高级运行第十章

海南昌江核电厂高级运行教材 第十章第十章发电机及电气系统的运行发电机及电气系统的运行 10 10 发电机和励磁电压调节发电机和励磁电压调节 10 110 1有关发电机的基本原理有关发电机的基本原理 图图 10 1 110 1 1 发电机原理示意图发电机原理示意图 图 10 1 1 是同步发电机的示意图 以 A1 A2 B1 B2 C1 C2 代表定子的 A B C 三相 绕组 三相绕组沿定子铁芯内圆各相间隔 120 电角度 电角度是机械角度乘以极对数 安 放 R1 R2 代表转子绕组 当直流电通入转子绕组后 由转子电流激起磁场 其极性如图 N S 所示 0为转子磁极产生的磁通 当发电机转子被原动机 汽轮机或水轮机 带动 旋转之后 这个磁场是旋转的 其转向如箭头 N 所示 则定子绕组切割磁通就会感应出电 势 电势的大小与转子的转速以及磁通密度的大小有关 由于在设计和制造发电机时有意 安排尽量使磁通密度的大小沿磁极极面的周向分布接近正弦波形 所以每根导体中感应出 来的电势的大小 也随着时间按正弦波规律变化 转子不停地旋转 磁场的磁力线被三相 定子绕组切割 于是就在三相绕组中感应出三相交流电来 如图 10 1 2 所示 n F1 1C 定子 电势 电流方向 转子 1 2B 2 1 F R1 N 2 S 1B F2 C 2R F A A2 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 1 210 1 2 三相电势波形三相电势波形 三个相感应电势达到最大值的先后顺序是 A B C 称为相序 三个相的电势到达最大 值在时间上的先后差别就是三相交流电的相位差 根据右手定则可确定出感应电势的方向是自 A1 进去从 A2 出来 见图 10 1 此时若 在外部加纯有功负载 则电流方向与电势方向相同 这个电流在转子磁场里受到力的作用 力的方向用左手定则来确定 对 A1 来讲是向右 对 A2 来讲是向左 如图中 F1 所示 这 样形成一个力矩 将使定子按顺时针方向旋转 但是定子是不能转动的 于是根据作用力 与反作用力的原理 相当于转子被加上一个反力矩 如图中 F2 所示 这个反力矩将使转 子作逆时针方向转动 因此发电机正常运行时原动机的主力矩克服阻力矩处于平衡状态而 保持转速不变 把机械能转化为电功率 当有功电流流过定子绕组后 定子绕组也产生一个磁场 所以发电机运行时 在气隙 里有两个磁场 一个是转子绕组流过励磁电流产生的转子磁场 一个是定子三相绕组流过 对称的三相交流电流时合成产生的定子磁场 它们都是旋转的 所以叫旋转磁场 当定子 磁场和转子以相同的方向 相同的转速旋转时就叫同步 定子旋转磁场的转速和发出来的 交流电的频率保持严格不变的关系 可以用下面的式子来表示 n 60f p n 转速 f 频率 p 极对数 式中 60 系频率 HZ与转速 r min 的单位换算值 我国的交流电的频率是 50HZ 工频 对于只有一对磁极的汽轮机来说转速应该是 3000r min 如果把发电机定子三相绕组和负载联接成回路 如图 10 1 3 所示 则三相交流电在 回路中的流动情况是时刻都在变化的 如图 10 1 4 所示 若假定发电机的电流离开其中 性点 O 时为负 指向中性点 O 时为正 那么在 t1 瞬时发电机的电流方向便如图中所标的 箭头所示 即 B 相为负向外流 A 相和 C 相都为正向里流 wf 120 120120 C CBA mE 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 1 310 1 3 发电机的电流分布发电机的电流分布 图图 10 1 4 三三相交相交 流流电流电流 的的时间时间 变变化的化的 波波型型 10 210 2发发电机电机 的接线的接线 发电机的电势随时间变化的波形决定于气隙里磁通密度沿空间分布的形状 在实际的 电机结构中是不可能使磁通密度沿空间的分布完全做到按正弦分布的 只能说是尽量接近 正弦波 由于任何一个非正弦波形总可以分解成许多幅值大小不同 频率不一样的正弦波 形 因此可以认为非正弦波是由一个波值最大 其频率与被分解的非正弦波的频率相同的 基波和其他幅值比基波小 频率比基波高的高次谐波组成 磁通中有高次谐波 电势中也 就有高次谐波 图 10 1 5 表示一个矩形波形被分解后的情况 从中可以看出 三次谐波占 主要成分 0 C B A 负载发电机 i 7t6t5t4t3t2tt10t CiBiAi 0 t 7 5 9 3 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 1 510 1 5 矩形波分解为基波和高次谐波矩形波分解为基波和高次谐波 图图 10 1 610 1 6 三角形接线的三次谐波电势三角形接线的三次谐波电势 在三相发电机绕组中 三个相基波电势相位差为 120 三个相的三次谐波之间的相位 就各差 3 120 360 这说明三相绕组中三次谐波电势具有同相性 如果把发电机接成三 角形接线 如图 10 1 6 所示 则三个三次谐波是相加的 三次谐波电流就能通过 这个电 流会产生额外损耗并使发电机的绕组发热 这是不希望的 而采用星形接线就可以消除这 个弊病 如图 10 1 7 所示 在星形接线中 因为三次谐波电势都同时指向中性点或背离中 