EX2100勵磁系統保護邏輯分析

詹紅靜+白燁+李樹東

摘 要：勵磁系統的控制是由SCR（半導體可控整流橋）整流橋回路的相位控制得到的。SCR的觸發信號是由控制器中的數字調節器產生的。勵磁裝置是一個靈活的模塊系統，它可以組合起來，以提供一定范圍的輸出電流和幾級系統冗余。EX2100勵磁控制（EX2100或勵磁裝置）輸出勵磁電流，以控制發電機交流端電壓，和/或無功功率。它是為新建的和改造的汽輪機、燃氣輪機和水輪機設計的全靜態勵磁系統。

關鍵詞：EX2100 勵磁系統 Toolbox

中圖分類號：TM331 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0096-03

1 發電機勵磁系統介紹

勵磁系統的控制是由SCR（半導體可控整流橋）整流橋回路的相位控制而得到的。SCR的觸發信號是由控制器中的數字調節器產生的。勵磁裝置是一個靈活的模塊系統，它可以組合起來，以提供一定范圍的輸出電流和幾級系統冗余。這些選項包括從并聯變、復合電源還是從輔助電源取勵磁電源，單橋整流還是多橋整流，熱備用橋的數量，以及是簡單控制還是冗余控制。汽輪發電機勵磁系統的概況如圖1所示。勵磁裝置的電源，或者取自連接在發電機端子上的功率整流變壓器，或者取自連接在某一廠用母線上的勵磁變壓器。發電機的線電流和定子輸出電壓都是勵磁裝置的主要的反饋輸入，而直流電壓和電流則輸出到發電機的勵磁繞組的被控量。裝置的結構支持以太網LAN（單元數據高速）與其他GE的設備進行通訊。它包括用于配置的GE控制系統工具箱（Toolbox）、汽輪機控制，LCI靜態起動器以及HMI（運行人員接口）。圖1是勵磁裝置的簡化的單線圖，它表示了功率源、發電機電壓和電流的測量，控制模塊，功率整流模塊（PCM），以及保護回路。在電壓源系統中，PPT（功率整流變壓器）的二次側接到一個三相全波可逆晶閘管整流橋?？赡嬲鳂蚰芴峁┱蚝头聪驈娭齐妷?，以取得最適宜的性能。對于甩負荷和滅磁，反向強制電壓提供了快速響應。

勵磁系統的控制是由SCR（半導體可控整流橋）整流橋回路的相位控制而得到的。SCR的觸發信號是由控制器中的數字調節器產生的。在冗余的控制選項中（圖1），M1或M2都可以是工作的主控制器，而C監控這二個主控制器，以決定那一個應當是工作的主控制器，和那一個是后備的主控制器。兩個獨立的觸發回路和自動跟蹤的采用，保證了主、后備控制器之間的平穩切換。該廠機組容量為600MW，勵磁系統為美國通用公司GE-EX2100自并勵靜止勵磁系統，額定轉子電壓為428V，額定轉子電流為4387.4A，EX2100是全數字勵磁調節器，它的配置是由冗余的控制器連接到三個整流橋而組成。

2 發電機勵磁系統保護功能

2.1 過勵限制（OEL）介紹

OEL限制/保護EX2100勵磁系統OEL 限制器中通過對發電機勵磁電流進行采樣和檢測，實現發電機并網狀態下的限制及保護（通過轉子熱積分I2*t實現）以及空載運行狀態下的過勵磁保護。當轉子熱積分 I2*t超過OEL限制器的限制值時，控制器轉入FCR（轉子電流控制）運行模式，FCR將根據OEL限制器自動設定為一個較低的調整參考值進行調節。如果在正常運行過程中OEL限制器未啟動，FCR輸出將保持在高位以確保勵磁系統處于AVR（自動）或者FVR（手動）控制方式。EX2100OEL限制器還提供了一個冷卻方程對發電機過勵狀態發生后的轉子冷卻狀況。當OEL限制器動作時，EX2100利用FCR控制器對發電機勵磁電流進行調節及限制。在發電機空載運行狀況下，發電機勵磁電流將被限制在112%（甚至更少）AFNL（發電機空載額定電流值）以防止發電機以及與之相連的變壓器過磁通。在發電機并網運行狀態下，EX2100將對發電機勵磁電流進行限制以防止發電機轉子因過熱而損壞。然而在勵磁電流限制功能啟動之前，EX2100也將允許一定的強勵輸出能力以支持某些故障狀態下的系統恢復。

I2*t啟動運行條件：V/Hz>0.9（FVR）或控制器運行在自動模式（AVR），且發電機空載運行（出口開關位置狀態為斷開）過勵保護動作過程：發電機空載運行時，當發電機勵磁電流達到或超過一個啟動設定值“OffLiOEPU”（EX2100默認設定值120%AFNL）時，FCR立即啟動。EX2100啟動轉子進行熱積分（I2*t）計算，對發電機轉子進行過勵磁保護。這是一條反時限的保護曲線，該曲線模型可根據“OffLiOELev”、“OffLiOESec”及“OffLiOEInf”參數進行整定。當發電機勵磁電流達到OffLiOEInf設定值（125%AFNL）時，OEL限制將動作，EX2100保持運行且不會跳機。當發電機勵磁電流大于125%AFNL時，OEL起動反時限保護，電流越大OEL動作越迅速。當發電機勵磁電流持續維持140%AFNL（OffLiOELev設定值）運行時，OEL動作，勵磁維持運行2秒后跳機。當OEL限制器動作時，EX2100轉入FCR運行模式，勵磁系統自動將FCR控制器的參考值設置為“FcrRefOffLi”（默認值為120%AFNL）進行調節。

