E03发电机励磁系统.docx
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E03发电机励磁系统
第三章发电机励磁系统
3.1.概述
励磁系统基本参数：
类型UNITROL5000
型号Q5S-O/U251-S6000
生产厂家ABBSwitzerlandLtd
励磁系统的顶值电压（at100%Ugn）1000V
顶值电流（for20s）8775A
响应时间<0.1s
启励方式DC220V
额定功耗（不包括励磁变压器）68kW
防护等级IP54
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。
励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。
尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。
同步发电机的励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器（装置）两大部分组成，其基本原理框图如下：
其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。
由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。
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：
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。
同步发电机励磁系统的形式有多种多样，按照供电方式可以划分为他励式和自励式两大类，如下面的框图所示：
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）。
主要由励磁功率放大单元和励磁调节器（AVR）两大部分组成。
3.2.UNITROL5000励磁系统简述
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。
根据下图中所示的UNITROL5000励磁系统原理方框图，整个系统可以分为四个主要部分：
UNITROL5000励磁系统原理方框图
3.2.1.励磁变压器
励磁变压器的高压侧将与发电机出口的离相封闭母线相连接。
励磁变压器为三相干式变压器（户内布置），自冷容量为6300KVA,运行最大温升按55K（顶层油温）考核。
容量满足T-MCR及强励工况要求另加风扇。
变比为20kV/880V，接线形式为Yd,11。
励磁变压器应充分考虑到谐波分量引起的发热增加的容量。
高压侧的绝缘水平为抗雷电冲击电压（BIL）125kV,工频耐受电压（1分钟）50kV.
高压侧套管布置应具有足够的相间距和相应的法兰以满足与封母排垂直相连，低压侧出线端应有相应出线盒，以便与共箱母线端头联接。
励磁变压器还提供测温（远方及就地），轻、重瓦斯及压力释放装置，这些装置具有提供远方信号的引出接点。
励磁变压器高压侧每相提供3组套管CT，二组用于保护，一组用于测量。
低压侧每相亦提供3组CT，二组用于保护，一组用于测量。
高低压侧CT均为变压器套管CT，其准确度等级和二次负载详见技术数据表。
3.2.2.励磁调节器
励磁调节器（AVR）（－A10、－A20）采用数字微机型，其性能可靠，并具有微调节和提高发电机暂态稳定的特性。
放大倍数、触发角、参考电压与反馈信号量等有明显的显示，显示的参数为实际值，显示的输出值为实测值或标么值。
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（CROWBAR）、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（AC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，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。
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。
励磁回路直流侧，装设性能良好、动作可靠的自动灭磁装置。
试验维护简单，对发电机任何负载均能可靠灭磁，强励状态下灭磁时发电机转子过电压值不超过4～6倍额定励磁电压值。
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。
AVR柜采用自然通风或强迫通风，风机故障时能保证AVR正常运行，柜体的保护接地和工作接地应分开。
空气冷却的整流柜和AVR柜，采用可靠的噪声低于65dB的风机。
励磁控制系统在受到现场任何电气操作、雷电、静电及无线电收发讯机等电磁干扰时不会发生误动、拒动等情况，满足有关标准要求。
3.2.3.可控硅整流器
功率整流装置（－G31……－G35）的一个功率柜退出运行时满足发电机强励和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,可控硅元件规格采用3.5″，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。
整流柜结构应保证安全可靠，并便于测试及检修。
整流装置冷却风机有100%的备用容量，在风压或风量不足时，备用风机能自动投入。
整流装置的通风电源设有两路，并可自动切换。
任一台整流柜故障或冷却电源故障，发出报警信号。
风机的无故障寿命（MTBF）为42000小时，采用2×2冗余，具有10年的平均无故障时间，可控硅桥按n-2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0.9。
3.2.4.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－T02、磁场断路器－Q02和可控硅整流桥－G31……－G35供给。