性点 电流构不成回路 在相电势中的三次谐波电势在线电势中互相抵消了 所以发电机 一般都接成星形接线 i3 E C3 E C3 B3E B A C C3E B3E A3E C B A 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 1 710 1 7 星形接线的三次谐波电势星形接线的三次谐波电势 10 310 3发电机的功率发电机的功率 在交流电能的发 输 用过程中 用于转换成非电磁形式 如光 热 机械 的那部 分能量叫有功 转换的有效功率叫有功功率 用于电路内电 磁交换的那部分能量叫无功 与之对应的功率叫无功功率 在交流电路中 电能的输送情况比较复杂 第一是因为电压 电流都是在不断的变化 的 所以每个瞬间的电功率也是变化的 即向负载输送的能量是不均匀的 第二是不仅有 能量的消耗过程 还有能量的交换过程 电力系统中的负载尽管多种多样 但从电路的观 点来看 不外乎分为阻性 感性和容性三种 阻性负载的特点是当加上电源后其电压和电流方向相同 如图 10 8 a 所示 电压与 电流的方向始终是相同的 在半个周期内全为正 在另半个周期内全为负 它的功率始终 是正值 这说明功率是由电源输送给负载而被消耗掉了 u i u i u i u i t p u i u i p u i u i u ii u t u p i u i p 平均功率 u ii u t w p i u u i p 0 0 0 c b a 图图 10 1 810 1 8 电压 电流及功率波形电压 电流及功率波形 a 阻性负载 b 感性负载 c 容性负载 u 电压 瞬时值 i 电流 瞬时值 p 功率 瞬时值 海南昌江核电厂高级运行教材 感性负载的特点是电感可以储藏能量 这就构成了能够与电源交换能量的条件 当电 流通过感性负载时 在线圈的周围就会建立起交变磁场 而这个交变磁场又会在自己的电 路里感应起电势 这个电势称为自感电势 也称反电势 它在电路中对电流变化起阻尼作 用 当电流增加时 它的方向和电流的方向相反 力图阻止电流增加 当电流减少时 它 的方向又和电流相同 力图阻止电流减少 这样就使负载两端的电压和电流变得不同相而 使电流落后于电压 90 相角 这就产生一个情况 即当电流和电压的方向一致时 电源把 电能输送给负载转换为磁场能量贮藏在电感中 而当电流和电压方向相反时 电感所储藏 的磁场能量便会变换为电能而送还给电源 如图 10 1 8 b 所示 在一个周期内 电源 将能量送出两次 收回两次 负载并没有把能量消耗掉 图 10 1 8 c 所示是容性负载的电压 电流 功率波形图 它和感性负载在性质上是 相似的 它也是个能够储藏和释放出能量的负载 在交流电路中也能与电源进行能量交换 而不消耗能量 而且它的电压和电流的相角差也是 90 但容性负载和感性负载的不同点 是容性负载有两个极板 充电时极板间产生电场 把能量储存在电场中 此外容性负载的 电压是落后电流 90 相角 因此它储存和释放能量的时间正好和感性负载储存和释放能量 的时间相反 而且在一个周期中能量也是送两次 回两次 能量仅被用来进行交换而没有 被负载消耗掉 综上所述 电力系统在运行时 电源要供应两部分能量 一部分是用于做功时被消耗 掉的有功能量 另一部分是用于交换的无功能量 在一般交流电路里输送的电功率 既有有功成分又有无功成分 因此 其电压有效值 U 与电流有效值 I 的乘积是有功功率和无功功率的合成量 叫做视在功率 用 S 来 表示 其单位是伏安 VA S UI 电路里每单位时间内消耗掉的电能为有功功率 它等于视在功率乘以功率因数 cos 是电压与电流间的相角 有功功率用 P 来表示 其单位为瓦 W coscosUIUIPP 在交流电路内作为衡量能量交换规模的是无功功率 无功功率等于视在功率乘以 用 Q 表示 其单位为伏 安 VA 过去曾用乏 Var 为单位 现国家标准未推 sin 荐 sinUIQ 视在功率 有功功率 无功功率三者之间的关系可用功率三角形来表示 见图 10 9 根 据这个三角形 可得 S2 P2 Q2 电势 电流方向 定子 转子 s Q P S 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 10 1 91 9 功率三角形功率三角形 图图 10 10 1 101 10 阻性负载电枢反应阻性负载电枢反应 同步发电机都是三相的 三相功率具体计算如下 P 3U相 I相cos P U线 I线cos3 Q U线 I线sin3 S U线 I线3 10 410 4发电机的调节发电机的调节 1 有功的调节 在发电机发电原理 图 10 1 1 中 已经讲到汽轮发电机在正常运行时汽轮机的主力 矩与阻力矩的平衡 这个阻力矩的大小和有功电流大小有关 有功电流越大 阻力矩也越大 因此要保持转子转速不变 汽轮机输出的主力矩就要增大 这就需要调大进汽量 此外 当有电流流过定子后 定子绕组也产生一个磁场 如图 10 1 10 所示 为定 s 子磁场产生的磁通 这个磁场对原来转子磁场要产生影响 通常把这种影响称为电枢反应 交轴电枢反应使得转子极面的一半磁场增强 一半磁场减弱 使合成磁场的磁极有点偏斜 并且由于铁芯饱和关系使减弱的多些 增强的少些 气隙的总磁通要减少一些 端电 压也要下降些 但总的来看其影响不大 