水泥厂余热发电励磁系统的保护与限制

邓 澜，王婷婷，兰挺进

（1.苏州中材建设有限公司，江苏 苏州 215301；2.南京科电新锐电力技术有限公司，江苏 南京 210000）

1 磁场的目的及励磁控制的主要作用

左手定则描述的是如何判断通电导体在磁场中的受力方向，从能量转换的角度，它表达的是电动机的工作过程，也就是从电能转换为机械能，最基本的公式为：

其中B为磁感应强度；右手定则，描述的是如何判断运动导体在磁场中的感应电势（电流）方向，从能量转换的角度，它表达的是发电机的工作过程，也就是从机械能转换为电能，最基本的公式为：

其中Φ0为磁通量。从以上两个定则的基本公式中表明，磁场是两个定则需求的共同点，也就是说磁场的目的是为能量转换提供介质（转换的场所）。在发电机感应电势公式（2）中，Φ0与转子电流（励磁电流）在磁通不饱和状况下是成正比的，在发电机空载状态下，空载电动势与发电机定子电压是相等的。转子冲转到额定转速,汽轮发电3000r/min→转子绕组加励磁电流(直流)→产生旋转磁场→定子绕组切割磁力线产生三相对称感应电势→发电机出线端三相对称电压。根据公式（2）和Il，Φ0可知，调节励磁电流Il，可改变磁通Φ0，从而改变定子绕组感应电势E0。励磁控制的主要作用是通过控制磁通而控制定子电动势（空载时实际就是发电机出口电压，并网时体现在机组无功的控制）。

印尼巴亚余热机组的励磁系统如图1所示：系统为自并励方式（静态励磁系统），由励磁变压器及励磁控制柜（含励磁控制、整流、灭磁）组成。励磁变压器高压侧接于发电机出口，励磁变低压侧接入励磁柜，作为整流电源输入，整流后的直流电流，通过灭磁开关输出到发电机转子。通过励磁的控制，使发电机的出口电压稳定在运行人员设定的给定值上。励磁系统闭环负反馈的示意如图2所示，通过PID闭环控制，使发电机电压的给定与反馈达到无差状态。PID的传递函数如下：

图1 励磁系统基本构成

图2 励磁电压负反馈闭环原理

在时域系统，离散化后的表达式为：

在公式（3）和（4）中，e为给定和反馈的电压差值，Ti为积分时间；Td为微分时间，KP为比例系数。

2 励磁控制系统的保护与限制

GB/T 7409.3—2007“同步电机励磁系统技术要求”中5.15规定，自动电压调节器在其基本功能的基础上，必须具有相应的保护与限制功能。当然，承担发电机安全保证的是发电机保护装置，所有涉及到机组安全问题的，经由发电机保护汇总后，保护出口跳开相应的开关及执行机构。励磁系统中的限制和保护，是为了完善励磁系统功能而设置的，通常励磁系统中的保护与限制都先于发电机保护装置动作，即发电机运行状况偏离正常范围时，先靠励磁系统的调节、限制、保护等，让发电机运行于正常范围。印尼巴亚水泥生产线余热机组为两台15MW发电机，励磁系统为南京科电新锐生产的KD2000，该系统有以下几种保护与限制的功能。

2.1 V/F限制功能及低频逆变保护

V/F限制是指空载时防止发电机转速过低引起发电机及变压器磁饱和而设计的限制功能，当频率低于47.5Hz时调节器自动按照设定的斜率降低电压给定值，并发出V/F限制信号；低频逆变保护是指当转速低于45 Hz时，调节器自动逆变灭磁，发出LFD限制信号。

图3 V/F限制及低频逆变

2.2 过/欠励限制

过/欠励限制的判据是发电机的功率，发电机正常运行于与其相对应的功率圆内的一、四象限，功率圆及过/欠励的区域如图4所示：发电机的运行状态，可以通过测量发电机出口的PT及CT的电气二次量来识别，励磁调节器通过采集PT及CT，能够计算出发电机三相电流、电压、有功、无功、功率因数等数值的大小及方向。在过、欠励的限制中，调节器采用直线模拟功率圆的区域特性。过励区域在功率圆第一象限，通过设置两点来确定过励直线，点1为发电机在0有功时，允许发出的最大无功，点2为发电机在额定有功时，允许发出多少无功。确定这两点后，程序内将这一线段20等分，计算出不同的有功时，发电机允许发出的无功，也就是相应的限制值。当机组运行时，如果检测到无功数值超过设定的允许值，经设定的延时时间后，励磁系统发出过励限制信号，同时闭锁增磁功能。欠励区域在功率圆第四象限，通过设置两点来确定过励直线，点1为发电机在0有功时，允许吸收（进相）的最大无功，点2为发电机在额定有功时，允许吸收（进相）最大无功。确定好这两点后，程序内将这一线段20等分，计算出不同的有功时，发电机允许吸收（进相）的无功，也就是相应的限制值。当机组运行时，如果检测到无功数值低于设定的允许值，经设定的延时时间后，励磁系统发出欠励限制信号，同时闭锁减磁功能。