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投入正常工作，由AVR控制进行软起励过程。
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，采用220VDC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。
励磁系统软起励的过程曲线如下：
并网后，励磁系统可工作于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断路器－Q02、灭磁电阻－R02、晶闸管跨接器－F02及其相关的触发元件组成。
励磁调节器采用双通道结构。
每个通道是一个主要由控制板COB和测量单元板MUB构成的独立的处理系统，具有发电机机端电压调节、励磁电流调节、励磁监视保护功能和可编程控制逻辑软件。
此外，每个可控硅整流桥都配备一套接口电路，包括整流器接口板CIN、门极驱动板GDI和整流桥显示单元CDP。
3.2.5.UN5000励磁系统性能
当发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电流和电压的1.1倍时，励磁系统保证连续运行。
励磁系统具有短时过载能力，励磁系统的短时过负荷能力大于发电机转子绕组的短时过负荷能力。
励磁系统强励倍数不小于2（静止励磁系统即使定子电压降到80%额定值时），允许强励时间为20秒。
励磁系统具备高起始响应特性，在0.1秒内励磁电压增长值达到顶值电压和额定电压值的95%。
励磁系统响应比即电压上升速度，不低于3.58倍/秒。
励磁系统稳态增益保证发电机电压静差率达到±1%。
励磁系统动态增益保证发电机电压突降时，可控桥开放至允许最大值。
自动励磁调节器的调压范围，发电机空载时能在70-110%额定电压范围内稳定平滑调节，整定电压的分辨率不大于额定电压的0.2%。
发电机空载时手动调压范围为20%-130%UN。
电压频率特性，当发电机空载频率变化±1%，采用可控硅调节器时，其端电压变化不大于0.25%额定值。
在发电机空载运行状态下，自动励磁调节器调压速度可整定,出厂设置不大于1%额定电压/每秒；不小于0.3%额定电压/每秒。
发电机转子回路装设有过电压保护，其动作电压的分散性不大于±10%，励磁装置的硅元件或可控硅元件以及其他设备能承受直流侧短路故障、发电机异步运行等工况而不损坏。
因励磁系统故障引起的发电机强迫停运率不大于0.25次/年。
励磁系统强行切除率不大于0.1％。
自动电压调节器（包括PSS）投入率不低于99.9％。
励磁系统能满足汽轮发电机短路、空载试验时125%额定机端电压的要求。
3.3.励磁系统操作与调整
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
系统的维护工作已完成。
控制和电源柜已准备好待运行并且适当地被锁定。
发电机输出空载，到励磁变压器及励磁柜的输入/输出电缆断开（临时接地线拆除）。
灭磁开关的控制电源及调节器电源已送电。
没有报警和故障信息产生。
励磁系统切换到远方控制方式。
励磁系统切换到自动运行方式。
发电机达到额定转速（检查显示仪表上的转速）。
正常情况下励磁系统由控制室远控操作。
直接安装在励磁系统前面板上的就地控制屏仅在调试、试验或紧急控制时选用。
励磁系统主要有两种控制方法：
1）从控制室用键盘命令进行远方控制。
此命令是通过励磁系统以二进制信号发出。
2）从控制室用屏幕监视器控制命令进行远方控制。
此命令是通过励磁系统以二进制信号或通过Fieldbus总线发出。
就地控制使用集成在励磁系统中的就地控制单元（就地控制屏）
下表列出了可用的远控或就地控制命令。
右边的一列（反馈指示）表示反馈指示是否在控制室显示：
命令
远控
现地控制
反馈指示
励磁回路开关合上
励磁回路开关断开
励磁投入
励磁退出
通道1运行
通道2运行
运行方式－自动
运行方式－手动
工作调节器给定点升高
最大位置
工作调节器给定点降低
最小位置
无功功率调节器运行
无功功率调节器退出
PSS投入
PSS退出
控制方式...现地控制
控制方式...远方控制
指示灯测试
释放
起励开关合上
起励开关断开
带阴影的就地控制命令，表示只有同时在就地控制盘按下ENABLE键才有效。
3.3.1.远方控制
许多控制命令和反馈指示可以在控制室对励磁系统进行有效的远方控制。
此外，一些励磁系统和发电机主要的状态值以模拟量显示。
如果励磁系统开关置于REMOTE方式，从控制室发出的命令是有效的。
励磁系统和发电机的命令及它们的作用详述如下：
1）励磁开关合上/断开
只要没有跳闸信号，命令ON就可以闭合励磁开关。
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，并将灭磁电阻切换到与转子绕组并联，使发电机通过整流器和灭磁电阻迅速灭磁。
当发电机主开关已经断开（发电机空载条件下运行），励磁开关才能由远控来切断。
2）励磁投入/退出
命令EXCITATIONOFF用来立即切断发电机励磁。
因此，励磁系统整流器转换为交流逆变运行（磁场能量反馈），同时将灭磁电阻切换到与转子绕组并联，以致发电机通过整流器逆变和灭磁电阻迅速放电。
在断开励磁命令的同时，励磁开关也断开。
60秒以后，加到整流器上的触发脉冲被闭锁，以致整个励磁系统被完全闭锁和切断。
命令EXCITATIONON是用来使发电机的励磁投入运行。
励磁系统向发电机转子馈电，所以发电机电压能迅速建立到额定值。
只要跳闸命令TRIP在作用，励磁接通命令就无效。
当励磁接通命令发出时，如果励磁开关仍在断开位置，它将自动闭合，只是在灭磁开关闭合以后才能励磁以及励磁电流才开始流动。
起励成功必须保证下述的一些前提：
1）励磁开关必须已经在接通ON位置。
2）没有断开命令和跳闸信号。
3）发电机转速应当大于额定转速的90%。
4）如果励磁变压器直接由发电机机端供电，就必须有建立励磁的辅助电源。
3.3.2.
