ABB励磁系统应用201405020(赵开文)

赵开文(江苏国信靖江发电有限公司)

摘  要  本文介绍了江苏国信靖江发电有限公司的660MW机组ABB励磁系统的构成、工作原理及各项保护功能

关键词  ABB励磁　原理　简述   

引言：江苏国信靖江发电有限公司（本文简称国信靖电）一期工程两台660MW发电机组励磁系统采用自并励励磁系统。自并励励磁系统无旋转部件，结构简单，轴系短，稳定性好；励磁变压器的二次电压和容量可以根据电力系统稳定的要求而单独设计；系统响应速度快，调节性能好，有利于提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性。随着我国电力发展迅速，电网容量不断扩大，国内600MW等级以上发电机组采用自并励励磁系统方式已经得到广泛的应用，优越性也得到进一步的证实。现对该系统的原理做一个简要的介绍。 

一：发电机励磁系统组成及参数

概述：发电机采用自并励静止励磁系统装置；励磁变经三相封闭母线连接于发电机端部，将20kV电压降压为945V、输出至可控硅整流器，经整流后输出经灭磁开关、滑环与发电机转子绕组直接相连；

A.励磁系统可分为四个部分：

1、励磁变压器；

2、自动电压调节器(简称AVR) ；

3、可控硅整流器；

4、启励和灭磁单元（带过电压保护装置）。

B.励磁设备参数

(1)励磁系统

类型    UNITROL 6800

型号    T6S-0/U251-S6000

生产厂家    上海成套 ABB 

励磁系统的顶值电压    882V

额定连续电流    4493A

顶值电流 (for 10s )    86A

响应时间    20ms

启励方式    起励变压器

励磁柜总功耗     55 kW

(2)励磁变压器

类型    干式变压器

型号    ZLDCB-2500/20/√3

生产厂家    海南金盘

额定容量    2500*3 kVA

相数    3

接线组别    Y/d-11

额定频率    50Hz

额定电压：    

高压侧    20kV

低压侧    945V

短路比 (6-8)%

高压侧能够承受1.3倍发电机额定电压的时间    1 min.

能够承受2倍额定电流的时间    20s

冷却方式    AN

(3)整流桥型号    UNL13300

生产厂家    ABB Switzerland Ltd

最大输出电压    1000V

最大输出电流  (for 20 s)     8774A

整流桥每臂可控硅数目       1

整流桥数目    5

整流桥的额定电流    2000 A

整流桥的反向电压    4300 V

(4)过电压保护：    

a. 在交流侧    缓冲器

b. 在直流测    卸放装置

(5)自动电压调节器 (AVR)

型号    UNITROL 6800

生产厂家    上海成套 ABB

调节模式    PID+PSS

响应比    20ms

调节精度    <0.5%

AVR调节整定范围    20% ~ 110% Ugn

手动电流调节器整定范围    0% ~ 110% Ifn

运行方式和冗余    2 AVR+2 FCR+2 BFCR

(6)灭磁和转子保护

磁场开关    

类型    高速单断口直流开关

型号    HPB60M-82S

制造商    ABB

额定电流    6000A

额定电压    1000V

最大开断电流    100 kA

断口数目    1

操作电压    DC 110V

放电电阻    

材料    SiC

类型    非线性

型号    HIER 4797

单个能量    1MJ

每臂并联数目    5

每臂串联数目    1

支路数目    5

额定载荷    5MJ

(7)转子过电压保护    

类型    CROWBAR

型号    HUEL 412321， disk-type

额定容量    5MJ

电阻器材料    SiC

BOD 电压    4~7 times Ufn

(8) ABB公司生产的UNITROL 6800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。

(9)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。

图1所示国信靖电电厂二期工程UNITROL_6800 励磁系统的框图

整个系统可分为四个主要部分： 

•     励磁变压器( -T02 ) 

•     两套相互的励磁调节器（CHANNEL1，CHANNEL2）

•     可控硅整流桥单元 +EG1 … +EG5 

•     起励单元（-Q03,-T03，-A03，）和灭磁单元（-Q02，-F02，-R02） 

二、调节器及主要监测保护功能简介

1、调节器简介

国信靖电励磁调节器采取双通道（CHANNEL1，CHANNEL2）结构。每个通道是一个主要由主控板（COB）和测量单元板（MUB）构成的的处理系统，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。在单通道结构中，可安装一块的扩展门极控制板（EGC）作为后备通道，也就是一个手动通道。

