山东邹县1000MW解析.docx

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山东邹县1000MW解析

邹县发电厂1000MW机组励磁系统介绍

摘要：

本文介绍了我厂的1000MW机组励磁系统的构成、工作原理及各项限制保护功能

关键词：

四期励磁系统介绍

我厂四期1000MW机组励磁系统采用机端自并励励磁方式，励磁调节器为瑞士ABB公司生产的UNITROL5000微机型励磁调节器。

一：

发电机励磁系统组成及参数

1.1发电机为东方电机厂（日立公司）生产的三相同步汽轮发电机，发电机的主要参数如下：

型号

TFLQQ-KD

极数

2

额定容量SN

1120MW

定子线圈接法

YY

额定功率

1000MW

定子绕组绝缘等级

F级

额定功率因数cosφN

0.9（滞后）

定子铁芯绝缘等级

F级

最大连续输出容量

1100MW（与汽机VWO匹配下）

转子绕组绝缘等级

F级

额定电压

27000V

冷却型式

水氢氢

额定电流

23949A

额定励磁电压

501V

额定转速

3000r/min

额定励磁电流

5272A

频率

50Hz

空载励磁电压

166V

相数

3

空载励磁电流

1822A

1.2发电机采用机端自并励静态励磁系统，由发电机机端通过励磁变压器取得励磁电源，送至可控硅整流器。

励磁系统由以下设备组成：

（1）三台单相干式变压器，由德国ABB公司生产，设备主要参数为：

型号

RESIBLOC

冷却方式

AN/AF

容量

3×2700kVA

阻抗电压

11％

额定电压

27/0.961kV

绝缘等级LV/HV

F

额定电流

173.2/4866A

温升

80K

频率

50Hz

（2）ABB公司生产的UNITROL5000型自动电压调节器（AVR）柜一套。

双自动通道,两个通道完全相同,每个通道都有自动和手动控制方式。

（3）可控硅整流器由四个整流桥组成。

型号为UNL14300。

每台整流桥的额定电流IEN=3500ADC，整流桥采用双风机冗余冷却方式。

整流桥控制角范围为15°～150°。

整流桥最高温度设定为70°C，当温度高于60°C报警。

温度高于70°C时整流桥退出运行。

当两个整流桥故障时，闭锁强励;三个整流桥故障时，整流系统故障，发信号给发变组保护屏，机组全停。

（4）灭磁开关采用HPB60M110D31800E82S5000A2000V型高速直流断路器。

灭磁开关在直流侧。

整个励磁系统图如图1：

图1邹县发电厂四期工程励磁系统图

二、调节器的主要监测保护功能简介

（1）具有反时限特性的最大磁场电流限制器

最大磁场电流限制器用于防止转子回路过热。

它主要有两个不同的设定值，一个是强励顶值电流限制值，另一个是连续运行允许的过热限制值。

过热限制附加两个控制参数分别代表转子过热和冷却的等效时间。

从以上内容可以列出下述基本的设定值：

强励顶值电流限制值Imax1/2

过热限制值Itherm1/2

转子的等效过热时间常数Tequiv

转子的等效冷却时间常数Tcooling

有了这些设定值，最大磁场电流限制器就能够计算励磁绕组最大允许的热能ΔEmax。

该限制器的参数设定值和功能框图如图2所示。

图2最大和最小磁场电流限制器

最小励磁电流限制主要用于水轮发电机组深度进相，故在此汽轮发电机组退出最小励磁电流限制。

工作原理：

在同步发电机正常运行过程中（无限制器在起作用），最大磁场电流限制器的有效的控制点是强励顶值电流限制值Imax。

这说明AVR无论何时需要时都能达到强励顶值电流。

现在假定，出现了某一个系统故障，为了消除故障需要强励，只要励磁电流的实际值超出过热限制值，那么调节器就会起动一个过剩电力积分器，它将该电流偏差值Δi2（其中Δi=Ifield-Itherm）积分，这个积分的结果与励磁绕组的热能成正比。

如果励磁电流高于过热限制值一定时间，那么积分器的输出值∫Δi2dt=ΔE将会增加。

积分器的输出值一超过ΔEmax，最大磁场电流限制器的限制值将被从Imax减小到Itherm。

通过一个过热探测器可以探测到这种条件。

如果励磁电流降到它的正常值（在Itherm值以下），那么积分器的输出将开始随着冷却时间常数Tcooling降低。

如果系统中出现了另一个故障，强励电流在冷却时间结束之前再次高于Itherm，那么在这个强励电流下所允许的时间显然比第一个故障中的时间短，因为将会较早地达到ΔEmax值。

