直电容CK1和CK2和励磁回路等效电容CR串联，接于交流电桥的测量臂。c) 主要原理：继电器采用惠斯顿电桥原理，有两个电容建立测量桥的平衡，一个接在正极和地之间，另一个连接在负极和地之间，以测量转子绕组对地绝缘电导作为叛据，与转子绕组的对地电容无关。当励磁回路绝缘电阻下降到一定值时报警，当绝缘电阻继续下降至一定值时，保护即动作切除发电机组。转子接地保护原理图大机组的励磁回路对地电容较大，仅励磁绕组对地电容即可达12F，若附加电压的频率为50Hz，则对地容抗仅有1.63.2k。可见，对于氢冷机组，对地电容的容抗要远小于对地绝缘电阻（一般为兆欧级），因此，叠加交流电压式一点接地保护的灵敏度较低，为了提高灵敏度，采用了交流电桥。这种叠加交流电压式一点接地保护，接线简单，没有死区，整个励磁绕组上任一点接地灵敏度基本上相近，可用作发电机整个转子回路（包括功率可控硅和励磁变压器二次侧）的接地故障保护，这是其优点。但是电桥平衡容易受转子碳刷和大轴接地碳刷接触电阻的影响；对叠加交流电源的频率要求较严格；测量臂为复数臂，因此调节电桥平衡比较麻烦。3. 就地控制面板 (简称ECT)ECT的功能是控制和监视UNITROL 5000励磁系统。ECT作为就地控制面板安装在励磁系统柜门上进行控制。励磁系统的主要功能可以通过这些命令按钮来控制。按钮如下：通过上述按钮可以进行励磁系统功能的控制，但在操作之前手形按钮必须变为绿色，按一下解锁按钮（release）使其颜色变为绿色。在机组正常运行期间，励磁系统都由远方进行控制，只有控制方式切换到就地以后才能在ECT上进行操作。各按钮功能如下表序 号按钮含义1EXC ON励磁投入2EXC OFF励磁退出3FCB ON合磁场开关4FCB OFF分磁场开关5CH1通道一6CH2通道二7AUTO自动方式8MANUAL手动方式9IMP ON叠加控制投入10IMP OFF叠加控制退出4. 励磁系统投入的注意事项 励磁系统投入之前，必须保证所需要的全部电源已经送电，必须保证能安全启动，必须进行下述的检查：（1） 系统的维护工作已完成。（2） 控制和电源柜已准备好待运行并且适当地锁定。（3） 发电机输出空载，永磁机和空载试验电源输入/输出电缆连接完好。（4） 灭磁开关的控制电源及调节器电源已送电。（5） 没有报警和故障信