HSG710MM8发电机控制系统改造

0　概要 　　发电机的励磁系统的控制主要有单励、相励和复励，通过闭环回路的反馈调节控制励磁电流及电压，达到发电机对外做功的要求，同时控制系统的参数设置应该在允许的范围内。当发电机并网运行时，发电机的励磁系统决定无功功率的分配，发动机的输出决定发电机的有功功率的分配。对于小电网独立运行的发电机而言，励磁系统直接关系到发电机的输出特性，当启动大负荷的设备时，发电机的励磁调节十分重要的。 1、发电机的状况 　　我公司由于地理环境的影响，供电线路及设备的运行十分特殊。整个设备的动力电源主要来自两台中压（6KV）发电机组，单台容量为3120KVA，功率因素0.8，电压6.3KV，电流286A，频率50Hz。发电机主要保护有：差动电流保护100A无时限；过流保护2.1倍的额定电流10秒，速断保护为额定电流的3倍2秒，零序电流保护和定子接地保护，低压低频和超电压超频率保护延时5分钟，励磁系统有过流和过电压保护。但由于我公司生产主要设备为输油泵（单台容量为710KW）三台和其他小容量的喂油泵，正常运行时双机并机直接启动输油泵。 　　当一台发电机处于故障或维修状态时，有需要由一台发电机启动主输油泵的工况。从电动机的启动来说，单独一台发电机很难启动1台主输油泵，经常出现发电机启动一台主输油泵的时候，发电机过流速断保护、低频低压和差动保护；同时发电机的励磁电压及励磁电流保护动作。 　　从以往的运行状况看，发电机双机并机启动主输油泵后，单台发电机的外特性十分稳定，输出电压及频率稳定，发动机的状态也很好。 2、发电机励磁参数测量 ⑴、取样电路：即测量发电机的励磁电压和励磁电流。从发电机的励磁控制盘中的励磁电流分流器取样，分流器为40A/150mA，通过采样电路，将电流信号转换为电压信号在通过模数转换，输入计算机进行处理。采样电路如图1所示：经过测量发电机的励磁系统采用PWM脉冲宽度调节电路调整励磁电压，通过自动调节电路从而得到稳定的输出交流电压，脉冲宽度调制电路载波频率为1kHz。 ⑵、发电机励磁工作原理 发电机的励磁电流是由发电机的输出取得，励磁电流的大小是由AVR根据发电机的输出给定值和输出端电压、电流的反馈量自动调节；励磁系统设有强迫励磁调节单元。 　　从发电机的技术参数中得到，发电机的励磁线圈电阻约8.4~8.5欧姆，励磁电流在2.5~7.8A之间变化，因而电流的大小正常运行前由接触器K2控制，电压达到正常的80%后有AVR自动调节输出电压以满足设备的运行电流互感器T3是短路励磁电流，即发电机输出瞬间短路时，系统电压为零，即T1二次侧的电压为零，K2接触器处于为接通的状态，K2接触器辅助触点动作，此时励磁电流就由T3电流互感器的二次电流提供，但短路电流非常大，足够提供发电机的励磁电流。瞬间可以满足发电机的运行，但时间不能太长，否则引起更大的故障。同时直流接触器K1、K3由24V电源控制，一旦24V电源失电，K1接触器的辅助触点短路励磁电流线圈，因而发电机也不能正常工作。励磁控制系统电路如图2所示： 　　根据自动调节控制理论，随着负载的增加，励磁电压的占空比也逐渐增加，励磁电流也增加，发电机系统可以稳定的输出交流电压。单台发电机的容量为2496KW，单台主输油泵的容量为710KW，发电机的容量为主输油泵容量的3.5~3.67倍，启动时的状况为：由于系统容量有限，在负载突然增加的情况下，系统瞬时提供的有功和无功的能力减弱，导致频率和电压下降较大，系统恢复的时间较长，导致电动机的启动时间加长；系统的保护功能起作用，因而发电机启动单台主输油泵是很难成功。如果两台发电机并网运行，系统的容量4992KW，发电机的容量为主输油泵容量的7.03~7.34倍启动是不成问题的。同时在单机启单泵的过程中发现主输油泵的启动时间为2秒多，启动瞬间发电机的输出电压降为3500V左右，主输油泵电动机启动电流约额定电流的10倍左右，启动过程也顺利。下面就发电机单机启单泵的全部过程，用计算机监视系统记录启动瞬间的励磁电压及电流的参数变化。