发电机励磁系统讲稿

发电机励磁系统 目录 励磁系统的原理 励磁系统的作用 励磁系统的分类 第一章概述 第一节发电机励磁系统基本原理 供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统 它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分 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 第二节励磁系统的作用励磁系统是发电机的重要组成部份 它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响 励磁系统的主要作用有 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 控制并列运行各发电机间无功功率分配 提高发电机并列运行的静态稳定性 提高发电机并列运行的暂态稳定性 在发电机内部出现故障时 进行灭磁 以减小故障损失程度 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 第二节励磁系统的作用 第三节励磁系统的分类 第二章UN5000励磁系统 我厂发电机励磁系统采用的是机端自并励静止励磁系统 全套进口瑞士ABB公司原装产品 型号 UNITROL5000系列Q5S O U251S6000 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 其主要分为四个部分 励磁变压器 励磁调节器 AVR 可控硅整流器 起励和灭磁单元 如下图所示 发电机静态励磁系统原理图 三相油浸式励磁变 主要优点 没有旋转部件 运行可靠性高 调整 维护简单 检修方便 自并励方式取消了励磁机 缩短了的汽轮机 发电机轴系长度可提高机组轴系的稳定性 提高机组安全运行的水平 因励磁调节直接在转子回路中 没有主励磁机时滞环节 属快速响应励磁系统 技术指标高 响应快 性能参数好 起励装置 自并励系统及其主要特点 自并励方式的缺点 整流装置电源电压取自发电机端 系统故障时 随着机端电压下降 影响励磁系统的强励能力 有碳刷增加了维护量 发电机近端短路时 因机端电压突然降低很多时可能不满足强励要求 强励减弱时 短路电流迅速衰减 而造成出口带时限继电器拒动 使故障扩大 须加有记忆功能继电器 起励时 发电机剩磁不足以提供可控硅的导通电压 发电机不能自励 需要另外设置起励电源 我公司励磁变压器采用三相油浸式变压器 冷却方式为自然油循环自冷 ONAN 容量为7500KVA 变比为22KV 860V 一次电流196 8A 二次电流5035A 接线方式为D Y11 励磁变提供测温 轻瓦斯 重瓦斯及压力释放装置 高压侧每相提供3组套管CT 两组用于保护 过流 过负荷 差动 一组用于测量 电压 电流 低压侧每相也提供三组CT 两组用于保护 一组用于测量 第一节励磁变压器 第二节可控硅整流器 采用三相全波桥式整流 由六个臂组成 共有五个功率柜组成 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 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 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 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 如果三台功率柜故障则自动切断励磁 第二节可控硅整流器 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 标准整流器 n 5 具有五个并联的可控硅整流桥 其中至少有一个冗余的 n 1 配置 n 1 的含义是当一个可控硅故障时 系统仍能满足最大励磁功率 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 CIN 整流桥接口板 主要功能是向门极驱动板GDI发送用于触发三相全控桥的序列脉冲 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 整流桥的实际状态显示在柜门的整流桥显示面板CDP上 GDI 门极驱动器将脉冲放大到晶闸管触发所必须的水平 第三节起励和灭磁单元 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 当励磁投入后 可控硅桥立即被触发 只要可控硅输入端有10 