如果冷却时间已经结束（重新设定）了，那么限制器将仅允许励磁场电流在强励允许时间段中保持在顶值水平。

过热限制值Itherm可受到外部信号的影响，如代表发电机冷却空气温度的信号。

该信号被附加到过热限制值Itherm上。

最大磁场电流限制器在两种不同情况下的限制特性如图3所示。

图3：

最大磁场电流限制器的限制特

情况一：

IfPROSPECTIVE>Ifmax

情况二：

IfPROSPECTIVE>Iftherm

由下述表达式给出热限制器的激活时间：

t=（Imax1/2－0.9）2/（If－0.9）2×Tequiv

过励限制的整定

过励限制：

我厂四期工程励磁系统参数：

强励顶值电流倍数2.0

允许强励时间20s。

定值取110%Ien，180%Ien最大值延时10秒。

限制器动作时间1s，拉回到限制线110%Ien。

保护动作方程：

名称

参数

备注

1301REF1IETH

110%Ifn

最大连续励磁电流1

1302REF2IETH

100%Ifn

最大连续励磁电流2（未使用）

1303REF1IEMAX

180%Ifn

顶值励磁电流1

1304REF2IEMAX

100%Ifn

顶值励磁电流2（未使用）

1305TIMEIEMAXSEL

10.0s

强励时间

1306TCIEREDMAX-TH

1.00s

励磁电流从顶值到最大连续运行值的时间常数

4．过励保护：

超过限制线10%，延时2秒保护动作。

名称

参数

备注

902STARTIEMONITOR

10%

励磁电流限制实际值与监视器特性之间的裕度,以额定励磁电流Ifn的百分数表示.如果励磁电流超过该裕度,励磁过流监视动作.

903DLYIEMONITORING

2.0s

过流监视器的启动延时.延时结束发励磁过流1段报警信号OC1_EXC_CURR（10905）,指示励磁电流限制器在所设延时内未能奏效，切换到手动控制。

（2）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域。

可以用五个无功功率值对应五个有功功率水平（P=0%，P=25%，P=50%，P=75%，P=100%）来设定限制曲线。

限制曲线与发电机的电压水平有关，发电机电压变化时，限制特性随之偏移。

图4P/Q限制

P/Q限制的整定

低励限制的动作曲线是按照发电机不同有功功率静稳极限及发电机端部发热条件确定的。

由系统静稳条件确定进相能力曲线时，应根据系统最小运行方式的系统等值电抗，且不考虑其他发电机自动电压调节器的作用，确定该励磁系统的低励限制动作曲线。

2006年6月9日，中调保护科提供的系统参数：

母线

正序阻抗

零序阻抗

基准容量

220kV

X1∑=0.19（0.37）

X0∑=0.28（0.48）

1000MVA

500kV

X1∑=0.06（0.12）

X0∑=0.11（0.21）

1000MVA

注：

括号内对应最小运行方式。

主变的阻抗为18%，基准容量为1140MVA

最大联系阻抗为Xs=18%×

+12%×

=31%

发电机同步电抗为Xd=188%

在功角δ=900，静稳边界为一个圆。

其方程为

圆心为

=

、半径为

=2104MVA。

该发电机有进相要求，按静稳极限值留10%左右储备系数整定。

因此上述圆可以取：

圆心为

=

、半径为0.9×

=1894MVA。

如果没有规定低励限制动作曲线，一般可按有功功率P=SN时允许无功功率Q=0及P=0时，Q=-（0.2～0.3）QN两点来确定低励磁限制动作曲线，其中SN、QN分别为额定视在功率和额定无功功率。