从图中可以看出，励磁电流和电压都大幅度增加，说明AVR（Automotive Voltage Regulator）自动调节功能正常，但在启动过程到2.72秒时，励磁电压开关跳闸，励磁电压突然消失，励磁电流随着指数曲线下降，发电机失去励磁，因此交流输出电压也将消失，系统崩溃，发电机进线柜断路器失压跳闸。图中的电压曲线变化是突然的垂直下降，和发电机成功启动的曲线下降不同。发电机单机启单泵（710KW）的曲线如上图3所示： 3、发电机单机启单泵失败原因分析 　　在启动失败的记录曲线中，励磁电流和电压都不连续，由于励磁电压突然消失，导致发电机失磁，发电机系统崩溃，启动失败。从图中可以知道，发电机启动主输油泵的时间为2.2~2.72秒，属于电动机正常的启动时间。但在启动过程中发电机励磁电压开关跳停，说明励磁电压存在超压保护和励磁电流过流保护，这在说明书中也可以查到。在发电机的励磁电路图中可以分析：发电机瞬时启动主输油泵，启动电流为额定电流的4~7倍，即为75*7A，必将引起输出电压降低，因而引起励磁控制电压降低，交流接触器K2动作，发电机处于短路励磁激励，励磁电流剧增，引起输出电压瞬间增大，从图中励磁电压反算可得发电机输出电压为9.1KV，进而发电机励磁过电压保护动作，切断励磁输出，因而系统瓦解。在发电机启动一台主输油泵时，启动的时间为2秒多，则励磁的保护时间也在这个范围之内。启动不成功也有可能发电机励磁保护时间设置的“过短”，大于主输油泵的启动时间，因而启动会失败。另一方面，发动机的带载性能的好坏也直接影响发电机的负荷运行。以为对于发动机在启动前的负荷是很小的，突然发电机启动主输油泵使得发电机的负载增加好几十倍，并且对于发电机也超过负荷。影响发电机的启动主输油泵。再者由于主输油泵电机的结构不同，启动时间的长短，也影响发电机单机启单泵。同时发电机单机起单泵时发电机的出线开关和中性点接地开关也发生保护跳闸，但从发电机出现跳分析，存在过流、速断保护动作和其它的保护动作信号，经过几次试验结果分析，应该是发电机过流和速断动作，同时高压进线开关保护动作，使得单机起单泵失败。 4、发电机单机起单泵控制系统的技术改造 　　导致启动失败的根本因素在于：启动过程中发电机电压大幅下降，导致低压保护；启动的冲击电流，导致过电流保护；启动过程中的三相电压不平衡，导致零序保护；柴油机的转速下降，导致低频保护。 　　从以上分析看，发电机的励磁调节系统需要进一步完善。首先，发电机的励磁电压与励磁电流的保护时间需要调整；由于主输油泵电动机的启动时间在三秒以上，因而调节保护时间应该超过3秒。同时在发电机的继电保护电路上进行改造，使得发电机在单机起单泵时能够满足条件，启动完成后，恢复正常时的继电保护参数，保证系统的安全。 采取的措施： (1)、跳开电动机的低电压保护，防止电动机启动时的冲击导致系统电压过低，引起电动机的低压保护动作。 (2)、电动机的过流和速断保护回路进行线路改造，即在电流保护互感器的输出并联分流电阻，使综合保护继电器不动作； (3)、切除电动机的零序保护。 (4)、发电机的过流保护和速断保护、低频低压保护，使发电机启动主输油泵时人为将发电机和电动机的继电保护参数增大，躲过电动机启动时引起的参数变化；启动过程运行增设一台可编程控制器（三菱FX1S—30MR）去控制，在待启动主输油泵的启动信号给可编程控制器，由程序判断发电机和主输油泵的运行组合，可编程控制器控制相应的交流接触器去改变系统的保护参数，历时3.5秒后恢复到系统的原始参数；每一次动作后需要关闭可编程控制器的电源，才能进行下一次操作。增加的电气线路如图4A、4B所示： 5、结论 　　由于发电机系统在出厂时，系统原始设计的要求为双机并机启动主输油泵，所以保护参数设置是十分保守的。在发电机正常运行的前提下，对控制系统的参数进行测量和分析，采用在启动过程中改变系统的保护参数、同时切除了部分原设计的保护，对发电机和电动机的一些参数进行调整，通过反复的试验，达到我公司实际的运行时对单机启单泵的要求。 参考文献 ： 1.《发电机操作手册》 ABB Industry Of Machine Generation Description 2.《自动控制原理》 胡寿松主编 国防大学出版社 3.《电机与拖动基础》 李发海 王岩编著 清华大学出版社