实际上存在于定子上的磁场是一个合成磁场 它包括转子磁通 定子电枢反应磁通以 及定子电流产生的只围绕着定子绕组本身的漏磁通 如果把这个定子合成磁场用一个磁级 表示出来 便如图 10 1 11 所示 并将它简称定子磁极 定子磁极与转子磁极之间由磁力 线联系着 两个磁极的中心线之间的夹角为 同步发电机输出的有功功率 P 和这个角 有关 对于隐极式同步发电机来说 它们之间的关系近似可用下述公式表示 式中 电磁功率 是由转子通过电磁感应传递给定子的功率 和输出功率仅差定子 dc P 线圈的铜损 我们这里分析时就把它近似地当作输出功率来看待 相数 m 相电压 U 发电机的感应电势 0 E 发电机的同步电抗 即发电机定子绕组正常运行时的电抗 d x 定子磁极中心线和转子磁极中心线的夹角 也是端电压 U 和感应电势间的 0 E 夹角 如果把这个公式中的与的关系画成曲线 便如图 10 12 所示 这是 dc P 一条正弦曲线 它有最大值 出现在等于 90 度时 因为这个角度能反映电机输出功率 的大小 所以称它为功角 图 10 12 中的曲线便称为功角特征曲线 d m x UE mp 0 sin 0 d dc x UE mpp 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 1 1110 1 11 发电机工作状态的定 转子磁极关系发电机工作状态的定 转子磁极关系 图图 10 1 1210 1 12 功角特性功角特性 从功角特征曲线上看 若汽轮机输入的功率为 P1 发电机忽略损耗后输出的电磁功率 也是 P1 相应的功角是 工作点为 当开大汽门时 汽轮机输入的功率便由 P1 升高 1 1 到 P2 因为在此瞬间输出的电磁功率没有改变 就出现功率差额 在这功率 12 PPP 差额所产生的相应力距的作用下 便使转子加速 角增大 由变到 输出电磁功率 1 2 也增大 而且和输入功率达到平衡 于是就稳定在新的工作点上运行 2 当关小汽门时 发电机转子上的主力矩减少 于是转子减速 角减少 当角变小 时 电磁功率减少 其相应的阻力矩也变小 当阻力减少到和新的主力矩相等时 又达到 新的平衡 此时电机便少带了负荷 每台发电机都有个最大的输出功率 它所对应的角等于 90 度 当大于 90 度时 如果开大汽门增加输入功率便使主力矩增大 转子加速增大后 电磁功率不但不增加 反而减小 这样阻力矩便也减少 转子会更加速 角会更增大 送出的电磁功率便更小 沿此下去 力矩得不到平衡 转子就会脱出同步转速 定子拉不住转子 造成同步发电机 失步 这种不稳定现象叫做失步静态稳定 电机的角在 90 度以外时为不稳定区 通常电机在额定出力时 角在 30 度左右 让它离 90 度远一些 这是设计时考虑 好了的 最大电磁功率和额定功率之比称为发电机的过载能力 一般发电机的过载能力在 1 7 3 之内 2 无功的调节 当发电机流过感性无功电流时 如图 10 1 13 a 所示 由于感性负载使电流落后电势 90 度 即发电机达到最大值时的 A1 A2 绕组中电流为 0 在此瞬间电流最大值出现在与 A1 A2 相隔 90 度的 B1 B2 绕组中 载流的 B1 B2 绕组在转子磁场中就会受到力的作用 根 据左手定则确定力的方向 如图中 F1 所示 线圈两边所受的两个力作用在同一根直线上的 因此形不成力矩 对转子的反作用力 F2 也只是压紧转子的绕组而已 不会在转子上产生阻 力矩 由此可知流过无功电流时不需要增加汽轮机的主力矩 P a 1 2 90 120 P P 2a 1 Pm 0 2 dc 1 N S 转子 旋转方向 磁 场 定子 海南昌江核电厂高级运行教材 图图 10 1 1310 1 13 发电机中流过感性无功电流时情形发电机中流过感性无功电流时情形 感性无功电流对转子磁场的影响 如图 10 1 13 b 所示 B1 B2 绕组中电流产生的磁通 是沿着转子的磁轴穿过转子的 所以称它为纵轴电枢反应 而定子磁场的方向和转子磁 s 场的方向恰好相反 所以感性负荷的电枢反应产生去磁作用 因此 使发电机的端电压降 低 为了保持端电压不变 只有增加磁通 即增加发电机的励磁电流 若无功负荷减少 发电机端电压升高时 为了保持电压不变 必须减少励磁电流 这就是调无功应调励磁的 道理 3A A4 定子 电势方向 转子 1 2B R2 N S B1 R1 A 电流方向 A2 图图 10 1 1410 1 14 发电机中流过容性无功电流的情形发电机中流过容性无功电流的情形 当发电机流过容性无功电流时 其电流 电势 磁通情况如图 10 1 14 所示 此时 电流超前电势 90 度 电势达到最大值时的 A1 A2 绕组中电流也为 0 电流最大值也出现在 B1 B2 绕组中 不过其方向与图 10 1 13 b 中的相反 即在转子旋转方向的前方 90 度的导 线 B2 里流过相应于 A1 导线中电势方向的电流 B1 B2 绕组在转子磁场中也只受到力的作 用而不会形成力矩 容性无功电流的电枢也是纵轴电枢反应 但客观存在的作用是助磁的 因此在保持发电机端电压一定的情况下 带容性负载时应降低励磁电流 如果励磁电流不 变 容性无功电流愈大 发电机的端电压升得愈高 3 频率的调节 s b 感性负载电枢反应 a 发电机示意图 定子 电势方向 转子 1 2B R2 N