浅谈化工厂余热汽轮发电机电气系统的调试

付伟(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

某公司在印尼以EPC模式承建的以硫磺为原料生产工业硫酸装置，为回收利用生产过程中的废热，配套设计了1台余热蒸汽发电机组。在发电机并网运行前，必须对其做全面完整的调试和试验，以保证发电机组的稳定运行和装置的持续稳定生产，减少外供电消耗，提高企业的能耗水平。

文章以该项目的发电机组电气调试和并网过程为基础，分析探讨余热汽轮发电机组现场安装调试的重点和要点。

1 发电机的基本电气信息

余热蒸汽发电机的主要电气参数如下：

(1)发电机及配套系统制造商：GE-A160A4；(2)电压等级：6.3 kV；额定电流：1 887 A；频率：50 Hz；(3)视在功率：20 588 kVA；有功功率：17.5 MW；(4)转子级数：4；功率因素：0.85；(5)防护等级：IP54；绝缘等级：F；(6)继电保护采用G60保护器，内部冗余设计；同期和励磁采用了DECS250系列的AVR装置。

2 发电机系统冷态调试相关检查

结合现场实际工程经验，按照GB50150的要求对发电机系统进行现场交接试验，主要包括[1]：

2.1 发电机绝缘和耐压检查

(1)测量定子绕组的绝缘电阻和吸收比或极化指数：首先打开发电机的中性点连接端的短接铜排、断开PT的一次连接部分。分别测量相间和相对地的绝缘电阻。对于额定为6.3 kV的发电机，采用5 000 V绝缘摇表，分别测量15 s、60 s、1 min的绝缘电阻。该项目发电机的现场实测记录如表1所示。

表1 发电机绝缘阻值实测记录

(2)测量定子绕组的直流电阻：定子绕组的直阻测量要求相间差别不超过其最小值的2%，与发电机出厂FAT报告中的差别不超过2%。

(3)定子绕组的交流耐压试验：针对额定电压为6.3 kV的发电机，试验电压为(1+2*6.3)*0.8=10.88 kV。国外项目可依据IEC60034-15中4.4条规定，直接按FAT报告的80%完成交流耐压试验。试验时间均为1 min交流耐压。

(4)测量转子绕组的绝缘电阻：部分机组可利用转子接地保护在发电机转子绕组引出的端子处进行测量。如果实在无法测量，则可考虑取消该实验。如果以上实验均已完成且试验合格，特别是沿海项目，建议立刻将发电机的空间加热器投入运行，以保证发电机的绝缘不会因为受潮等因素降低。

2.2 发电机的PT、CT的校验和检查

发电机配套的PT和CT在发电机的保护、同期、励磁各系统中扮演着举足轻重的角色。应按照GB50150要求完成如下校验和检查：(1)PT、CT的绝缘电阻测试、直流电阻、变比、极性的检查，要求现场测量值与其铭牌的标注相匹配。(2)根据设计图纸检查确认二次电压/电流回路，利用继电保护仪器分别给定模拟电流/电压，完成二次电流/电压回路检查校验。(3)试验完成后，立刻对PT和CT的线路恢复检查，避免开路或者短接问题。

2.3 发电机连锁控制保护回路模拟试验

发电机的连锁控制保护回路主要是通过跳汽轮机主汽门及发电机出线柜完成，因此在冷态调试期间需要逐个回路模拟动作和检查，确保所有回路接线正确、功能正常。

3 发电机热态试车阶段相关试验

小容量型的发电机组的电气保护，一般包含：差动电流保护、时限(速断)过流保护、定子接地过流保护、失磁保护、过激励保护、低电压保护、过电压保护、逆功率保护、失步保护、负荷不平衡保护、最大相阻抗保护等。以上试验需在热态开车阶段进行，即汽轮机冲转完成后运行至额定转速的情况下进行。下面仅就部分非常规试验进行介绍。

3.1 发电机同期定相试验

为了有效避免发电机非同期合闸，必须通过发电机同期定相试验，使系统侧电压互感器和待并侧电压互感器处于同一个电源系统中，此时同期点断路器两侧压差、频差和相角差均为零的状态，检查同期装置能否准确反映这一情况，即同期装置采集的压差、频差和相角差均为零，同步表指示在零位。同期定相试验，一般采用发电机带母线零起升压法或系统倒送法。发电机带空载母线升压法是单独腾空一条母线，进行大量的倒闸操作和临时措施。由于部分新建厂区无法腾空母线，因而忽略了同期定相试验的重要性。系统倒送法是拆开发电机中性点短接点，通过系统倒送电至发电机机端PT进行同源核相。这两种方法各有优势，适用范围和发变组系统的接线方式、同期点的设置和机组运行特点有关。在印尼的某项目中采取了系统倒送电法，对同期系统进行了检查。该试验前需要确保发电机出口母线绝缘合格，相间无短路，具备送电条件。另外，打开发电机定子线圈中性点的短接点，使得三相线圈独立为三个线圈(如图1所示)。