20V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10V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 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 软起励过程开始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 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 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 灭磁单元 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HPB60M 81S额定电压1000V 开断电压3000V 设计开断电压1900V 短路电流开断能力100KA以上 1 灭磁作用 当发电机内部 引出线 厂高变等发生故障时 虽然保护装置动作迅速切除故障 但励磁电流产生的感应电动势会继续维持故障电流 为了迅速排除故障 减小其损坏程度 必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放 实验表明 只要剩磁电压小于500V 电弧变不能维持一般剩磁电压不大于100 300V 即把励磁绕组的电流建立的磁场迅速降低到最小 2 灭磁要求 a 灭磁时间尽可能的短 发电机端电压由额定值Un降至5 Un所需的时间称灭磁时间 b 励磁绕组两端的过电压不超过允许值 通过跨接器来实现过压保护的要求 3 灭磁方式 按励磁系统的不同 主要有两种自然灭磁 一般是对采用旋转二极管整流方式的励磁系统用如无刷励磁系统 通过整流二极管的续流作用实现自然灭磁 时间较长10S左右 和逆变灭磁 对采用可控硅整流方式的励磁系统用如自并励励磁 4 灭磁回路 由灭磁开关 跨接器Crowbar和灭磁电阻组成 灭磁电阻用于实现发电机的快速灭磁 a 非线性电阻 02 共五个 并联固定接在发电机励磁绕组回路中 不受直流回路中的灭磁开关控制 励磁电流的衰减过程取决于灭磁电阻的特性 非线形电阻的灭磁特性比线性的好 励磁电流的衰减比较快 b 当灭磁开关断开时 通过触发跨接器的可控硅将励磁电流瞬时导入灭磁回路 灭磁过程开始 灭磁开关触头可以无负荷断开 c 发电机正常运行时 跨接器的可控硅不导通 非线性电阻上不通过电流 灭磁开关跳开后 跨接器的可控硅接受触发脉冲导通 将励磁电流瞬时导入灭磁回路 直至磁场能量释放完 d 跨接器作为励磁绕组和可控硅整流器过电压保护 逆变灭磁是将能量释放在励磁变低压绕组上 逆变灭磁在灭磁开关分闸时间内完成的 一般是在毫秒内完成 磁场开关跳开后通过非线性电阻实现灭磁 灭磁时间较短2 3S左右 跨接器触发板 触发单元UNS0017是静态灭磁装置 跨接器 的一部分 具有多个独立的放电可控硅触发回路 发电机的受控灭磁回路是双冗余的 与灭磁开关的跳闸线圈同时接通 设有一个电压监测回路 在励磁电压超过设定值3800V时它会自动触发可控硅 因此跨接器作为独立的过电压保护装置 可保护可控硅和磁场绕组免受危险过电压尖峰的冲击 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 第四节自动电压调节器AVR AVR的基本原理 主要由测量比较 综合放大和移相触发三个基本单元构成 测量比较单元用来测量经过变换的与发电机端电压成比例的直流电压 并与相应的电压整定值进行比较 得到偏差 电压偏差信号输入到综合放大单元 综合放大单元对测量等信号起综合放大作用 移相触发单元则根据输入的控制信号的变化 改变输出到可控硅的触发脉冲 改变导通角 从而控制可控硅的输出电压 以调节发电机的励磁电流 我公司AVR选用的是2AVR 2FCR 2BFCR 也就是带有手动紧急备用通道的双通道系统 这是目前UN5000系统励磁系统的最高配置 AVR 自动电压调节器 FCR 励磁电流调节器 BFCR 后备励磁电流调节器 UG 发电机机端电压测量信号 IG 发电机定子电流测量信号 IF 励磁电流 带有紧急备用通道的双通道系统 AVR内部模块 励磁模块 A10 A20 用于对可控硅桥的控制 安装在一个金属小箱内具体包括 控制板 COB 负责所有的调节和控制功能 还包括可控硅的脉冲产生 每一块COB包括以下功能 自动电压调节器 自动控制 励磁电流调节器 手动控制 具有时间可调的软启动功能自动运行通道和自动备用通道之间的自动跟踪自动和手动通道的双向自动跟踪恒无功或恒功率因素的控制PSS电力系统稳定器 测量单元板 MUB 用于测量发电机定子侧信号 它直接测量发电机的三相电压和电流 并通过这些量计算出其它信号 