S B1 R1 A 电流方向 A2 R1 A1 2F2F 1F B2 2 2 1 S A N R B1 F 转子 定子 电流方向 电势方向 海南昌江核电厂高级运行教材 频率的高低与发电机的转速有关 即 而转速 n 的高低又与作用在发电机轴上 60 nP f 的力矩平衡情况有关 上面已经介绍了在发电机输出有功时 主力矩克服阻力而使发电机 以额定转速转动 当系统有功负载增加时 各台发电机的有功电流便要增加 发电机转子 的阻力矩也就增大 这时如果不增加主力矩 即开汽门 则发电机的转速就要下降 频率 就会降低 即系统有功不足频率低 要维持频率不变 也即维持转速不变 就要开大汽门 所以调节频率就是调节汽门开度 也就是调有功出力 4 电压的调节 电压的波动主要是由于无功负荷引起的 有功负荷对电压的波动也有影响 不过其影 响小一些 所谓无功不足电压降低 这个不足指的是无功供不应求 即感性负载大 感性 负载对发电机产生去磁电枢反应 使气隙的磁场被削弱 端电压便降低 要使端电压维持 不变 就需要增加转子的电流以补偿去磁电枢反应部分 这就是电压变动要调无功出力的 道理 一个向电网供电的发电机不论定子输出的功率因数和电流如何 通常应保持端电压一 定 为了达到这个目的 必须改变励磁电流来调节发电机的端电压 10 510 5 P P Q Q 图图 并入电力系统中运行的同步发电机 由于有功负载和无功负载常要变化 因而功率因 数往往偏离额定值运行 在分析功率因数变化情况下发电机的运行时 有个前提 即假定 定子铁芯温升 定子绕组和转子绕组的温升都在允许范围内 由于铁芯温升和电机的端电 压有关 定子绕组的温升和定子电流 励磁电流有关 因此 在下面讨论问题时 假设发 电机端电压不变 定子电流和励磁电流的容许值也不变 用将有功功率 P 和无功功率 Q 画在一个坐标图上的方法观察发电机的容许运行方式是 最直观的 这个图叫发电机 P Q 图 或叫功率图 图图 10 1 1510 1 15 发电机的简化向量图和功率图发电机的简化向量图和功率图 为了简单起见 我们只作一个不考虑铁芯饱和影响的 P Q 图 图 10 15 a 为汽轮发电 0 IU i B 2 U dX U 2 dX UEO dX dX OUE E U U O A NO B A P a 简化向量图 b 功率三角形 c 定 转子电流为某值时的P Q IjIXd 海南昌江核电厂高级运行教材 机的简化向量图 U 是相端电压 I 是相电流 为功率因数角 是对应励磁电流的定 0 E 子电势 xd为发电机的同步电抗的未饱和值 jIxd为电流 I 流过同步电抗产生的电压降 是功角 将 U E0 jIxd三向量组成的三角形每边乘以 U 除以 xd于是得到如图 10 15 b 所示 的功率三角形 OAB 因 UI 三者的单位都是伏OAAB 00 0 IE x UE d BO d d UI x U 2 安 把功率三角形适当地放在 P 有功功率 Q 无功功率 组成的坐标系统上 就可以 得到如图 10 15 c 所示的图形 这是当定子电流与励磁电流 相应的电势 E0 为一定值时 的 P Q 图 从图中可以看到 UI 就是发电机的视在功率 它与纵轴的夹角是 所以它OA 在纵轴上的投影即发电机的有功功率 它在横轴上的投影 cosUIOM sinUION 即发电机的无功功率 因未饱和的同步电抗是个常数 又因我们讨论的前提是电压 U 也是常数 因此 d x 只要取适当的比例尺 可代表定子电流 可代表励磁电流 OAAB 改变功率因数 cos即改变 实际上就是以 O 为中心旋转 现在取额定定子电 OA 流 令其长度为 取额定励磁电流 令其长度为 在运行中 当功率因数变化时 OAAB 要保持额定定子电流不变 则表示定子电流随而变化的轨迹是以 O 为圆心 为半径 OA 的圆 如图 10 16 中 AE 所示 要保持额定励磁电流不变 则表示励磁电流变化的轨迹是以 B 为圆心 为半径的圆 如图中 AD 所示 两个圆弧的交点 A 相当于额定运行方式 即AB 定子电流 励磁电流 功率因数都为额定值 最大值 90度 发 电 机 工 作 区 滞相进相 图 10 16 未饱和的汽轮发电机的图 图图 10 1 1610 1 16 未饱和汽轮发电机的未饱和汽轮发电机的 P P Q Q 图图 发电机在功率因数偏离额定值时允许的工作区域示于图 10 1 16 中闭合曲线 FODATRSF 的范围内 DA 段由容许的励磁电流 Ile所限制 在这段里 功率因数低于额定值 此时有功功率 输出虽小 但由于受容许励磁电流的限制 不能按不超出定子电流的条件来送无功功率 海南昌江核电厂高级运行教材 因而定子绕组未能充分利用 AT 段由容许的定子电流 Ie 所限制 在这段里功率因数高于额定值 虽然励磁电流还 有余度 但受到额定定子电流的限制 转子绕组也无法充分利用 TR 段由汽轮机的最大功率所限制 在这段里 按发电机定子电流来说 是可以按圆弧 AE 的限制来带有功负载的 但是受到汽轮机最大功率的限制 也无法充分利用 RS 段由定子端部边段铁芯的温升所限制 这一段已处在功率因数进相的范围内 进相 运行会使端部漏磁增加引起端部发热 为了使该处温升不超过容许值 只能限值出力 ML 曲线是按此条件确定的 SF 段由保证静态稳定的条件所限制 转入进相运行时 由于励磁电流的减少 功角 增大 