图1 发电机定子中性点拆除前后对照

然后模拟合闸命令将发电机出口断路器工作位合闸，将系统电倒送至发电机定子，此时同期点两侧的PT处于同一系统中，使用万用表在同期柜电压端子处检查二次电压是否正常，同相间是否有压差。同时在同期装置中检查采用电压幅值、频率、相角是否完全一致，同步表指示在零位，具备同期条件。同期装置后台数据视图如图2所示。

图2 同期后台数据

该项目第一次并网调试期间，未进行倒送电试验，从而发生非同期并网事故，导致整个变电站跳闸，机组跳车。调试期间，片面认为假同期试验就可验证同期系统二次回路的正确性，其实该认识是不正确的。因为同期装置只能比较同期点两侧的相角差，不能检测两侧的相序。比如当发电机侧取A相电压、系统侧取B相电压时，由于同期点两侧是两个系统，同期装置总能找到相角差为0°的时刻，而实际此时发电机侧与系统侧存在120°的相角差，此时并网相当于并网点三相短路。

3.2 发电机三相短路试验

三相短路特性试验是验证在额定转速下，定子绕组三相稳态短路时，定子绕组电流和转子励磁电流的关系曲线。三相短路试验首先需要确定短接位置，考虑同时验证发电机差动CT的极性，最佳位置为高压柜内CT的外侧，当产生短路电流时可以检查到差动和制动电流是否正确。现场三相短接如图3所示。

图3 现场三相短接

其次复核短接电缆或铜排满足最大短路电流(即发电机的额定电流的载流量)的要求。由于高压柜内的空间较小、短路电流很大等原因，一般无法安装合适的短路电缆或铜排。

该项目现场将三相短路试验拆分为两步：(1)在发电机出口侧利用两块(8 mm*120 mm)的铜排进行短接，手动给定励磁电流，逐渐增大发电机的三相短路电流直至额定电流，逐步记录励磁电流和对应的短路电流。降低励磁电流至0 A，降低发电机转速至盘车速度，移除短接铜排。(2)利用两根150 m2的电缆在高压柜内CT的外侧进行短接。启动发电机至额定转速后，增加励磁电流，使其产生约200～300 A的短路电流，观察差动电流和制动电流是否正确，不正确则需要调整CT极性设置或者接线。通过三相短接试验分别记录励磁电流、短路电流、发电机电压数据，如图4所示。是该项目的原始试验记录，可以观察到是一条过原点，接近于直线的曲线。在三相短接状态下，可以依次进行负荷不平衡保护、过负荷保护、最大阻抗保护等试验。

图4 三相短接曲线

3.3 发电机单相接地试验

三相短路试验结束后，移除短接电缆或铜排后，使用接地线将三相中的任一相短接对地。调节发电机至额定转速，缓慢给定励磁电流，观察被短接相电压是否为0，接地保护是否在设定值时动作。试验过程中注意不得使发电机定子电压超过50%以上。试验完成后，拆除短接线，恢复发电机所有试验临时措施至最终运行状态。

3.4 发电机空载试验

并网之前需要进行发电机空载特性的检查和相关继电保护检查。汽轮机转速达到额定转速时，逐渐增加励磁，调整发电机的出口电压，分别采样5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%额定电压下对应的励磁电流，绘制对应曲线，检查是否与出厂试验曲线相对应，具体可见上图。在空载状态下，逐步完成过电压保护、低电压保护、低频率保护、励磁系统的检查和测试，校验电压限制、U/f限制以及调整励磁控制系统逻辑的响应等。

3.5 发电机同期试验

(1)假同期试验：当发电机运行到额定转速，调节发电机励磁电流至空载状态，同期点断路器至试验位，启动同期装置，进行自动准同期，观察同期装置是否在同期点，发出合闸命令，断路器合闸。另外，需要验证手动同期合闸[2]。(2)同期并网试验：假同期试验完成后，同期点断路器至工作位，检查发电机各项保护均投入正常，变配电系统侧运行参数正常。同期转自动控制模式。启动同期装置，自动进行同期合闸工作。若同期成功，则继续进行手动同期合闸等测试。若同期失败，可根据发电机保护器的记录进行系统性分析，从逆功率、同期断路器合闸回路响应时间等方向查找分析问题。

3.6 发电机甩负荷试验、孤岛运行试验以及性能考核

一般而言，发电机的甩负荷试验是对厂内电网系统稳定性检验。当发电机发出有功功率到一定时，强制打开发电机出口断路器，检验发电机系统、厂内电网系统，是否能够在工况急速变化情况下迅速调整稳定运行。孤岛模式，一般是发电机并网发电后，通过解除厂内供电与外网连接后发电机自动转为孤岛运行模式，验证发电机系统的稳定性。在所有的测试均已完成，调节发电机在额定功率的情况下，进行24 h或者72 h的满负荷性能考核试验，试验合格后正式移交机组。

4 结语

发电机作为一套发电机组，内部保护、连锁等多且繁琐，牵涉的面广，同时与外部接口的联系非常紧密。所以发电机在现场安装调试阶段的质量和深度、严谨细致程度，直接关系发电机能否正常运行提供合格的电能，以及对电力系统的安全。通过印尼某项目的经验总结，主要对发电机的一些具体调试工作和注意事项作了详细介绍，希望对类似的发电机组安装调试能有所帮助。