就地控制
调节器柜上的现地控制面板LCP布置情况如上图所示,它包括16个带LED的特殊系统显示及控制键、10个运行方式及内部功能控制键、以及一个具有8行，每行40个字符的LCD显示屏。
励磁系统的基本控制可以使用具有状态信息的16个键来进行。
报警信息及模拟量可以在LCD液晶显示屏上显示。
它具有良好的人机界面，用于对励磁系统进行就地操作和监视。
LCP有下列功能：
1）显示分辨率为240×64，可同时显示8×40个字符。
LCP可同时显示8个模拟量信号，或者以棒图的形式同时显示4个模拟量信号（显示量程为0％到120％）。
选点显示信号多达32点，显示模式可通过功能键设置，显示信号可通过滚动键或翻页键查找，用光标键选中。
2）信号与报警
在励磁系统发生报警时，报警显示先于测量信号显示。
报警内容包括报警序号和40个字符的文字报警说明。
LCP可按报警的时间顺序同时显示8个报警信息，如果报警信息超过8个，其余的部分可以通过滚动键显示。
报警信息的显示容量为80个。
报警指示灯在报警显示键的右上角，每次发生报警时都会闪烁。
按下确认键后，如果报警还存在，指示灯由闪烁转为常亮，报警消失后指示灯自动熄灭。
3）就地运行控制
LCP有16个带LED状态指示灯的薄膜按键，用于励磁系统就地控制。
数字式显示和矩形条显示：
初始化运行以后，显示8个预定义的模拟量。
当按下此键时，8个带有通道编号、信号名称、数值和单位的模拟信号出现，并且黄色发光二极管LED点亮。
使用滚动键可以显示更多的模拟信号。
当按下此键时，首先出现4个带有通道编号、信号名称、数值和单位以及组合矩形显示条的模拟信号。
同时，黄色发光二极管LED点亮。
使用滚动键可以显示更多的模拟信号。
这8个模拟量列表如下：
通道号
数值
单位
数值1
发电机电压
kV
数值2
发电机电流
kA
数值3
有功功率
MW
数值4
无功功率
Mvar
数值5
励磁电流
A-dc
数值6
自动通道的设定点
kV
数值7
手动通道的设定点
A-dc
数值8
发电机电压的实际值
%
故障显示：
有各种报警及跳闸信号，它们说明励磁系统的故障。
当按下此键时，如果故障存在（红色LED发光二极管点亮），可出现一直到8个故障信息。
第一个故障总是出现在第一行，而随后的故障随着故障序号依次出现在下面的行。
使用滚动键可以显示更多的依次发生的故障。
这些故障信息可以分组为励磁报警、保护切换以及跳机。
关于第一个故障信息，控制盘自动切换到显示相应的故障信息。
发生的第一个故障出现在第一行，随后的故障显示在下面的行。
此外，当报告第一个故障时，复位键RESET上的发光二极管（LED）闪光。
消除故障信息：
全部报警存储在控制盘内。
此外，特殊指定的报警也存储在微处理器内；这些只能靠按下复位键并持续一段时间来复位。
当短时轻按下复位RESET按钮，如果存储在微处理器内的报警动作，LED会从闪光变为连续发光。
如果产生新的故障报警，LED会再次开始闪光。
这可以消除存储在控制盘内的故障显示。
如果没有报警动作，按键上的发光二极管（LED）会熄灭。
当按下复位RESET按钮超过1秒，如果仍有报警动作，LED会从闪光变为连续发光。
如果产生新的故障报警，LED会再次开始闪光。
这可以复位存储在控制盘内的报警，也可以复位存储在微处理器内的报警。
如果没有报警动作，按键上的发光二极管（LED）会熄灭。
显示和打印控制：
光标键
按此光标键，可以选择显示屏上的1…8行或者1…4行的位置。
当前行是高亮度的并带有反向对比度表示的通道编号。
当显示达到最后一行时，就跳回到第一行。
光标键仅在模拟信号显示时有效（数字显示或矩形条显示）。
滚动键
当显示模拟信号（数字显示或矩形条显示）时按下滚动键，显示的（反向对比度表示的）通道编号及它的模拟量数值随之改变。
当显示故障信息时按下滚动键，处在第2行…第8行的所有故障信息，由某一位置向上或向下移动。
第一行显示的第一个故障总是保持在原来位置。
换页键
当按下换页键时，通道号变化10个位置或者故障号变化6个位置。
除此之外，其它功能类似于滚动键。
打印键
当按下打印键时，第1…第8行的模拟量值通过RS-232串行接口传送到打印机（如果已连接）。