如P Q f等 同时提供了强电参数和测量信号之间的电气隔离 扩展门极控制板 EGC 作为双通道配置的后备通道使用 EGC连同COB MUB一起安装在同一个金属箱中 但在结构上是独立的 EGC具有下列功能 励磁电流调节通道跟踪 以便在COB故障时实现平稳切换备用瞬时过电流保护继电器备用反时限过电流继电器直流侧短路保护 快速输入输出界面卡 FIO 用于模拟和控制信号的连接包括 16位输入 带光耦合器 额定24VDC 控制输入电源来自内部电源模块 18个输出继电器 带转换触点 用于状态显示和报警 4个多目的模拟输出 10V4个多目的模拟输出 10V或 20mA 2个模拟输入用于励磁变压器温度测量1个模拟输入用于CROWBAR的电流 电力信号界面卡 PSI 控制模块 COB 和励磁系统实际测量值之间的带电气隔离的一个接口 包括励磁电流和电压的测量 可控硅整流桥输入电流和电压的3相测量 励磁调节器 AVR 采用数字微机型 AVR中装设无功功率 功率因数等自动调节功能 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 H限制及转子过电压保护和PT断线闭锁保护等单元 其附加功能包括转子一点接地保护 转子温度测量 串口通讯模块 跨接器 DSP智能均流 轴电压毛刺吸收装置等 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 手动 自动电路应能相互自动跟踪 当自动回路故障时能自动无扰切换到手动 CT PT均为两路独立的输入回路 主通道1和主通道2之间的切换 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故障通道 如果不工作的通道故障 从工作通道到不工作通道的手动切换是不可能的 若一个通道发生故障 发电机电压同时也发生动态扰动 然而 立即自动切换到不工作的通道 此不工作的通道不应当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 应当考虑到从工作通道向不工作通道的手动切换时相应的迟缓特性 直接跟随发电机的电压变化 则切换具有一个短的延时 这种方法在每一种场合都能达到无扰动切换 主通道自动 手动方式之间的切换 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 另一方面 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 所以在任何时间运行方式之间的切换都是可能的 切换至紧急备用通道 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 除了励磁电流调节器之外 紧急备用通道还装有过电压保护和独立于主通道的触发脉冲控制器 插入到主通道的过电压保护插件起后备保护作用 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 叠加控制 无功功率调节器 功率因数调节器投入 退出 如果选择自动方式 并且发电机已连接到电网 就可以切换到无功功率调节器 Q 功率因数调节器 cosPhi 无功功率调节器 Q 功率因数调节器 cosPhi 是电压调节器的上位调节器 并且在运行中只是缓慢地起作用 因此 电网的短时故障不会影响此上位调节器 而还是电压调节器在起作用 自动方式的所有限制器和原来一样起作用 如果需要的话可以控制电压调节器包括上位调节器 无功调节器 功率因数调节器的特点是可以对其自身的给定点进行设置 给定点积分器 当上位调节器断开时 给定点设置总是跟随实际值 当前的无功功率Q 当前的功率因数 这就意味着发电机的运行点从电压调节器过渡到上位调节器不能立即起作用 而只是在上位调节器的设定点由HIGHER 升高 LOWER降低命令调整后 无功功率Q 功率因数也相应地改变 叠加控制 无功功率调节器 功率因数调节器投入 退出 失磁保护 P Q 发电机运行点在超出其稳定极限时 失磁保护动作 跳发电机 利用功率圆图上的五个点设定保护曲线 保护曲线与P Q限制器的限制曲线相似 但P Q保护曲线在P Q限制曲线基础上左移5 到10 由于同步发电机的稳定极限与机端电压有关 P Q保护曲线也与发电机端电压成比例校正 发电机工作点超过保护曲线时 触发定时器 经过可整定的延时后发出跳发电机命令 定时器延时启动信号也可用于报警 过激磁保护 V Hz触发器 用于防止同步发电机和变压器过磁通 过激磁保护首先根据发电机频率和设定值计算出当前的机端电压允许值 如果发电机实际电压超过允许值 就会触发定时器延时 在延时结束前 如果电压仍没有返回到允许值 则发出跳闸信号 