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1、阳城电厂二期励磁系统培训教材阳城电厂二期2600MW汽轮发电机组EX2100励磁系统培训资料二OO七年八月目 录第一部分 EX2100励磁系统的构成及工作原理 3一、 系统构成： 3二、 励磁装置对运行环境的要求： 3三、 GE EX2100励磁系统的硬件组成： 33.1 控制模块 43.2 冗余的控制系统 43.3 功率整流桥 73.4 灭磁及过电压保护装置 83.5 励磁装置的电源模块EPSM 83.6 励磁装置的配电模块EPDM 93.7 灭磁模块 103.8 轴电压抑制器 103.9 起磁模块 103.10 励磁装置接点端子板（ECTB） 103.11 励磁装置端子板（EXSH） 10

2、3.12 Versamax 远程I/O控制部件 103.13 电力系统稳定器 10四、 GE EX2100励磁系统的软件组成： 114.1 概述 114.2 软件变送器 114.3 自动电压调节器（AUTO REF） 124.4 手动调节器参考值（MANUAL REF） 124.5 自动和手动参考值跟随器（TRACKING跟踪） 124.6 励磁装置AVR的整定点（EXASP） 124.7 低励磁限制器（UEL） 144.8 测量电压互感器熔丝故障检测（PTFD） 144.9 发电机转子绕组的温度计算 144.10 电压/频率限制器（V/Hz Lim） 144.11 自动电压调节器（AVR）

3、144.12 手动调节器（FVR或FCR） 144.13 整定点或参考值 144.14 发电机励磁反馈 154.15 过励磁限制器（OEL） 154.16 手动范围限制器 154.17 无功功率（VAR）/功率因数（PF）控制 154.18 DCS接口（ModBus） 154.19 电压/频率 V/Hz保护（24G） 164.20 过励磁保护（OET） 164.21 发电机过电压跳闸（50G） 164.22 PT断线时切换至手动调节器 164.23 励磁装置相不平衡（EUT） 164.24 离线过励磁保护（OLOT） 16五、 EX2100远方和就地的控制/指示： 175.1 接口键盘 175

4、.2 DCS中对励磁装置的控制和显示 17六、 EX2100编程和维修工具 186.1 编程工具 18七、 EX2100和PPS的IEEE模型 197.1 EX2100的IEEE模型 197.2 EX2100中PSS的IEEE模型 19第二部分 EX2100励磁系统故障处理 21一、 概述 21二、 一般故障的故障处理 21三、 故障查询与复位 22四、 AVR常见跳闸一览表 24五、 AVR常见报警一览表 25第三部分 EX2100励磁系统启励及灭磁时序 27一、 起励时序 27二、 灭磁时序 282.1 正常灭磁时序 282.2 事故灭磁时序 28第四部分 EX2100励磁装置柜内保险及开

5、关说明 29一、 开关说明： 29二、 保险说明 29三、 操作说明 30第一部分 EX2100励磁系统的构成及工作原理一、 系统构成：阳城电厂二期工程2600MW汽轮发电机组采用自并励励磁方式，励磁装置采用GE EX2100励磁系统，主要由自动电压调节器（AVR）、可控硅整流屏（SCR）、灭磁及过电压保护装置（DE-EX）和励磁变压器构成，其中自动电压调节器、可控硅整流屏、灭磁及过电压保护装置由GE公司提供，励磁变压器采用国产的励磁变，由海南金盘变压器厂提供。励磁装置由3个可控硅整流屏做N+1配置，即退出一柜可以满足发电机强励在内的所有工况运行。GE EX2100励磁系统如图1所示，共由6面

6、柜组成，调节屏（1）、可控硅整流屏（3）、交流进线屏（1）和直流出线屏（1）。外型尺寸：6000mm（长）1290mm（宽）2690mm（高）屏体总重：8080kg图1 GE EX2100励磁系统前视图二、 励磁装置对运行环境的要求：GE EX2100数字式励磁系统是按室内工业环境中运行的条件来设计和制造的。允许的环境温度范围为045。三、 GE EX2100励磁系统的硬件组成：EX2100励磁系统的控制部分及功率部分均采用冗余配置。控制部分由M1、M2和C三个控制器组成。控制器M1称为Master 1（主控制器1），控制器M2称为Master 2（主控制器2），控制器C称为Master Co

