EX2100励磁系统保护逻辑分析

詹红静+白烨+李树东

摘 要：励磁系统的控制是由SCR（半导体可控整流桥）整流桥回路的相位控制得到的。SCR的触发信号是由控制器中的数字调节器产生的。励磁装置是一个灵活的模块系统，它可以组合起来，以提供一定范围的输出电流和几级系统冗余。EX2100励磁控制（EX2100或励磁装置）输出励磁电流，以控制发电机交流端电压，和/或无功功率。它是为新建的和改造的汽轮机、燃气轮机和水轮机设计的全静态励磁系统。

关键词：EX2100 励磁系统 Toolbox

中图分类号：TM331 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0096-03

1 发电机励磁系统介绍

励磁系统的控制是由SCR（半导体可控整流桥）整流桥回路的相位控制而得到的。SCR的触发信号是由控制器中的数字调节器产生的。励磁装置是一个灵活的模块系统，它可以组合起来，以提供一定范围的输出电流和几级系统冗余。这些选项包括从并联变、复合电源还是从辅助电源取励磁电源，单桥整流还是多桥整流，热备用桥的数量，以及是简单控制还是冗余控制。汽轮发电机励磁系统的概况如图1所示。励磁装置的电源，或者取自连接在发电机端子上的功率整流变压器，或者取自连接在某一厂用母线上的励磁变压器。发电机的线电流和定子输出电压都是励磁装置的主要的反馈输入，而直流电压和电流则输出到发电机的励磁绕组的被控量。装置的结构支持以太网LAN（单元数据高速）与其他GE的设备进行通讯。它包括用于配置的GE控制系统工具箱（Toolbox）、汽轮机控制，LCI静态起动器以及HMI（运行人员接口）。图1是励磁装置的简化的单线图，它表示了功率源、发电机电压和电流的测量，控制模块，功率整流模块（PCM），以及保护回路。在电压源系统中，PPT（功率整流变压器）的二次侧接到一个三相全波可逆晶闸管整流桥。可逆整流桥能提供正向和反向强制电压，以取得最适宜的性能。对于甩负荷和灭磁，反向强制电压提供了快速响应。

励磁系统的控制是由SCR（半导体可控整流桥）整流桥回路的相位控制而得到的。SCR的触发信号是由控制器中的数字调节器产生的。在冗余的控制选项中（图1），M1或M2都可以是工作的主控制器，而C监控这二个主控制器，以决定那一个应当是工作的主控制器，和那一个是后备的主控制器。两个独立的触发回路和自动跟踪的采用，保证了主、后备控制器之间的平稳切换。该厂机组容量为600MW，励磁系统为美国通用公司GE-EX2100自并励静止励磁系统，额定转子电压为428V，额定转子电流为4387.4A，EX2100是全数字励磁调节器，它的配置是由冗余的控制器连接到三个整流桥而组成。

2 发电机励磁系统保护功能

2.1 过励限制（OEL）介绍

OEL限制/保护EX2100励磁系统OEL 限制器中通过对发电机励磁电流进行采样和检测，实现发电机并网状态下的限制及保护（通过转子热积分I2*t实现）以及空载运行状态下的过励磁保护。当转子热积分 I2*t超过OEL限制器的限制值时，控制器转入FCR（转子电流控制）运行模式，FCR将根据OEL限制器自动设定为一个较低的调整参考值进行调节。如果在正常运行过程中OEL限制器未启动，FCR输出将保持在高位以确保励磁系统处于AVR（自动）或者FVR（手动）控制方式。EX2100OEL限制器还提供了一个冷却方程对发电机过励状态发生后的转子冷却状况。当OEL限制器动作时，EX2100利用FCR控制器对发电机励磁电流进行调节及限制。在发电机空载运行状况下，发电机励磁电流将被限制在112%（甚至更少）AFNL（发电机空载额定电流值）以防止发电机以及与之相连的变压器过磁通。在发电机并网运行状态下，EX2100将对发电机励磁电流进行限制以防止发电机转子因过热而损坏。然而在励磁电流限制功能启动之前，EX2100也将允许一定的强励输出能力以支持某些故障状态下的系统恢复。

I2*t启动运行条件：V/Hz>0.9（FVR）或控制器运行在自动模式（AVR），且发电机空载运行（出口开关位置状态为断开）过励保护动作过程：发电机空载运行时，当发电机励磁电流达到或超过一个启动设定值“OffLiOEPU”（EX2100默认设定值120%AFNL）时，FCR立即启动。EX2100启动转子进行热积分（I2*t）计算，对发电机转子进行过励磁保护。这是一条反时限的保护曲线，该曲线模型可根据“OffLiOELev”、“OffLiOESec”及“OffLiOEInf”参数进行整定。当发电机励磁电流达到OffLiOEInf设定值（125%AFNL）时，OEL限制将动作，EX2100保持运行且不会跳机。当发电机励磁电流大于125%AFNL时，OEL起动反时限保护，电流越大OEL动作越迅速。当发电机励磁电流持续维持140%AFNL（OffLiOELev设定值）运行时，OEL动作，励磁维持运行2秒后跳机。当OEL限制器动作时，EX2100转入FCR运行模式，励磁系统自动将FCR控制器的参考值设置为“FcrRefOffLi”（默认值为120%AFNL）进行调节。