本工程：

SN=1120MVA

PN=1008MW

QN=488Mvar

COSΦ=0.9

第1点：

P=1120MW，Q=0

第2点：

P=0MW，Q=-0.3×488=146.4MVar。

由于UNITROL_5000中的低励限制的功率基准为额定视在功率Sn，上述两点可以写为：

第1点：

P=100%，Q=0%

第2点：

P=0%，Q=-0.3×488=-13.1%Sn

根据上述两点确定其他3点：

P=25%时，Q=-9.8%

P=50%时，Q=-6.6%

P=75%时，Q=-3.3%

参考《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术》P395：

对有进相要求的发电机：

按厂用母线电压不低于95%的电动机额定电压为条件计算。

按发电机稳定运行功角≤700允许进相运行条件计算。

上述两个条件在发电机做完进相试验后确定。

参考东方电气提供的QFSN-1000-2-27型汽轮发电机技术数据汇总表7.1：

发电机容量曲线，见附录1。

由上：

做进相试验后低励限制曲线整定为：

发电机有功

实际整定为

备注

1501REF0Q（P）LIM

-13.1%SN

1502REF25Q（P）LIM

-9.8%SN

1503REF50Q（P）LIM

-6.6%SN

1504REF75Q（P）LIM

-3.3%SN

1505REF100Q（P）LIM

-1.5%SN（此处有调整）

上述整定的曲线在发电机容量曲线定子铁心端部温升限制范围内和静稳边界范围内。

低励保护：

Q（P）限制值与低励监视器特性之间的裕度,以额定无功电流的百分数表示.无功电流跌落到该值以下,低励监视器动作.

904STARTUELMONIT：

超过限制线10%；

905DLYUELMONITITOR：

延时2秒保护动作。

（3）过通量保护（V/Hz继电器）

该保护目的是防止同步发电机和变压器的磁通密度过于饱和。

保护功能是根据与基准电压的比较来工作的，而基准电压取决于在发电机电压实际值下的发电机的频率。

如果实际电压超过基准值，一个定时器将被触发。

如果在可调的时间延迟结束后，电压仍没有返回到允许值，那么跳闸信号会被触发。

图5V/Hz保护框图

根据《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术》P382。

（1）过激磁（V/Hz）限制器启动值为105%Ue/fe

（2）过激磁（V/Hz）限制器动作时间取0.2s。

（3）作用方式。

当过激磁限制动作后，瞬时限制电压频率比为105%。

V/HZ限制参数表为：

名称

参数

备注

1911REFV/HzLIMAVR

105%

V/Hz限制线斜率

1912REFUMAXfNOMAVR

105%

1.对应于额定频率（100%）的V/Hz电压百分值限制.

2.它表示V/Hz线总是以REF_V/Hz_LIM_AVR（1911）的斜率交于该点.