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 定子电流限制器 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 最大励磁电流限制器和最小励磁电流限制器 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 调节器就会起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 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 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 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 转子接地保护 近年来 大型汽轮发电机装设一点接地保护已属定论 国内外均无异议 但在一点接地保护动作于信号还是动作于跳闸的问题上 存在着不同的看法 主张动作于信号者 则考虑装设两点接地保护 主张动作于停机者 则认为不必再装设两点接地保护 这有利于避免发生汽机磁化 另外 由于目前尚缺少选择性好 灵敏度高 经常投运且运行经验成熟的励磁回路两点接地保护装置 所以也有不装设两点接地保护的意见 进口大型机组 很多不装两点接地保护 我公司采用的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 转子接地保护装置UNS3020的原理图和外形图 转子接地保护装置UNS3020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 如上图所示为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 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判据 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 第三章励磁系统操作 励磁系统恢复热备操作 检查1号机220V直流段启励电源K23已合好检查1号机110V直流A段励磁控制电源一K04已合好检查1号机110V直流A段励磁控制电源二K05已合好检查1号机110V电子间直流分屏励磁系统第二路跳闸控制电源K15已合好检查1号机零米MCC1C段励磁柜加热及照明电源开关已合好检查1号机锅炉 汽机380 220VMCC段励磁柜风机电源开关已合好检查1号机励磁系统画面中灭磁开关 Q02在断开位置检查1号发电机励磁系统灭磁开关 Q02就地在断开位置在1号机励磁控制柜内合上启励电源Q03在1号机励磁控制柜内合上调节器24V交流电源开关Q05在1号机励磁控制柜内合上控制电源开关Q15在1号机励磁控制柜内合上第二路跳闸控制电源开关Q25在1号机励磁控制柜内合上调节器110V直流电源开关Q35在1号机励磁控制柜内合上调节器24V输出开关Q51在1号机励磁控制柜内合上励磁系统照明加热电源开关Q90在1号机励磁控制柜内合上整流柜冷却风机电源Q91在1号机励磁控制柜内合上调节柜排风风机电源开关Q96 在五个整流柜内分别合上两组冷却风机电源小开关Q11 Q12按下1号机励磁系统就地控制盘LCP LAMPTEST 按钮 检查灯试正常检查1号机励磁系统就地控制面板上 FCB0FF 灯亮检查1号机励磁系统就地控制面板上 EXCOFF 灯亮检查1号机励磁系统就地控制面板上 MANUAL 灯亮检查1号机励磁系统就地控制面板上 CH 1 或CH 2 灯亮检查1号机励磁系统就地控制面板上 P F MvarOFF 灯亮检查1号机励磁系统就地控制面板上 LOCAL 灯亮检查1号机励磁系统就地控制面板上 RAISE LOWER 灯灭检查1号发电机励磁系统1 5号功率柜各桥臂熔丝正常检查1号发电机励磁系统1 5号功率柜CDP显示正常 OFF 灯亮关上1号发电机励磁系统各柜门 并上锁检查1号机励磁系统就地控制面板LCP上无异常报警检查1号机励磁系统画面中 励磁系统无异常报警检查1号机励磁系统画面中 CH 1ON 或 CH 2ON 反馈正常按下1号机励磁系统就地控制面板上 REMOTE 按钮检查1号机励磁系统就地控制面板上 REMOTE 灯亮 LOCAL 灯灭检查1号机励磁系统画面中 REMOTE 反馈正常 转子绕组测绝缘 确认发电机已停运出口闸刀已断开 确认发电机励磁系统冷备用状态 确认发电机已充氢 取下发电机碳刷 取下两个转子接地保护保险F04 用500V摇表在集电环处测绝缘R 1兆欧为合格 就地控制屏LCP L