2.3 强励限制

强励限制的判据是转子电流，通过不同的判据实现不同的保护，也是系统可靠性的体现。励磁系统通常允许转子电流1.1倍额定数值能长期运行，当转子电流为额定的1.8倍后，可以允许运行10s，当转子电流高于1.1倍额定电流时，具体所允许的运行时间是由反时限曲线来计算的，当强励限制动作后，励磁运行方式自动切换为电流闭环，按1.1倍的额定电流进行闭环控制。

图5 强励限制曲线

2.4 整流桥熔丝熔断及发电机过电压保护

自并励系统的功率来自机端励磁变压器，经由三相全控桥整流后变成直流电流，经由灭磁开关输出到发电机转子。三相全控桥的可控硅及熔断器，都按额定励磁参数的1.1倍长期运行及瞬间2倍强励的容量来选择，但是如果在整流桥在重负荷状况下发生熔丝熔断，为了避免故障的进一步扩大，适当限制整流桥的输出电流是有必要的，当然，这个限制是指电流超过1.1倍以上时。发电机过电压保护是指在空载状态下，如果发电机的电压超过设定值（比如是1.3倍），励磁系统将逆变停机。

图6 整流桥熔丝熔断及发电机过压保护

2.5 PT断线及通道切换

我们提到励磁最基本的功能是维持发电机出口电压的恒定，PT电压是表征发电机的实际电压及给励磁系统的反馈电压。为了提高励磁系统运行的可靠性，通常励磁系统需要两路三相电压作为反馈电压，也就是常说的励磁专用PT和电厂内的仪用PT。调节器是按双套冗余配置的，在电压反馈的分配上，KD2000采用交叉方式，即A通道把励磁PT当主反馈信号，而把仪用PT当参考信号，B通道则把仪用PT当主反馈通道，而把励磁PT当参考信号。采用这种交叉配置后，不管励磁PT还是仪用PT断线后，励磁系统都能自动切换到电压反馈信号正常的通道运行，从而维持恒电压的运行方式，同时发出PT断线的信号，提醒运行人员进行故障的查找与检修。

图7 PT断线及通道切换

3 试验记录

以上所论述的保护和限制功能，可以通过开机过程及模拟试验的方式来验证该功能的正确性。印尼巴亚水泥生产线余热机组为两台15MW发电机，机组参数为：Pe：15MW，Uf：11500V，If：941A，cosΦ=0.8，Il=321A，Ul=160V。

3.1 频率特性及V/F限制试验（开机过程试验）

频率特性及V/F限制试验见表1。

表1 频率特性及V/F限制

3.2 空载PT断线试验（开机过程试验）

A套为主时，模拟PT1断线（断开端子1D-1短接片），主套切为B套，A套报出“PT断线”故障。

B套为主时，模拟PT2断线（断开端子1D-8短接片），主套切为A套，B套报出“PT断线”故障。

3.3 过励试验（模拟试验）

设定参数：Pmax=15 MW，Qmin=11.2 MVar；Pmin=0 MW，Qmax=18.7 MVar。在P=7.5 MW，Q=15 MVar，调节装置过励限制动作，过励指示灯亮，此时增磁无效，按减磁按钮返回过励限制。

3.4 欠励试验（模拟试验）

设定参数：Pmax=15 MW，Qmin=-5 MVar；Pmin=0 MW，Qmax=-10MVar。在P=7.5MW，Q=-7.5MVar，调节装置欠励限制动作，欠励指示灯亮，此时减磁按钮闭锁，按增磁按钮返回。

3.5 强励试验（模拟试验）

设定参数：ILmax=180%，ILmin=110%，T=10s，动作值：IL=200%,时间6.5s。调节装置强励限制动作，强励指示灯亮，此时增磁按钮闭锁，减小励磁电流后，动作返回。

3.6 过压保护及整流桥熔丝熔断（模拟试验）

设定参数：Umax=130%；动作值：Uact=130%。

3.7 整流桥熔丝熔断（模拟试验）

调节器处于开机状态，模拟转子电流为150%额定值，强制熔丝熔断信号后，调节器转为电流闭环，电流给定为110%额定值。

4 运行的效果及结论

印尼巴亚水泥余热机组2号机并网发电以来，励磁系统运行可靠，保护及限制功能齐全，取得很好的运行效果。实践表明，励磁系统辅助的保护及限制功能，与励磁主控程序一样的重要，是机组的安全运行必要的配置与保障。