1913REFUMAXAVR

105%

绝对电压限制值，以额定电压百分值表示，与超速无关。

1914DELAYV/HzLIMAVR

0.2s

V/Hz限制器投入延时。

V/HZ保护参数

912V/HZMON：

超过限制线5%；

913DLYV/HZMONITITOR：

延时2秒保护动作。

（4）定子电流限制器

这个限制器在过励和欠励运行范围内防止发电机定子绕组过热。

它的工作原理与最大场电流限制器的工作原理相似。

在工作中的主差值与峰值极限（最大定子电流）的设定值有关，没有一个确定的值。

理论上，限制曲线对于工作时间接近于零来讲可能达到一个无限大值（Imax=无穷大）。

通过适当的确定参数，可以获得反时限特性，接近于定子绕组的最大允许的热能ΔEmax。

图19在过励和欠励运行模式下的定子电流限制器

两个限制器的实际值是定子电流的平均值。

当发电机过励时，欠励限制器被截止，反之亦然。

通过考虑到负载功率因数，一个逻辑电路保证了定子电流限制器在两个方向上（过励和欠励）的正确动作。

显然，定子电流限制器不能影响有功电流。

如果有功电流的数值达到高于定子电流限制器的控制点值的水平，那么为了避免限制器的错误动作无功功率被调整到接近于零。

定子电流限制的整定：

该限制器用于防止发电机定子绕组过热，在过励和欠励侧均有效。

定值取105%In，160%In最大值延时10秒。

限制器动作时间1s，拉回到限制线105%In。

保护动作方程：

名称

参数

备注

1401REF1IMACHTH

105%In

最大连续运行定子电流1

1402REF1IMACHTH

100%In

最大连续运行定子电流2

1403IMACHEQUIVALENT

160%In

等效定子电流

1404TIMEIEQUIVALENT

10.0s

等效定子电流时的延时

1405TCIMACHRED

1.00s

从顶值返回最大连续运行值的时间常数

（5）励磁变压器温度测量保护

在UNITROLR5000软件内执行励磁变压器绕组温度的测量。

温度的测量来源于PT100传感器。

每相使用一个传感器，并连接到快速输入/输出板（FIO）的三个模拟量输入点。

温度测量值可在现地控制面板（LCP）、手持编程器（LSP）上显示，并传送到控制室中。

软件中探测温度条件是否满足两个预定的温度临界值，分别用于报警和跳闸。

1）根据#7机励磁变压器安装和维护手册P28：

变压器风扇的运行寿命为30000小时，不能一直运行。

仅在需要时投入，平时使用空冷。

因此启动风扇的温度应躲过变压器额定运行时的温度。

2）根据励磁变的试验报告：

变压器的绝缘等级为F。

根据我国的相关标准，绝缘系统温度为155度，最高温升为100K。

3）在变压器柜北侧本体端子箱内有温度控制器，其中启动变压器风扇温度130度，报警温度140度，跳闸温度155度。

4）设定励磁调节器的励磁变温度保护定值

报警温度为140度

跳闸温度为155度

即：

1022TRTEMPDEGALARM140C

1023TRTEMPDEGFAULT155C

1024TEMPSENSORTYPEPT100THERMISTOR

（6）发电机转子过电压保护

直流侧过压保护由跨接器电路实现。

该电路采用雪崩二极管用于探测转子回路中的正向和反向过电压。

当雪崩二极管被击穿，相连的可控硅则被触发，立即将灭磁电阻器并联连接到转子回路上。

同时发出跳闸令使磁场断路器立即断开。

汽轮发电机采用实心转子，电力系统短路故障、发电机异步运行或非同期合闸等异常状态下产生的转子过电压倍数约2～3倍的额定励磁电压值。

发电机额定励磁电压560V，DL/T650-1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》4.19.1.1要求：

工频耐压试验标准为发电机额定励磁电压大于500V时，2倍额定励磁电压加4000V，即2×501+4000=5002V。

日立公司提供GEE-2006-0081发电机试验报告：

发电机转子耐压试验电压为5120V，1min。

DL/T650-1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》5.5.5要求：

汽轮发电机励磁系统如装设发电机转子过电压保护装置，则应简单可靠，动作值应高于强励后灭磁和异步运行时的过电压值，应低于转子绕组出厂工频耐压试验幅值的70%，其容量可只考虑瞬时过电压。

在强励状态下灭磁时发电机转子过电压不应超过6倍额定励磁电压值，应低于转子过电压保护动作电压。

（1）发电机转子过电压保护按70%转子绕组出厂工频耐压试验幅值整定。

＜70%×5002=3501V

（2）发电机转子过电压保护按躲过在强励状态下灭磁时发电机转子过电压。

＞6×501=3006V

发电机转子过电压保护定值设定为3200V。

（7）实际值监测（PT故障探查）

对PT故障的检测是通过对测量的发电机端电压与励磁变压器副边电压进行比较来实现的。

如果这两个电压的差值超过了预先调整的临界值（发电机额定端电压的15%），那么逻辑控制器将会起动切换：

将会从出现错误的通道（如果它处于工作状态）的自动模式切换到备用通道的自动模式。

如果，两组PT都出现故障，那么就会切换到手动模式

三：

手动控制

手动控制模式主要用于调试（如在设的投运或维护过程中），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的备用控制模式。

当手动控制模式下运行时，UNITROLR5000以同步发电机的励磁电流作为反馈量进行调节。

手动控制模式的给定功能与AVR控制模式的给定功能相同。

手动给定值的上限为110％Ifn,在它励的情况下下限为0%Ifn,在自并励的情况下下限为34.4%Ifn。

在手动模式下运行时，磁场电流的给定值可以通过增、减命令来控制。

做完发电机的进相试验后发电机的手动控制方式下的低励限制曲线整定如下表：

发电机有功

整定值

2109:

REF0IE（P）LIM

22.8%（Ifn）

2110:

REF25IE（P）LIM

30.7%（Ifn）

2111:

REF50IE（P）LIM

46.8%（Ifn）

2112:

REF75IE（P）LIM

58.8%（Ifn）

2113:

REF100IE（P）LIM

77%（Ifn）

为了避免在手动模式下突然甩负荷引起的过电压，手动模式具有自动返回空载的功能。

在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，使手动给定值立即恢复到预定值，该预定值一般与同步发电机空载励磁电流的90％相对应。

