浅谈膨胀机异步发电机的逆功率保护

杨益平，钱　敏

（1．林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州310012；2．江苏省宜兴中等专业学校，江苏宜兴214206）



浅谈膨胀机异步发电机的逆功率保护

杨益平1，钱敏2

（1．林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州310012；2．江苏省宜兴中等专业学校，江苏宜兴214206）

摘要：介绍了异步发电机的结构和工作原理，重点分析了异步发电机的逆功率保护方式。给出了逆功率保护继电器和功率变送器在逆功率保护上的应用以及逆功率保护在异步发电机上的实现。

关键词：空分设备；异步发电机组；逆功率保护

1　膨胀机异步发电机工作原理

从结构上来说，三相鼠笼式异步发电机的结构与三相鼠笼式异步电动机基本相同，区别是能量转换方式不同，前者把机械能转换为电能，后者把电能转换为机械能。膨胀机拖动发电机的转子转动，让转子转速大于磁场的转速，就会在定子绕组上感应出所需的电动势，异步发电机就向外输出电能，这就是异步发电机的工作原理。

在空分装置中，膨胀机制动发电机属于电网激励发电方式，需要很大的励磁电流，励磁电流为感性无功电流，约为发电机额定电流的20%，把异步发电机定子的三相绕组接在电网上，当异步发电机的三相定子绕组中有电流流过，就会产生旋转的磁动势，其作用是产生一种以同步转速n0转动的旋转磁场，其同步转速n0＝60·f／p，因此同步转速n0与电网频率f和发电机磁极对数p有关。对于成品发电机来说，磁极对数p已经确定，所以转速只与频率f有关。

膨胀机异步发电机的转子被膨胀机拖动到接近同步转速时接入电网，在发电机并网前必须确认发电机的旋转方向，使其与电动机运行时的旋转方向一致，这样发电机产生的相序就与电网一致。相对膨胀机异步发电机的容量，电网容量可认为无穷大，因此定子绕组的电势和频率就自动跟随电网，异步发电机定子绕组的电势和频率就取决于电网的电压和频率。异步发电机从电网吸收无功功率（即吸收激磁电流），由于电网频率十分稳定，因此异步发电机所发的电也具有稳定的频率，并且与电网频率一致。

2　膨胀机异步发电机逆功率保护

膨胀机因某种原因导致膨胀量过小，致使膨胀机转速降到同步转速以下，使异步发电机作为电动机运行，而此时电机并未能从电网系统解列，因此电机从电网吸收有功功率，而不是向电网发出有功功率。这样的工作工况对异步电动机并无危害，但由于异步发电机驱动膨胀机，可能会对膨胀机造成不可修复的机械损坏，所以膨胀机异步发电机组不允许在此种工况下长期运行，因此必须对发电机进行逆功率保护。

2．1逆功率继电器保护

图1　气体膨胀机异步发电机逆功率保护原理图

在10kV异步发电机的逆功率保护设计中，采用XP2-R型逆功率保护继电器进行逆功率保护。电压信号取自10kV母线侧的电压互感器TV，电流信号取自发电机出线侧电流互感器TA，异步发电机逆功率保护原理如图1所示。

XP2-R型逆功率保护继电器根据设定的逆功率动作值对发电机进行逆功率保护，逆功率保护的动作功率一般设定为发电机额定功率的5%，具体如下：

式中：PR＞为逆功率保护继电器的整定值，%；

SG为异步发电机的视在功率，kVA；

cos（φ）为异步发电机的额定功率因数，96．4%；

In为逆功率保护继电器的额定输入电流，1A；

Un为逆功率保护继电器的额定输入电压，100V；

nI为电流互感器TA变比，200／1＝200；

nU为电压互感器TV变比，10000／100＝100；

PRG为逆功率的动作系数，%；

当负向功率值达到逆功率保护继电器的整定值PR＞时，按照预定时间发信号给综合保护继电器，综合保护继电器给断路器发出分闸信号，断路器就断开，然后DCS控制系统收到发电机的分闸信号，DCS控制系统就自动关闭膨胀机紧急切断阀，逆功率保护逻辑如图2所示。

图2　气体膨胀机异步发电机逆功率保护逻辑图

发电机并网的最理想状态是发电机在3000r／min的同步转速下接入电网，由于存在转速信号的滞后和电网频率的波动，一般会在接近同步转速时把发电机并入电网，在这种情况下发电机可能工作在电动机状态，也就是说此时发电机处于逆功率状态，则要求逆功率保护应躲过发电机并网时刻，因此逆功率保护应在发电机并网后延时约5s后再起作用，保证膨胀机异步发电机顺利并网；同时逆功率保护继电器以tPR延时0．5s动作于信号来躲过系统振荡，保证发电机稳定可靠地长期运行。

现以2200kW的发电机为例，计算逆功率保护整定值PR＞。在10kV供配电系统中配置了一台额定功率为2200kW的气体膨胀机制动发电机组，2极电机，同步转速为3000r／min，额定转速为3020r／min，效率为96．4%，电压为10kV、3AC、50Hz，额定电流为134．9A，采用XP2-R型逆功率保护继电器来对10kV气体膨胀机异步发电机进行逆功率保护。