静态稳定性变差 图中 EB 线是 90 的极限线 考虑到适当的安全储备 运行 范围应限制在 SF 界限之内 型号 QFSN 660 2 额定容量 733 3 MVA 额定电压 20KV 额定电流 21170 A 额定功率因数 0 9 滞后 励 欠 D E T I C X E R E D N U D E T I C X E R E V O 励 过 MVar 640 560 400 480 160 80 240 320 0 320 240 80 160 480 400 560 640 LIMITED END IRON TEMP HI 0 60PF 0 70PF 0 80PF 0 85PF 0 90PF 0 95PF MW800640480320160 STATOR HEATING 1 00PF 2MPa 3MPa 4MPa 0 800PF 0 850PF 0 900PF 0 915PF 0 935PF 0 950PF 0 700PF ROTOR TEMP HI 0 600PF 海南昌江核电厂高级运行教材 额定频率 50HZ 额定转速 3000r min 额定氢压 0 5MPa 短路比 0 5 相数 3 额定励磁电压 441V 额定励磁电流 4493A 图图 10 1 1710 1 17 海南昌江核电厂海南昌江核电厂 P QP Q 图图 图 10 1 17 是昌江核电厂的 P Q 图 图中纵坐标称为无功功率 单位为兆乏 MVar 横坐标为有功功率 单位为兆瓦 MW 由图可见 对应于不同的氢压 有不同的运行区域 主控室 DEH 监视画面中有此运行区域的显示 操纵员应监视运行点落在此区域内部 10 610 6励磁机组结构励磁机组结构 发电机励磁系统的主要功能是精确控制和调节发电机机端电压及发电机无功功率 10 6 110 6 1结构简述结构简述 海南昌江核电的励磁系统为机端自并励励磁系统 由连接在机端的励磁变压器 整流 桥 自动电压调节器 AVR 灭磁及过电压保护装置 起励装置及其他的辅助测量 保护 及报警装置组成 如图 10 1 18 所示 图 10 1 18发电机静态励磁系统原理简图 工作原理是由接到发电机出口端的励磁变压器供给整流屏电源 励磁调节器控制通过 采样进行运算 判断并输出脉冲到整流屏控制可控硅的开通角度 整流屏将励磁变压器输 入的交流电流整流为直流电流输出到发电机转子滑环 10 6 210 6 2励磁变压器励磁变压器 我公司励磁变压器采用三相干式变压器 容量为 7200kVA 变比为 20kV 1000V 接线 形式为 Dy11 励磁变提供测温装置 该装置设有提供远方信号的引出接点 高压侧每相提 供 2 组套管 CT 一组用于保护 一组用于测量 低压侧每相提供 1 组 CT 用于保护和测量 并且励磁变上部空间不应有水管路通过 10 6 310 6 3励磁调节器励磁调节器 励磁调节器 AVR 采用数字微机型 性能可靠 具有微调节和提高发电机暂态稳定的 特性 励磁调节器设有过励磁限制 过励磁保护 低励磁限制 电力系统稳定器 V HZ 限 制器 转子过电压保护和 PT 断线闭锁保护等单元 其附加功能包括转子接地保护 转子温 度测量 串口通讯模块 跨接器 CROWBAR DSP 智能均流 轴电压毛刺吸收装置等 AVR 采用两路完全相同且独立的自动励磁调节器并联运行 两路通道间能相互自动跟 励磁变励磁调节器整流器灭磁单元 调节器 测量元件 RE 海南昌江核电厂高级运行教材 踪 当一路调节器通道出现故障时 能自动无扰切换到另一通道运行 并发出报警 单路 调节器独立运行时 完全能满足发电机各种工况下正常运行 手动 自动电路能相互自动 跟踪 当自动回路故障时能自动无扰切换到手动 AVR 中装设无功功率 功率因数等自动调节功能 自动励磁调节装置能在 10 40 环境温度下连续运行 也能在月平均最大相对湿度为 90 同时该月平均最低 温度为 25 的环境下连续运行 采用风冷的硅整流装置能在 10 40 环境温度下连续 运行 AVR 柜采用柜内底部轴流风机强迫通风 能保证 AVR 正常运行 励磁系统的控制单元 AVR 单独布置在一个封闭的金属屏体内 屏内没有一次回路接 入 有效避免的一次回路对于二次回路的干扰 通信线缆采用了抗干扰性强的光纤 10 6 410 6 4可控硅整流器可控硅整流器 功率整流装置的一个功率柜退出运行时能满足发电机强励和 1 1 倍额定励磁电流运行 的要求 当有 2 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 可控硅元 件结温 强迫风冷 设计值 90 整流装置的每个功率元件都设有快速熔断器保护 以 便及时切除短路故障元件 并可检测熔断器熔断并给出信号 该套励磁系统整流屏冷却风机采用了双路电源 一路为厂用电 一路为自用电 保证 了不会因为电源故障造成整流屏失去冷却 风机的无故障寿命为 42000 小时 具有 10 年的 平均无故障时间 可控硅桥按 n 1 的冗余配置 整流装置并联元件具有均流措施 整流元 件的均流系数不低于 0 95 控制回路的供电外接两路厂用直流电源 内部一路自用电 三 冗余的电源对系统的可靠运行提供了充分的保证 自用电均来自于励磁变压器的二次侧 10 6 510 6 5起励和灭磁单元起励和灭磁单元 在静态励磁系统 通常称为自并励或机端励磁系统 中 