当EX2100励磁系统检测到发电机励磁电流大于“FldCurHiSet”（系统默认设定值 140%AFFL即1.4倍发电机额定负载电流）时，EX2100将监测励磁电流，且在规定的延时时间“FldCurHiSec”（可设定）内允许励磁系统持续强励而不进行干预。当延时时间到，FCR取代原来的控制方式，将励磁电流限制在125%AFFL。

2.2 OEL保护动作曲线

当EX2100励磁系统检测到发电机励磁电流达到或超过一个启动设定值“OE_PU”

（EX2100默认设定值102%AFFL）时，FCR立即启动。EX2100启动转子进行热积分（I2*t）计算，对发电机转子进行过励磁限制/保护。并网状态下的限制及保护曲线均为反时限的限制/保护曲线，保护曲线模型可根据“OETripLev”、“OETripSec”及“OE_Inf”参数进行整定。当发电机励磁电流达到 OE_Inf 设定值（106%AFFL）时，OEL 限制将动作，EX2100保持运行且不会跳机。当发电机励磁电流大于106%AFFL时，OEL起动反时限保护，电流越大OEL动作越迅速。当发电机励磁电流持续维持112%AFFL（OETripLev设定值，可现场整定）运行时，励磁维持运行120 s后OEL保护动作启动跳机。OEL限制曲线：其曲线上各点的设定值为OEL保护曲线设定值的70%（OELLimitLev设定值，可现场整定）。当EX2100励磁系统检测到发电机励磁电流达到或超过一个启动设定值“OE_PU”（EX2100默认设定值102%AFFL）时，FCR立即启动。EX2100启动转子进行热积分（I2*t）计算，对发电机转子进行过励磁限制。并网状态下的限制曲线为反时限的限制曲线。当EX2100励磁系统检测到发电机励磁电流大于102%AFFL但却没到106%AFFL时，OEL起动反时限限制曲线，电流越大OEL限制动作越迅速。当发电机励磁电流持续维持170%AFFL运行时，励磁维持运行10 s后OEL限制动作启动FCR控制模式（当发电机励磁电流持续维持120%AFFL运行时，OEL限制动作时间大约为36 s）。FCR控制器最终将励磁电流限制在100%AFFL，如图2所示。endprint

当OEL动作且FCR将电流限制在100%以后，FCR将被释放，控制自动回到AVR控制方式，此时AVR的参考值为FCR启动前AVR的电压参考值。与此同时，积分器按照励磁绕组的冷却时间常数放出热量使转子迅速冷却，通常它比热积分时间要慢。如果在冷却的过程中发电机再次运行在过励磁状态，此时转子剩余的热量将与新累聚的热量叠加，最终加速新一轮的过励限制/保护动作过程。OEL启动控制器切换曲线：为防止因某个控制器因采样故障而产生的 OEL限制/保护误动作而跳机现象，在 EX2100 中还设置了控制器切换曲线，其曲线上各点的设定值为OEL保护曲线设定值的85%（OEXferLev设定值，可现场整定），如图3所示。

3 V/Hz限制器

V/Hz限制器是一个为防止发电机及其与之相连的变压器如主变压器、励磁变压器过激磁而配置的限制器。在发电机正常运行过程中，允许发电机连续正常运行的 V/Hz范围为95%～105%。如果V/Hz比值低于95%，这将降低发电机的输出能力并降低系统的稳定裕量。105%～110%的V/Hz将导致转子震动以及转子温度的上升。严重的过磁通将产生涡流并可能最终导致转子熔化事故。

V/Hz限制及保护曲线：正常运行的发电机，当发电机端电压与频率的比值超过一个设定值110%（VHz2TripPU，可现场整定）时，V/Hz限制器起动。该限制器动作曲线为一条反时限动作曲线，该曲线模型可根据“VHz2TripInf”、“VHz2TripSec”及“VHz2TripLev”参数进行整定。当发电机V/Hz值达到110%～112%时，发电机仅仅会对其进行限制而不会跳机。当V/Hz值大于112%时，V/Hz限制/保护反时限动作。在一定的延时时间内，EX2100励磁系统将允许发电机持续运行，并调整励磁输出以降低V/Hz值。经过一定的延时时间后，如果 V/Hz值未能降低，EX2100将跳机。典型的设置为，当V/Hz值为118%时延时45s跳机。V/Hz值越大，允许延时跳机的时间就越短。如果V/Hz值大于118%（VHz1TripLev，

可现场整定），励磁系统将于2s（VHz1Trip

Sec，可现场整定）延时后迅速跳机。V/Hz启动控制器切换曲线：为防止因某个控制器因采样故障而产生的V/Hz限制/保护误动作而跳机现象，在EX2100中还设置了控制器切换曲线，其曲线上各点的设定值为 V/Hz保护曲线设定值的85%（VHz4XferLev设定值，可现场整定），如图4所示。

通过对以上保护逻辑的分析，使研究者对EX2100励磁系统的保护工作原理有所了解，为以后的现场工作提供理论依据，更好的为现场诊断故障提供保证。

参考文献

[1] GE励磁系统EX2100用户指南GEH-6632[S].

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