如果故障信息已经激活，这些信息也被传送到打印机。
如果正在传送数据并且打印机已经接收到它们，则LED黄色发光二极管点亮。
如果LED黄色发光二极管闪烁，则是打印机的缓冲器暂时充满。
为了延长液晶显示器LCD的使用寿命，液晶显示器的显示及背景光不需要按任何键，在60分钟后被关掉和消失。
之后，如果按下就地控制盘上的10个功能键之一，或者如果产生一个故障信息，则就地控制盘上的液晶显示器将再次被接通工作。
现地控制盘装有键盘，这些键允许用来现地控制励磁系统，用同样方法可以从控制室进行远控。
控制命令列表如下：
指令
现地控制
反馈指示
励磁开关合上
励磁开关断开
励磁投入
励磁退出
通道1运行
通道2运行
运行方式－自动
运行方式－手动
工作调节器的设定点－升高
最大位置
工作调节器的设定点－降低
最小位置
无功功率调节器－投入
无功功率调节器－退出
控制方式－现地
控制方式－远控
指示灯测试
使能命令
上表中就地命令的阴影区域表示：
只有在ENABLE使能键与就地控制键同时按下才有效。
3.3.3.励磁系统投运
动作
显示
控制
1
励磁开关合上
指示灯ON亮
励磁开关已合上
2
励磁系统投入
指示灯ON亮
在5－20秒内建压
发电机空载运行
3
励磁系统准备低负载运行。
使用上升/下降键可以将发电机电压调整到电网电压。
发电机电压调整到设定点。
4
当电网电压与发电机电压同步时，闭合发电机的主电路开关。
发电机的无功功率接近于零。
发电机低负载运行
5
使用上升/下降键设定发电机的无功功率到期望的运行极限以内。
调整发电机的电压，发电机产生一定的无功功率。
3.3.4.励磁系统停运
动作
显示
控制
1
发电机与电网解列：
-通过发电机电压设定点来减小无功功率。
–通过透平调节器减小有功功率。
–断开发电机主电路开关
2
励磁系统退出，励磁开关断开
指示灯OFF亮
发电机电压在几秒钟内下降到零。
3.4.励磁系统自动控制与保护
UNICTROL5000励磁系统自动控制配置有多种型式，我厂选用的是2AVR+2FCR+2BFCR，也就是带有手动紧急备用通道的双通道系统（如下图所示）。
这是目前UNICTROL5000励磁系统的最高配置。
3.4.1.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。
3.4.2.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。
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。
应当特别注意以下几点：
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。
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。
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。
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。
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/MANUALREADY）。
这样，在各种情况下都能保证无扰动切换。
Note
手动方式作为特殊运行的调节器（作为备用调节器），只具有励磁电流调节功能（无发电机电压调节功能）。
在手动方式下，发电机的励磁必须由熟练的操作人员来监视。
只要发电机电压和电流互感器信号存在，在手动方式下低励限制器也能防止发电机危险的低励磁，在极端情况下，低励磁将导致滑极。
此外，在空载及转速降低情况下，V/Hz限制器使励磁电流降低，以防止发电机和与之相连接的变压器过饱和。
这些运行的变量例如：
发电机电压、电流及无功功率必须由运行人员监视，如果需要，可通过改变励磁电流的给定值来调整。
3.4.3.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
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