励磁电源取自发电机机端 同步发电机的励磁电流经由励磁变压器 磁场开关和可控硅整流桥供给 一般情况下 起 励开始时 发电机的起励能量来自发电机残压 当可控硅的输入电压升到 10V 20V 时 可 控硅整流桥和励磁调节器就能够投入正常工作 由 AVR 控制完成软起励过程 如果因长期 停机等原因造成发电机的残压不能满足起励要求时 则可以采用 220V DC 电源起励方式 当发电机电压上升到规定值时 起励回路自动脱开 然后可控硅整流桥和励磁调节器投入 正常工作 由 AVR 控制完成软起励过程 励磁系统软起励的过程曲线如图 10 1 2 UG 100 t Softstart time Ex 5s Softstart Field flashing 图 10 1 2 UN6800 励磁系统软起励过程曲线 并网后 励磁系统工作于 AVR 方式 调节发电机的端电压和无功功率 或工作于叠加 调节方式 包括恒功率因数调节 恒无功调节以及可以接受调度指令的成组调节等 灭磁 设备的作用是将磁场回路断开并尽可能快地将磁场能量释放 灭磁回路主要由磁场开关 海南昌江核电厂高级运行教材 灭磁电阻 晶闸管跨接器及其相关的触发元件组成 10 6 610 6 6电力系统稳定器电力系统稳定器 电力系统稳定器 PSS 是 UNITORL 6800 测量单元板 MUB 的一个标准软件功能 PSS 通过引入附加反馈信号来抑制同步发电机的低频振荡 提高电网的稳定性 PSS 的控制算 法基于双输入型的 PSS 模型 附加反馈信号为机组的加速功率信号 由电功率信号和转子 角频率信号综合而成 发电机的有功功率达到某一设定值时 就可以手动投入电力系统稳定器 PSS 此工作 必须由专业的操作人员进行 发电机电压则被限制在设置的给定范围内 例如在 90 110 UGN PSS 可以在任意时间手动退出 并且 如果发电机有功功率及电压超出设定值或者 与电网解列 PSS 将自动退出 10 6 710 6 7转子接地保护转子接地保护 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 每段定值和延时可单独调整 如图 10 3 3 所示为 ABB 公司 UN6800 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 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 1 2 F 若附加电压 的频率为 50Hz 则对地容抗仅有 1 6 3 2k 可见 对于氢冷机组 对地电容的容抗 0 U 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 海南昌江核电厂高级运行教材 图 10 3 3 转子接地保护原理图 10 6 8 限制器 限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行 避免由于保护继电器动作而造成非正常 事故停机 图 10 3 4 示出了额定端电压时凸极同步发电机的典型功率圆图和对应的运行极 限位置 由图中可以看出 在过励区域设置有最大励磁电流和感性定子电流两个过励限制 器 在欠励区域设置有容性定子电流 无功限制 P Q 限制 和最小励磁电流三个欠励限 制器 限制器的工作原理是 每个限制器都有其限制量和限制值 当限制量的数值达到限制 值时 相应的限制器就会产生一个限制量与限制值之间的偏差信号 过励区域限制器动作 后 会把励磁电流减小到一个最大允许水平 而欠励区域限制器动作后 则会将励磁电流 增加到所需要的最小水平 在正常工况时 发电机运行在功率图的允许范围内 PID 控制 器的输入是机端电压的偏差信号 即主偏差信号 如果运行工况变化使过励限制器偏差信 号低于主偏差信号 它的优先级将高于主偏差信号 这样 PID 控制器就得到各偏差信号 中的最小值 这种原理也同样适用于欠励限制器 但方向相反 1 励磁电流限制 最大励磁电流限制器用于防止转子回路过热 它设计具有反时限特性 限制器有两个 限制值 一个是强励顶值电流限制器 另一个是连续运行允许的过热限制值 与过热限制 值关联的两个控制参数分别是转子等效加热时间和转子等效冷却时间 同步发电机正常运行过程中 无限制器动作 最大励磁电流限制器的限制值是强励顶 值电流限制值 Imax 即 AVR 可以在必要时提供强励顶值电流 在系统故障需要强行励磁来 排除故障时 如果励磁电流的实际值超过过热限制值 调节器就会启动一个剩余功率积分 器 将电流偏差值 i2 其中 i Ifield Itherm 对时间积分 其结果正比于励磁绕组的加热 能量 如果励磁电流持续高于过热限制值 那么积分器的输出 i2dt E 将会增加 当积 分器的输出值超过 Emax时 最大励磁电流限制器的限制值将从 Imax降低到 Itherm 上述工作 由过热检测器完成 当励磁电流降到正常值 以下后 剩余功率积分器启动反向冷却积分 按冷却时间常数 Tcooling降低其输出 海南昌江核电厂高级运行教材 图 10 3 4 凸极同步发电机的典型功率圆图 如果系统继发故障 允许再次强励 如果此时冷却时间尚未结束 则剩余能量达到 emax 所需的时间 即在此强励电流下允许运行的时间 比第一次强励时间要短 如果冷却 时间已经结束 