7、ntrol Monitor（主控制器监控器），并由它决定是否应当进行主控制器的切换。M1、M2都可以是工作的Master（主控制器），C是工作的Monitor（监控器），发电机的电压和电流信号都被连接到这三个控制器中并进行数据处理。工作的（Active）主控制器（Master）承担整个励磁系统的控制工作。备用的（Stand by）主控制器在功能上与工作的主控制器是相同的，只是在备用方式下，它不对可控硅整流装置发送任何触发命令。它的自动电压调节器（AVR）回路不停地跟踪发电机的端电压输出，而手动电压调节器（FVR）则跟踪发电机的励磁电压。从而保证从某一主控制器到另一主控制器的平稳切换。在M1、M

8、2中的每一个自动调节器回路之间都提供了自动跟踪功能。由于这种冗余的配置，当一个主控制器（Master）或一个监控器（Monitor）故障而退出运行时，励磁系统可以继续工作。当有在线（On-line）维修选项时，故障的控制设备可以被隔离，进行维修，再转为在线（On-line），而不必使整个励磁系统停运。采用在线（On-line）维修选项，每一个可控硅整流桥都设有五极开关，封闭待维修的可控硅整流桥的触发脉冲后，可以将故障的整流桥从主回路上断开，以便进行在线维修。3.1 控制模块GE EX2100励磁系统控制模块如图2所示。控制模块是一个板架和后护板，后护板上安装的电缆，连接到I/O端子板。该板架为

9、满足M1，M2，C三个控制器的需要，被分为三个独立的供电区。每一个控制器由控制板和I/O处理器板组成。一个冗余的控制板包含所有三个控制器。控制模块最多由5块电路板组成： 主处理器板（ACLE） 数字信号处理器板（DSPX） IS总线通讯板（EISB） 二个I/O板（EMIO和ESEL）这些电路板都是通过VMK后护板相互连接起来，并用电缆连接到与它们相关的I/O端子板上。3.2 冗余的控制系统为了保证EX2100冗余控制系统的可靠性。三个控制器由三个冗余的电源分别供电，每一个电源用于一个控制器。这三个电源架也有三个转子接地检测模块。图4表示三个EDCF（励磁直流反馈）板，如果需要，它也可以有三个

10、EPCT（PT和CT接口）板。为了与汽轮机控制和HMI（人机接口）的通讯有冗余，用两根以太网电缆连接到ACLE控制器（一根接到M1，另一根接到M2）。两个键盘如图4所示接到M1和M2。图2 GE EX2100励磁系统控制模块图3 典型的EX2100励磁冗余通讯图4 典型的EX2100励磁冗余通讯冗余的主控制器与冗余的SCR（半导体可控硅整流器）整流桥相结合，显著地提高了系统的可靠性。如果工作的（ACTIVE）主控制器故障，工作的（ACTIVE）主控制器将自动地把控制作用切换到备用的（BACKUP）主控制器。在控制面板上可以选择M1或M2的任何一个作为工作的主控制器。由于整流桥的（N+1）冗余，

11、和建立在励磁系统中的控制的冗余，本励磁系统在任何一个整流桥或任何一个主控制器退出运行时，能够满足包括发电机强励在内的所有运行工况要求。3.3 功率整流桥EX2100MB数字励磁系统的功率部分采用三个整流桥并联。每个整流桥为三相全波可逆晶闸管整流桥（SCR）。图5表示一个典型的EX2100 SCR整流桥，为得到最佳的性能，该可逆整流桥提供正向和反向强制电压。正向和反向顶值电压能在25毫秒以内达到。在甩负荷和灭磁中，反向强制电压提供快速响应。每一个晶闸管桥都有晶闸管保护回路，例如缓冲器、过滤器和熔丝。图5 一个典型的EX2100三相全波可控硅整流桥SCR电感线圈设置在SCR的交流桥臂中，以保证多桥