励磁调节器的核心是主控板COB。所有的调节、控制以及脉冲形成等功能均由COB 实现。带数字信号处理器DSP 的测量单元板MUB 用于实际值的快速测量。这两块板叠装在同一个金属箱内，形成一个的调节通道。箱内还可安装一块结构上的扩展门极控制板EGC 作后备通道，用于励磁电流调节。另一种配置是用两套调节器组成一套完全冗余的系统。两个通道是完全的，可以在线维护。每个通道可以控制一个或多个并联的整流桥，输出励磁电流高达10000A。 

图2 为我厂励磁系统配置情况，其中图中的缩写如下： 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 -发电机励磁电流测量信号。控制器有“运行”和“备用” 两种工作状态，备用控制器是运行控制器的后备控制器。 

图 2: 整流桥n-1 型配置，带后备励磁电流调节器的双通道控制器

这种配置的冗余度最高。每个调节通道的配置也最为齐全，包括的励磁电流调节器等许多功能。 

2、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器

该功能用于防止转子回路过热。它主要有两个不同的设定值：强励顶值电流值；连续运行允许的过热值。过热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：

强励顶值电流值Imax 1/2

过热值Itherm 1/2

转子的等效过热时间常数Tequiv

转子的等效冷却时间常数Tcooling

通过上述设定值，可计算出励磁绕组最大允许的热能ΔEmax。

该器的参数设定值和功能框图如图3所示。

图3最大和最小磁场电流器

 (2) P/Q器

P/Q器用于防止发电机进入不稳定运行区域。可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%）来设定曲线。曲线与发电机的电压水平有关，发电机电压变化时，特性随之偏移。

图4    P/Q

P/Q整定

低励的动作曲线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。

由系统静稳条件确定进相能力曲线时，根据系统最小运行方式的系统等值电抗，并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动作曲线。

（3）过通量保护（V/Hz继电器）

该功能是防止同步发电机磁通密度过于饱和。与基准电压进行比较，而基准电压取决于在发电机电压实际值下的发电机频率。若实际电压超过基准值，一个定时器将被触发。在可调的时间延迟结束后，电压仍没有返回到允许值，跳闸信号将被触发。

图5 V/Hz保护框图

过激磁（V/Hz）器启动值为105%Ue/fe

过激磁（V/Hz）器动作时间取0.2s。

作用方式。当过激磁动作后，瞬时电压频率比为105%。

V/HZ参数表为：

912  V/HZ MON ：超过线5%；

913  DLY V/HZ MONITITOR：延时2秒保护动作。

（4）定子电流器

其功能在过励和欠励运行范围内防止发电机定子绕组过热。与峰值极限（最大定子电流）的设定值有关，但没有一个确定的值。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6在过励和欠励运行模式下的定子电流器

定子电流的整定：

该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。

器动作时间1s，拉回到线105%In。

保护动作方程：

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485V，DL/T650-1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》要求：工频耐压试验标准为发电机额定励磁电压不大于500V时，10倍额定励磁电压，即10×485=4850V。

东方电机厂提供发电机试验报告：转子耐压试验电压为4450V，1min。

汽轮发电机励磁系统装设发电机转子过电压保护装置，动作值高于强励后灭磁和异步运行时的过电压值，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，低于转子过电压保护动作电压。

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%×4450=3115V

发电机转子过电压保护按躲过在强励状态下灭磁时转子过电压：＞6×485=2910V

发电机转子过电压保护定值设定为3000V。

（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

（8）励磁变压器温度测量保护

在UNITROLR6800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。

三： 手动控制

手动控制模式主要用于在AVR故障时（如PT故障）的备用控制模式或检修调试用。

在手动控制模式下运行时，以同步发电机的励磁电流作为反馈量进行调节。

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曲线整定如下表：

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

UNITROLR6800正常能够从残压起励。在起励过程中，若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。如果残压低不足以建立发电机电压时，则起励装置会自动投入，起励开关自动闭合，在机端电压达到额定电压的30%时，起励开关自动断开。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10%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。

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

1、同步发电机半导体励磁原理及应用               攀俊    陈忠  涂光瑜编著

2、ABB UN 6800 用户手册及调试报告

3、国信靖江电厂集控运行规程