自动跟踪控制器保证了从自动模式向手动模式切换时无扰动，如果手动方式与自动方式的控制电压偏差超过5％将闭锁切换。

在自动模式下运行时，自动模式和手动模式的控制信号之差超过0.2%，将启动自动跟踪功能。

四：

起励

UNITROLR5000正常能够从残压起励。

在起励过程中，在可控硅整流器的输入端仅需要约10V～20V的电压即可正常工作。

如果电压低于10V～20V，可控硅整流器就会被连续地触发（二极管工作模式）以达到该值。

然而，如果在几秒内残压起励失败，则起动备用起励回路。

这个备用回路设计用于达到所需要的10V～20V电压。

机端电压达到发电机电压的30%时，备用起励回路自动退出，立即开始软起励过程并建压到预定的电压水平。

整个起励过程和顺序控制是通过AVR软件实现的。

当机端电压达到发电机额定电压的30%时，整流桥已能接管励磁控制，起励自动退出100ms后，软起励过程开始并将发电机电压升到预定水平。

整个起励过程的控制和监测都是由AVR软件实现的。

为此设定：

名称

参数

备注

304FLASHOFFLEVEL

30%

发电机电压达到30％时，备用起励开关断开，开始软启励

305FLASHMAXTIME

5.0s

合起励开关后的最大起励时间为5s，如果5s未达到30％发电机电压会发出起励失败信号，并切除灭磁开关

311tFIREALLFLASH

9.0s

可控硅整流器在被连续地触发（二极管工作模式）的最大时间）

整个起励过程最长为14s，如大于此时间将启动系统跳闸

1915SOFTSTARTRAMP15.0s

15.0s

从30%额定电压升到100%额定电压将有15秒时间

1903PRESET1REFAVR

100%

AVR给定值的预设值

五：

灭磁

灭磁回路主要由磁场断路器Q02、灭磁电阻R02（SiC非线性电阻，容量为，6MJ）、和晶闸管跨接器F02（以及相关的触发元件）组成。

励磁切除时首先逆变，然后闭锁脉冲。

六：

调节器的PID参数设置

参数名称

代号

单位

数值

校正方式

串联校正

静态放大倍数

KR

PU

500

电压检测时间常数

TR

秒

0.02

超前滞后时间常数

TC2

秒

0.1

超前滞后时间常数

TB2

秒

0.1

超前滞后时间常数

TC1

秒

1

超前滞后时间常数

TB1

秒

5.556

可控硅最小限制角

amin

度

15

可控硅最大限制角

amax

度

150

是否采用余弦移相原理

余弦移相

六、UNITROL5000微机型励磁调节器运行特点：

1、UNITROL5000微机型励磁调节器是一个全冗余系统，包括基本控制，所有附加控制，限制器和电力系统稳定器等，采用自动双通道配置，每个自动通道包括一个手动通道，保证故障情况下的可靠切换。

2、UNIITROL5000微机型励磁调节器电压调节系统以微处理器为基础，采用Windows界面的调试工具，功能强大且使用方便，大大简化了现场调试工作。

3、UNITROL5000微机型励磁调节器采用友好的人机界面，修改参数方便，可实现就地控制，且励磁系统各参数实测值可就地显示，就地控制显示器（LCP）可以储存80条出错信息的故障报警（带首次出现的出错检测），便于及时发现及处理调节器异常状态，同时便于事故情况下的分析及处理。

4、UNITROL5000微机型励磁调节器采用快脉冲技术，起励电源容量要求小，只利用小容量直流蓄电池就能为机组励磁系统提供起励。

5、UNITROL5000微机型励磁调节器采用ABB瑞士公司原装进口，运行可靠性高。

6、UNITROL5000微机型励磁调节器修改参数及调试时与微机接口方便，联网后的系统对各厂励磁系统的稳定性及抑制系统小振荡的能力提出了更高的要求，UNITROL5000调节器不仅稳定性更高，PSS参数的整定也更为方便、准确，保证联网后的系统安全稳定运行。

总结：

我厂1000MW励磁系统采用了国际上较为先进的机端自并励励磁方式，可靠的瑞士ABB原装励磁调节器，更加增强了我厂励磁系统运行的可靠性，同时也保证了电网的安全稳定运行。

作者：

卜繁薇董淑梅

卜繁薇：

山东邹县发电厂继电保护班励磁组工作组长

1997年毕业于上海交通大学电力工程系

董淑梅：

山东邹县发电厂继电保护班班长

1995年毕业于成都科技大学电力工程系