12、之间的电流平衡。缓冲器是并联在SCR正极、负极之间的RC回路。SCR的缓冲器，线线之间缓冲器，以及线路中的电感线圈，结合起来完成以下功能，以保证SCR的正常运行。 限制通过SCR的电流变化率，和提供一个电流“积存处”，以帮助起始导通。 限制跨于SCR上的电压变化率，并在SCR的换流过程中，限制SCR上出现的反向电压。功率整流桥的容量，按照规范要求，在10秒内能够提供200%的励磁电流和250%励磁电压的强励要求。整流桥还设有风机运行监视、可控硅导通及可控硅温度监视，并将这些信号通过脉冲放大板（EHPA）传送到控制器中。每个整流屏设有一个抽屉式大功率风机，风机功率为1KW，可以方便地对故障风机进

13、行在线更换。风机由双路电源供电，励磁系统自带双电源切换装置。可以通过合断整流桥柜前柜门内的小开关进行风机的手动启停控制。当需要在线更换故障风机时，同时只能停运一个整流桥的风机，否则会触发励磁装置故障，而导致机组跳闸。3.4 灭磁及过电压保护装置GE EX2100励磁系统采用灭磁开关+线性电阻灭磁方式。正常停机时，采用逆变灭磁；事故时，控制器同时发出3个信号，一是闭锁脉冲，二是触发灭磁可控硅，将线性灭磁电阻接入，进行灭磁，最后的信号是跳开灭磁开关。3.5 励磁装置的电源模块EPSM励磁系统的电源模块（EPSM）将由励磁系统配电模块（EPDM）来的110V DC变换为励磁系统的控制系统板架所要求的

14、电压。图6表示的是在典型的冗余控制系统中的EPDM和EPSM的配置。EPSM板有二个主要部分：其一是分段调节器（BUCK REGULATOR），它接受110VDC的输入，并供给一个多分接头切换的隔离变压器的原边。其二是变换部分，它产生+5V、15V、+24V和+70V的直流电源输出。EPBP 电源后护板被用于安装和分配EPSM板的输入和输出，并安装励磁接地检测模块。每一个控制器M1、M2和C都有一个独立的电源模块为其供电，这些模块布置在一个电源架子中，安装在控制屏中控制架的下面。控制架后护板（EBKP）卡住这些控制板，并由EPSM提供+5V、15V和24VDC电源。电源也提供给EBKP以外的如

15、下模块。24V用于灭磁模块，Crowbar（短接器）模块，发电机转子接地检测器和励磁电压/电流反馈模块（EDCF）。隔离的+70VDC是用于EXTB和ECTB板的有源接点。EPSM是一种6U VME型式系数板。其后护板的连接器P1和P2将电源从电源板接到它的板架，然后由它支持励磁控制系统板架的后护板（EBKP）电源所需要的电缆。图6 典型的冗余控制电源配电模块接线图3.6 励磁装置的配电模块EPDM控制电源可以从一个110V DC电源和二个220V AC电源整流降压后获得。交流电源要通过一个外部的AC/DC变换模块。所得到的110V DC通过二极管与其他DC电源结合起来，接到EPDM板的DC（

16、直流）母线上，该配电模块向控制模块EPSM、门脉冲放大器板EGPA和励磁装置端子板EXTB供电。EPDM板的输出都设有熔丝、开关，并有LED状态指示灯。3.7 灭磁模块灭磁模块的功能，是在事故停机时消耗发电机磁场中的能量。从控制器，灭磁开关或励磁过电压来的信号，都能触发灭磁模块上的可控硅，然后将灭磁电阻接入，进行灭磁。3.8 轴电压抑制器EX2100励磁系统配置有轴电压抑制器，用于限制由晶闸管换流所引起的轴对地电压小于7V（峰值对零）。轴电压若不有效地控制，可能损伤轴颈和轴承。3.9 起磁模块在顺序启动时，起磁模块提供大约15%到20%的空载励磁电流加到发电机的转子绕组，当励磁电流上升到15%