根据上述计算结果，只需在XP2-R型逆功率保护器的面板上把PR＞旋钮设定在3．3%，然后在逆功率保护器的面板上把tPR旋钮设定在0．5s，也就是说当发电机发生逆功率后延时0．5s断开断路器。

2．2功率变送器逆功率保护

在0．4kV异步发电机的逆功率保护设计中，采用SM-P530型保护功率变送器进行逆功率保护。电压信号取自0．4kV母线，电流信号取自发电机出线侧电流互感器TA，异步发电机逆功率保护原理如图3所示。

当负向功率值达到功率变送器的设定值时，DCS控制系统延时0．5s后就给接触器发出分闸信号，接触器断开，然后DCS控制系统收到发电机的分闸信号，DCS控制系统就自动关闭膨胀机紧急切断阀，液体膨胀机异步发电机的逆功率保护逻辑如图4所示。

现以180kW的发电机为例，2极电机，同步转速为3000r／min，额定转速为3018r／min，电压为0．4kV、3AC、50Hz，额定电流为317A，采用SM-P530型保护功率变送器来对0．4kV气体膨胀机异步发电机进行逆功率保护。SM-P530型有功功率变送器内部设置-180kW为-Pmax，0kW为0，+180kW 为+Pmax，有功功率变送器的输出范围为4mA-20mA，那么对于有功功率变送器来说，当发电机功率为+180kW时，那么有功功率变送器的输出为20mA；当发电机功率为0kW时，那么有功功率变送器的输出为12mA；当发电机功率为-180kW时，那么有功功率变送器的输出为4mA。

SM-P530型有功功率变送器根据设定的逆功率动作值对发电机进行逆功率保护，逆功率保护的动作功率一般设定为发电机额定功率的5%，现以180kW的发电机为例，那么当发电机功率超过+9kW时，此时发电机就处于逆功率状态，DCS控制系统就必须发出停车命令。

图3　液体膨胀机异步发电机逆功率保护原理图

图4　液体膨胀机异步发电机逆功率保护逻辑图

3　结论

在氧产量为55000的空分装置中，根据工艺要求，配置一台10kV的气体膨胀机异步发电机组和一台0．4kV的液体膨胀机异步发电机组。气体膨胀机在膨胀高压空气时发出动力做功，驱动异步发电机发电回收能量，发电机起到制动作用，防止气体膨胀机发生“飞车”事故；液体膨胀机在膨胀高压液体时发出动力做功，驱动异步发电机发电回收能量，发电机起到制动作用，防止液体膨胀机发生“飞车”事故。气体膨胀机和液体膨胀机发电机都采用鼠笼式三相异步发电机。

到目前为止，气体膨胀机异步发电机和液体膨胀机异步发电机都已调试成功，发电机成功并网，发电机的逆功率保护都已试验完毕，达到设计要求。因此类似XP2-R型逆功率保护继电器和类似SM-P530型功率变送器都可用作发电机的逆功率保护，充分满足发电机逆功率保护要求，达到保护设备的要求。

参考文献：

［1］李润生，潘根．异步发电发电［M］．水利电力出版社，1982．

［2］刘景峰．电机与拖动基础［M］．中国电力出版社，2006．

［3］宋志明．继电保护原理与应用［M］．中国电力出版社，2007．

［4］周希章，周全．电动机的起动、制动和调速［M］．机械工业出版社，2001．

杨益平（1979-），男，电气工程师，硕士，2005年毕业于浙江大学电气学院，现从事电气设计工作。

图1：Radius Systems为Polyplastic集团旗下公司，从事电力、电信和建筑行业用塑料管材系统设计、研发和生产业务。

图2：在Radius Systems，为挤出生产线提供动力的传统直流电机正逐渐被交流电机代替，这旨在提高能效，降低维护成本和噪声。

图3：Radius Systems成立于1969年，是唯一一家提供覆盖整个管材生命周期解决方案的供应商。

图4：Radius生产直径16mm到1200mm的聚乙烯管材，以及用于天然气和给排水公用事业公司的相关配件。

图5和图6：Radius的产品重量轻、易安装，且针对新更换的基础设施进行了优化。Radius产品优化利用原料，具有诸多特色，包括出色的阻隔性能、应用专用涂层和简化焊接工作。

图7：200 kW IE4 SynRM电机整齐地安装到挤出机用直流电机腾出的空间。

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Reverse power protection of expander asynchronous generator unit

YANG Yi-ping1，QIAN Min2

（1．Linde Engineering（Hangzhou）Co．，Ltd．，Hangzhou 310012，China；2．Yixing Secondary Vocational School，Yixing 214206，China）

Key words：air separation unit；asynchronous generator unit；reverse power protection

Abstract：The structure and the principles of the asynchronous generator are introduced．The reverse power protection of the asynchronous generator unit is analyzed．The application of the reverse power relay and the active power transmitter on the reverse power protection are presented．The realization of the reverse power protection on asynchronous generator unit is also given．

中图分类号：TM343

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2016）02—0058—03

作者简介；

收稿日期：2016-03-24