限制器复位 限制器将允许励磁电流在强励允许的正常时间段中保持在顶 值水平 可以用外部信号干预过热限制值 Itherm 如表示发电机冷却气体的温度信号 该信 号可以被附加到过热限制值 Itherm上 最大励磁电流限制器在不同情况下有两种限制特性如 图 10 3 5 所示 图 10 3 5 最大励磁电流限制器的两种限制特性 最小磁场电流限制器的主要任务是防止失磁 这个功能通常用于水轮发电机组 它有 可能在功率图的欠励侧做深度进相运行 即近于零励磁电流运行 在这种情况下 最小励 磁电流限制器保证励磁电流不小于最小限制值 该限制值是维持变流器正常工作所必须的 同时还可用于防止转子极靴过热 最小磁场电流限制器只有一个最小限制值 瞬时动作 2 定子电流限制 该限制器用于防止发电机定子过热 在过励和欠励侧均有效 其工作原理与最大励磁 电流限制器的工作原理相似 主要差别在于定子电流限制器没有一个确定的最大定子电流 prospective value of field current Ifmax 1 6 Ifn Iftherm 1 05 Ifn Tequiv 10 s t t s If A Case 1 Case 2 海南昌江核电厂高级运行教材 限制值 当时间趋于零时 限制值理论上可趋于无限大 Imax 通过适当的参数整定 可以得到接近于定子绕组最大允许热能 Emax的反时限特性 定子电流限制器分欠励侧和过励侧两部分 其限制量均为定子电流的平均值 当发电 机过励时 欠励侧定子电流限制器截止 反之亦然 通过检测负载的功率因数 可保证定 子电流限制器双方向 过励和欠励 动作的正确性 显然 定子电流限制器不能影响发电 机的有功电流分量 如果发电机的有功电流分量高于定子电流限制器的限制值 为避免误 动作 限制器会自动将发电机无功功率调整为零 3 P Q 限制器 P Q 限制器本质上是一个欠励限制器 用于防止发电机进入不稳定运行区 该限制器 的限制曲线由对应五个有功功率点 P 0 P 25 P 50 P 75 P 100 的五个无功功率设定值确定 曲线与发电机的定子电压水平有关 发电机电压变化时 限 制曲线随之偏移 10 6 910 6 9 发电机上电流程发电机上电流程 用 FCB On 命令来投入磁场断路器 FCB FCB 闭合 检查并确保不存在激活状态的事件 报警或备用通道报警 励磁系统电源来自并接于发电机机端的励磁变压器 检查辅助起励电源是否存在 检查电机转速是否高于额定转速的 90 用 EXC On 命令投入励磁系统 5 20 秒内建立电压 发电机空载运行 通过对电压给定值执行 raise lower 命令操作 从而调节发电机电压 直到发电机电压 与电网电压相同为止 现在具备在并网状态下运行励磁系统的条件了 一旦电网与发电机电压同步 便会合上发电机出口断路器 发电机的无功功率接近于 零 通过对电压给定值执行 raise lower 命令 从而将所需的无功功率设置在发电机的安全 运行范围内 调节发电机电压 发电机发出无功功率 10 710 7电气系统的运行电气系统的运行概述概述 昌江第二核电厂的电气系统包括发电机主回路 厂用电系统和电力输送回路 发电机系统包括发电机 励磁机 封闭母线 发电机出口断路器 主变压器以及高压 厂用变压器等部分 厂用电系统又分为核岛和常规岛两个部分 其中核岛部分包括了公用 和共用的电气系统 海南昌江核电厂高级运行教材 10 7 210 7 2电气主接线电气主接线 发电机定子绕组出线通过连接箱与封闭母线相连 在封闭母线中串接有发电机出口断 路器 GSY001JA 在发电机出口断路器和主变低压侧之间增加了隔离刀闸 GSY001JS 在封闭 母线连接到主变压器 GEV001TP 之前 T 接有两台高压厂用变压器 GEV100TS 和 GEV200TS 两台高压厂用变压器低压侧各有两个绕组 其中 GEV100TS 为常规岛高压厂用变 压器 低压侧绕组分别向常规岛 6 0kV 厂用母线 LGA B 供电 GEV200TS 为核岛高压厂用变 压器 低压侧绕组分别向核岛 6 0kV 厂用母线 LGC D 供电 发电机出口电压为 20kV 主变压器 GEV001TP 高压侧为 220kV 通过 SF6绝缘母线与 GIL 连接 最终连接到 220kV SF6 GIS 开关站上 与 220kV 电网相连 昌江核电厂 220kV 开关站目前主接线方式为 一个半 接线方式 设置 6 个配电间隔 形成四个完整串 六 回出线 其中至李坊站两回 至大成站两回 备用两回 厂内每台机组各设有两台柴油发电机组 系统代码分别为 LHP LHQ 它们分别连接到 厂用电系统 6 0kV 应急母线 LHA LHB 作为厂内应急备用电源 我厂还设置了全厂共用的 附加柴油发电机组 系统代码为 0LHF 正常为冷备用 另外 我厂设有 220kV 辅助电源 系统代号为 9LGR 由昌江变电站供电 作为电厂初 期施工 调试及启动电源和正常运行时的厂外备用电源 LGR 系统包括一套 220kV 进线 SF6 GIS 开关站 两台辅助变压器和相应的两条中压配电母线 10 7 310 7 3电气设备的布置电气设备的布置 核电站电气设备主要布置在 LX MX NX TD JX TA TB TC 及 DX 厂房中 其中 主发电机 励磁机纵向布置在汽轮机厂房 MX 的 8m 平台上 