17、空载励磁电流后，起励回路自动退出。起磁电源为380VAC，由汽机MCCIII段提供。3.10 励磁装置接点端子板（ECTB）ECTB板支持励磁系统接点输出和接点输入，该板有2个跳闸输出接点，驱动用户停机；4个通用的C型继电器接点输出，它们是由EMIO板控制，6个辅助接点输入，它们在ECTB板加上70V的电压（有源接点）。在冗余的方式下，70V DC电源来自M1和M2的电源。3.11 励磁装置端子板（EXSH）EXSH板支持导引继电器的接点输出、接点输入和信号处理回路。EXSH通过EBKP的后护板，用电缆连接到EMIO。用于励磁断路器合闸的41E，起励接触器53A和53B的控制继电器都安装在这块

18、板上，再加上跳闸继电器的41T和灭磁继电器KDEP的控制继电器。从EDEX板来的跨接器（Crowbar）的状态信号和灭磁的状态信号都在EXSH板上进行处理，并送到EMIO。3个由41E、53A和53B来的接点输入，都加上EXSH板上的70V DC电压（有源）。接点的电源是由M1和M2的电源引来（冗余），状态信号都被送到在控制架中的EMIO。3.12 Versamax 远程I/O控制部件 Versamax 提供进入EX2100系统I/O的多种形式。标准配置中设有8DI、16DO和4个AO接口，与远方DCS设备进行硬接线连接。I/O的数量可以扩展。另外，GE EX2100系统还提供2路磁场电压、2

19、路磁场电流的快速变送信号（1ms延时）供保护及故障录波用。除了硬接线外，EX2100还提供冗余的RS485接口（DCS为Master，EX2100为Slaver）或直接通过Ethernet与DCS进行通讯，将励磁系统的各种数据上传。3.13 电力系统稳定器在EX2100中提供的是PSS2B模型，三超前滞后环节，是一个多输入系统，它采用同步发电机电功率和内部频率（它近似于转子速度），以得到一个与转子转速成正比的信号。这是从加速功率的积分而得出来的，但是其轴系扭振信号已大大地削弱。PSS 2B系统可以有效的抑制系统的有功反调现象。EX2100系统自带白噪声输入信号，接线简单，试验快速、便捷。四、

20、GE EX2100励磁系统的软件组成：4.1 概述EX2100软件的设计是为了高起始响应的励磁系统，其结构安排便于用户和现场工程师理解、安装、调试、运行和维护本励磁系统。EX2100软件总功能块图如图7所示。图7 EX2100软件总功能块图4.2 软件变送器精巧复杂的软件变送系统是形成EX2100高性能的关键。发电机的电压互感器（PT）给自动调节器（AVR）、大多数限制器，以及保护功能提供所需的控制信号源。该系统对交流波形进行高速采样，并且软件中采用先进的数字计算方法，以数字形式得出所需的各种变量。软件变压器系统的输出包括以下各项： 发电机电压 发电机有功电流（相有功功率的平均值） 发电机无功

21、电流（相无功功率的平均值） 发电机频率（电流） 滑差（表示转子转速变化的信号）变送器系统使用上述输出，计算以下各项： 发电机的有功率和无功功率 发电机磁通量的数值（V/HZ） 相角和功率因数 自动调节器参考值（AUTO REF）4.3 自动电压调节器（AUTO REF）自动电压调节器将发电机端电压自动控制在0.10%范围内（从空载到满额定负载）。控制范围的限制是90%110%的额定电压。本功能块为自动电压调节器（AVR）产生自动控制（AC）整定值变量。操作员的增磁/减磁命令由运行人员在DCS上发出。本功能块可以配置上限和下限值，预先调整，和增磁/减磁速率。4.4 手动调节器参考值（MANUAL