當EX2100勵磁系統檢測到發電機勵磁電流大于“FldCurHiSet”（系統默認設定值 140%AFFL即1.4倍發電機額定負載電流）時，EX2100將監測勵磁電流，且在規定的延時時間“FldCurHiSec”（可設定）內允許勵磁系統持續強勵而不進行干預。當延時時間到，FCR取代原來的控制方式，將勵磁電流限制在125%AFFL。

2.2 OEL保護動作曲線

當EX2100勵磁系統檢測到發電機勵磁電流達到或超過一個啟動設定值“OE_PU”

（EX2100默認設定值102%AFFL）時，FCR立即啟動。EX2100啟動轉子進行熱積分（I2*t）計算，對發電機轉子進行過勵磁限制/保護。并網狀態下的限制及保護曲線均為反時限的限制/保護曲線，保護曲線模型可根據“OETripLev”、“OETripSec”及“OE_Inf”參數進行整定。當發電機勵磁電流達到 OE_Inf 設定值（106%AFFL）時，OEL 限制將動作，EX2100保持運行且不會跳機。當發電機勵磁電流大于106%AFFL時，OEL起動反時限保護，電流越大OEL動作越迅速。當發電機勵磁電流持續維持112%AFFL（OETripLev設定值，可現場整定）運行時，勵磁維持運行120 s后OEL保護動作啟動跳機。OEL限制曲線：其曲線上各點的設定值為OEL保護曲線設定值的70%（OELLimitLev設定值，可現場整定）。當EX2100勵磁系統檢測到發電機勵磁電流達到或超過一個啟動設定值“OE_PU”（EX2100默認設定值102%AFFL）時，FCR立即啟動。EX2100啟動轉子進行熱積分（I2*t）計算，對發電機轉子進行過勵磁限制。并網狀態下的限制曲線為反時限的限制曲線。當EX2100勵磁系統檢測到發電機勵磁電流大于102%AFFL但卻沒到106%AFFL時，OEL起動反時限限制曲線，電流越大OEL限制動作越迅速。當發電機勵磁電流持續維持170%AFFL運行時，勵磁維持運行10 s后OEL限制動作啟動FCR控制模式（當發電機勵磁電流持續維持120%AFFL運行時，OEL限制動作時間大約為36 s）。FCR控制器最終將勵磁電流限制在100%AFFL，如圖2所示。endprint

當OEL動作且FCR將電流限制在100%以后，FCR將被釋放，控制自動回到AVR控制方式，此時AVR的參考值為FCR啟動前AVR的電壓參考值。與此同時，積分器按照勵磁繞組的冷卻時間常數放出熱量使轉子迅速冷卻，通常它比熱積分時間要慢。如果在冷卻的過程中發電機再次運行在過勵磁狀態，此時轉子剩余的熱量將與新累聚的熱量疊加，最終加速新一輪的過勵限制/保護動作過程。OEL啟動控制器切換曲線：為防止因某個控制器因采樣故障而產生的 OEL限制/保護誤動作而跳機現象，在 EX2100 中還設置了控制器切換曲線，其曲線上各點的設定值為OEL保護曲線設定值的85%（OEXferLev設定值，可現場整定），如圖3所示。

3 V/Hz限制器

V/Hz限制器是一個為防止發電機及其與之相連的變壓器如主變壓器、勵磁變壓器過激磁而配置的限制器。在發電機正常運行過程中，允許發電機連續正常運行的 V/Hz范圍為95%～105%。如果V/Hz比值低于95%，這將降低發電機的輸出能力并降低系統的穩定裕量。105%～110%的V/Hz將導致轉子震動以及轉子溫度的上升。嚴重的過磁通將產生渦流并可能最終導致轉子熔化事故。

V/Hz限制及保護曲線：正常運行的發電機，當發電機端電壓與頻率的比值超過一個設定值110%（VHz2TripPU，可現場整定）時，V/Hz限制器起動。該限制器動作曲線為一條反時限動作曲線，該曲線模型可根據“VHz2TripInf”、“VHz2TripSec”及“VHz2TripLev”參數進行整定。當發電機V/Hz值達到110%～112%時，發電機僅僅會對其進行限制而不會跳機。當V/Hz值大于112%時，V/Hz限制/保護反時限動作。在一定的延時時間內，EX2100勵磁系統將允許發電機持續運行，并調整勵磁輸出以降低V/Hz值。經過一定的延時時間后，如果 V/Hz值未能降低，EX2100將跳機。典型的設置為，當V/Hz值為118%時延時45s跳機。V/Hz值越大，允許延時跳機的時間就越短。如果V/Hz值大于118%（VHz1TripLev，

可現場整定），勵磁系統將于2s（VHz1Trip

Sec，可現場整定）延時后迅速跳機。V/Hz啟動控制器切換曲線：為防止因某個控制器因采樣故障而產生的V/Hz限制/保護誤動作而跳機現象，在EX2100中還設置了控制器切換曲線，其曲線上各點的設定值為 V/Hz保護曲線設定值的85%（VHz4XferLev設定值，可現場整定），如圖4所示。

通過對以上保護邏輯的分析，使研究者對EX2100勵磁系統的保護工作原理有所了解，為以后的現場工作提供理論依據，更好的為現場診斷故障提供保證。

參考文獻

[1] GE勵磁系統EX2100用戶指南GEH-6632[S].

[2] GE EX2100 EXCITATION CONTROL HELP[S].endprint