发电机出线封闭母线纵向布置 发电机出口断路器布置在 0m 层 电压互感器 中性点接地系统等布置在 1 2m 层 主变压 器以及高压厂用变压器布置在汽轮机厂房外两侧的 TA 平台上 高压厂用变压器为三相变压 器 紧靠着汽轮机厂房布置 主变压器为三台单相变压器 每相用防火墙隔开 220kV 的高压组合电气设备 GIS 为 SF6气体绝缘配电装置 为露天列式布置 位于 网控楼 TC 的西侧 网控楼 TC 与淡水厂毗邻 相应继电器室 蓄电池室 直流屏及 380V 站用电源系统均 布置在 TC 厂房内 辅助锅炉的电源变压器 位于 VA 厂房与 JX 厂房之间 VA 厂房位于 JX 与 ZC 厂房之间 应急柴油发电机组及其配套设施布置在 DA DB 厂房内 DA DB 位于电气厂房 LX 两侧 和燃料厂房 KX 之前 附加柴油发电机及配套设施布置在 DF 厂房内 6 0kV 正常和公用厂用中压系统 LGA LGB 和 LGC LGD 9LGIA 9LGIB 分别布置在 MX 厂房 0m 的电气间和 LX 厂房的 7m 层 正常厂用电电源 厂外备用电源以及柴油发电机电 源都通过 6 0kV 中压电缆连接到 LX 和 MX 内 核岛 380V 交流配电盘 包括 6 0kV 380V 降压变压器 主要集中于 LX 厂房 7m 层 常 规岛 380V 交流配电盘 集中布置在 MX 厂房的 0m 层 在核辅助厂房和燃料厂房内 也有 相应的 380V 配电盘 外围 BOP 辅助的 380V 配电盘分布于全厂各主要 BOP 建筑物内 核岛直流系统布置在 LX 厂房 7m 常规岛直流系统主要布置在 MX 厂房 0M 层的直流电 气间内 海南昌江核电厂高级运行教材 10 810 8发电机回路发电机回路 10 8 110 8 1主回路接线方式主回路接线方式 发电机和主变压器的连接采用一台发电机和一组 三台 单相变压器相连接的单元接 线 发电机的额定功率为 660MW 端电压为 20kV 每相主变的容量均为 3 260MVA 主变 变比为 220kV 20kV 主变低压侧在发电机出口断路器之后 T 接入两台高压厂用变压器 其 中常规岛高压厂变变比为 20kV 6 3kV 6 3kV 容量为 50MVA 25MVA 25MVA 核岛高压厂 变变比为 20kV 6 3kV 6 3kV 容量为 50MVA 25MVA 25MVA 主变高压侧与 220kV 系统 连接 发电机和主变之间设出口断路器 可实现 220kV 系统倒送电和发电机同步并网的运 行方式 发电机中性点采用变压器接地方式 在变压器经二次侧接一个大电流低阻值的电 阻 并注入电流 实现 100 接地保护 10 8 210 8 2主发电机及并网系统 主发电机及并网系统 GSYGSY 1 主发电机 昌江第二核电站的两台 660MW 3000r min 汽轮发电机是由哈尔滨电机厂设计制造的 发电机冷却方式为水 氢 氢方式 即定子线圈及出线套管为水内冷 转子线圈和铁芯为 氢冷 发电机的主要技术参数 额定容量 733 3MVA额定功率660MW 最大连续出力700MW额定功率因数0 9 滞后 额定电压20kV额定定子电流21170A 设计值 额定励磁电流4493A 设计值 定子接线 YY 2 发电机并网系统 GSY 发电机同步并网系统由全连式自冷离相封闭母线 发电机断路器和同期装置以及发电 机中性点接地装置组成 其功能是监测发电机和高压电网的电压幅值和频率以及相位 当 三者基本相同时 使发电机实现同步并网 1 全连式自冷离相封闭母线 全连式自冷离相封闭母线的用途是将发电机发出的电力输送到主变压器 高压厂用变 压器 分相封闭母线将各相母线导体分别用绝缘子支撑并封闭于各自的外壳中 外壳本身在 电气上连通 并在不同的点用短路板将三相外壳短接 构成三相外壳回路 当母线导体流 过电流时 外壳上将感应一个方向相反的电流 对母线电流磁场产生屏蔽作用 使外壳磁 场大大减小 分相封闭母线与以往应用的敞露式母线相比 由于带电的母线导体被封闭在接地的金 属外壳内 基本上杜绝了相间短路 因而提高了母线的运行安全可靠性 此外由于外壳反 向电流的屏蔽作用 大大减少了短路时的电动力及附近钢构件的能耗 载流母线封闭在外 壳内 基本不受灰尘潮气等影响 维护工作量少 为确保母线的绝缘水平不致降低引起闪络 在封闭母线系统装设一套智能防结露装置 以压力值和露点值作为控制的条件 可以自动的以微正压工作方式或循环干燥的方式运行 海南昌江核电厂高级运行教材 以防止发电机停运时绝缘子结露 2 断路器 发电机出口断路器型号为 HEC 7 由 ABB 生产 由 3 个单相组成 通过连接片和隔离 刀闸分别与发电机和离相封闭母线相连 额定最高电压为 24kV 有效值 额定最大连续 电流 24kA 有效值 关合能力 250kA 有效值 最大对称短路电流开断能力 160kA 有 效值 最大不对称短路电流开断能力 210kA 有效值 瞬时耐受电流能力 600kA 峰值 发电机出口断路器能在故障情况下切断短路电流而不影响设备性能 发电机出口断路器采 用液压弹簧操动机构 SF6气体绝缘 可就地 远方操作 三相联动 电机的操作电压为 380V 交流 为了满足要求的额定电流 发电机出口断路器设有两套风冷装置 每套三个风 机 三相共 18 个小风机 这两套风机分别由断路器的两个辅助触点