22、 REF）本功能块为手动电压调接器（MVR）产生手动整定值变量。操作员的增磁/减磁命令由运行人员在DCS上发出。本功能块可以配置上限和下限值，预先调整，和增磁/减磁速率。4.5 自动和手动参考值跟随器（TRACKING跟踪）该软件能够调整非工作的调节器的输出，以便自动地跟踪工作的调节器。也就是说，当自动调节器正在控制发电机时，手动调节器跟踪。而当手动调节器正在控制发电机时，自动调节器跟踪。这样就可以保证每个控制器的自动、手动通道及两个控制器之间的平稳切换。4.6 励磁装置AVR的整定点（EXASP）励磁装置AVR整定点功能块综合一系列功能，以形成一个参考值，输送给AVR，其变化则支持调节器的跟

23、踪。图8 EX2100控制命令形成逻辑从该功能输出的参考值是以下各项的总和： 从PSS功能块来的稳定信号 AVR REF（AVR参考值）功能块的输出 从UEL（低励磁限制）功能块来的限制信号 从RCC（无功电流补偿）功能块来的输出 频率和发电机电压相结合而构成的V/HZ限制器信号 外部测试信号，用以支持白噪音和阶跃测试信号的输入4.7 低励磁限制器（UEL）UEL是一种辅助的控制，以限制自动电压调节器由于低励磁调节而使用发电机进相深度过深。UEL防止励磁电流降低到某一数值后，定子铁芯端部发热。UEL的性能是由限制器在发电机热容量曲线上起作用的区域来进行限制实现的。4.8 测量电压互感器熔丝故障

24、检测（PTFD）本功能将测量的三相反馈电压与PPT（励磁变压器）副边来三相电压进行比较。如果测量的电压消失，或者它是单相的，这时就会切换到手动调节模式，并提供一个报警输出。4.9 发电机转子绕组的温度计算用转子绕组上的电压除以转子绕组中的电流来测量转子绕组的电阻。按照已知的25C时的转子绕组电阻，和铜导体的线性电阻温度变化，用运算方法计算其运行温度。它有一个可调整的高温报警输出接点。4.10 电压/频率限制器（V/Hz Lim）本功能的作用是按照在EX2100中可编程的整定，限制发电机电压与频率的比值。该功能使用从软件变送器来的两个输入，平均的发电机电压和发电机频率，而且它的V/Hz比值是可配

25、置的。4.11 自动电压调节器（AVR）AVR的功能是，在负荷和运行条件改变时，维持发电机端电压恒定。其误差值（平均发电机电压减去由EXASP功能模块来的综合参考值）是具有积分器保护的比例加积分（PI）调节器的输入。AVR控制的输出，直接控制触发器，在AVR功能起作用时，它将控制功率整流器SCR的选通。本功能提供发电机端电压的自动控制在0.10%范围内（从空载到满负荷负载）。控制范围的限制一般是90%-110%的额定电压。其上限和下限可以调节。4.12 手动调节器（FVR或FCR）手动调节器的功能是控制发电机的励磁电压或励磁电流。手动调节器FVR与AVR一样，采用具有积分器终结保护的比例加积分

26、（PI）调节器，它的控制输出也是直接控制触发命令，它将控制功率整流桥SCR的选通。4.13 整定点或参考值手动调节器整定点或参考输入，仅仅来自MANUAL REF 功能块，在运行人员选择手动，或控制方式切换之后，只由它控制功率整流桥。对于要求有内部环路调节的应用情况，它要与AVR一起使用。当AVR正在控制发电机时，其整定点输入来自AVR 控制的输出。4.14 发电机励磁反馈典型的手动调节器是励磁电压调节器（FVR），并采用发电机励磁电压作为反馈输入。虽然FVR确实允许励磁电流作为励磁绕组电阻的函数而变化，GE还是选择FVR作为它的标准的手动调节器，以使手动调节器完全独立于过励磁限制器。励磁电流

27、调节器（FCR）是手动调节器的特殊应用，并采用发电机励磁电流作为反馈输入。虽然它确实在励磁绕组温度变化时，调节得到恒定的励磁电流，GE并不选择FCR作为它的标准的手动调节器。因为它不利于从过励磁限制器来的信号的独立性。4.15 过励磁限制器（OEL）该功能保护发电机励磁绕组，避免过励磁时大的励磁电流对发电机转子造成的损伤。过励磁电流，如果时间过长会使励磁绕组过热，并造成损伤。发电机磁场绕组都是按ANSI标准C50.13而设计的，它规定了作为某一时间函数的过电压，而它的励磁绕组就是按此进行设计的。该标准采用曲线来说明，作为一种时间和电流的函数的励磁绕组的过热，OEL的设计近似于励磁电压对时间的曲

28、线。OEL直接与功率整流桥的脉冲触发接口，因此，不论是在自动调节器节模式或是在手动调节模式，它都能保护发电机励磁绕组不受损伤。该功能在正常运行状态下并不工作。该功能使励磁装置能够响应，时间大约为一秒，没有电流限制的，任何发电机的故障状态，在此时间以后，一个二段式电流限制器就被激活。第一段通常限制励磁电流为某一高值。加于励磁绕组的热负荷，采用励磁绕组的已知的热时间常数进行积分，直到达到励磁绕组的限制值。此时，OEL切换到较低的限制值，当事故过去以后，积分器按照励磁绕组的冷却时间常数放出热量。它比加热时间常数要比较慢。电流的限制值，按照发电机的运行模式，是可以选择的。当发电机是处于离线状态，就采用

29、离线限制，而当电机是处于在线状态，就采用在线限制。4.16 手动范围限制器当选择手动调节器（FVR或FCR）时，本功能限制EX2100的低励磁运行。当机组运行于低于自动范围限制器所要求的励磁电压限值，它也不允许手动调节器去跟踪自动调节器。4.17 无功功率（VAR）/功率因数（PF）控制本功能的实现是由减小AVR参考整定的坡度来实现的。VAR/PF是由运行人员的命令来选择，而且VAR/PF的值是用增磁/减磁降按钮来控制的。4.18 DCS接口（ModBus）EX2100励磁装置能支持ModBus RTU跟随数据链，以便与用户的DCS系统接口。该数据链可以是基于RS-232C，或采用TCP/IP

30、支持的通过以太网的10baseT硬件。命令和数据两者都能支持。4.19 电压/频率 V/Hz保护（24G）本功能用作V/Hz限制器的后备。具有或没有C（保护）控制器，都能支持本功能。该保护方案由电压/频率保护的两个整定值构成。一个定值是超过1.1 V/Hz的标么值时，具有反时限特性，另一个定值整定为1.18 V/Hz的标么值，具有2sec延时。跳闸和延时整定点两者都是可调整的。在运行中，这意味着：从1.0到1.10标么值，不出现报警或跳闸。从1.10到不超过1.18标么值，报警被起动，跳闸时间与V/Hz值的大小成反比。在1.18标么值，跳闸时间是45sec（从660sec可调）。如果V/Hz超

31、过1.18标么值，不论是立即超过或是在反时限的过程中，跳闸功能起动，2sec跳闸（从1.72.8sec可调）。4.20 过励磁保护（OET）本功能是用作过励磁限制的后备，具有或没有C（保护）控制器都支持本功能，如果出现过励磁状态，而且过励磁限制器又不能纠正它，就产生跳闸信号。这一功能近似于ANSI标准C50.13定义的励磁电压对时间的关系曲线。4.21 发电机过电压跳闸（50G）本功能监测发电机定子电压，当检测到发电机定子过电压时，起动一个跳闸信号。4.22 PT断线时切换至手动调节器本功能检测PT反馈电压的丢失，并传给交流（AC）电压调节器。如果测量的电压丢失，调节器就强迫它的输出到顶值，保持0.5sec，然后切换到手动。这与PTFD功能明显不同。PTFD功能在切换之前，不强迫调节器到顶值电压。4.23 励磁装置相不平衡（EUT）本功能从整流变压器的三相输入来监测其二次电压。如果存在电压相不平衡状态，就发出报警，并在一段延时后，发出跳闸信号。4.24 离线过励磁保护（OLOT）本功能用作，发电机处于离线情况下的，过励磁限制的后备。如果发电机的励磁电流超过1