异步发电机在燃机电厂差压余能项目中的应用

引言

上海申能临港燃机发电有限公司位于上海天然气管网公司首站附近,天然气管道接入电厂进行发电生产后,母管压力依旧很高,可利用膨胀机进行差压余能膨胀做功发电。异步发电机由于其结构简单、运行可靠、价格便宜,可作为发电机应用接入厂用电系统,以此降低厂用电率。异步发电机的启动和运行过程与电动机不同,在保护整定时应注意一些实际问题。

1异步发电机原理及等效电路

1.1异步发电机原理

从原理上分析,异步发电机属于异步电机的一种运行状态。

异步电机定子与交流电源接通时,定子回路会产生基波旋转磁场,其转速n1为

式中,/1为基波频率,我国为50Hz:p为电机极对数。电机转子上安装有多个闭合绕组,受到旋转磁场的作用,闭合绕组导体上感应出电动势e2和电流i2,同时还会受到电磁力/的作用,各个导体的电磁力合成驱动转子转动的电磁转矩M,其转向与定子旋转磁场转向相同。

设电机转子的转速为n,则异步电机转子导体与旋转磁场之间存在一个相对速度△n=n1-n（n×n1）。为表征这个相对速度的大小,定义转差率s为

s又称滑差,通常电机空载时s0≠0.5%,额定负载时sN≠5%,所以异步电机的转子转速n总是接近旋转磁场n1。

当0<n<n1或0<s<1时,n1在转速n同方向上以n1/n的相对速度切割转子导体,△n>0,相应地转子电动势e2和电流i2均为正值,电磁转矩M亦为正值（驱动转子）,电机将电功率转换成机械功率输出,此时异步电机运行在电动机状态。

当n>n1或s<0时,说明有外力使转子转速高于旋转磁场转速,此时△n=n1/n<0,与电动机状态相比,转子导体相对切割旋转磁场的方向相反,因此感应电动势e2及电流i2反向,相应地电磁转矩M反向,转差率和输出电磁转矩的关系如图1所示。若外力克服此电磁制动转矩维持转子恒速转动,表示外力输入了机械功率,而电机会将此机械功率转换成电功率倒送到电网,此时异步电机运行在发电机状态。

1.2异步发电机的等效电路

通过绕组折算及频率折算,可用一个静止的转子来代替旋转的转子,从而得到异步电机的等效电路。折算前后转子各种功率不变,主磁通不变,定子各有关物理量不变,对电网等效,如图2所示。

折算后的基本数学关系为:

式中,U1为电动机定子电压:E1为定子绕组中的感应电动势:I1为电动机定子电流:R1和X1a为定子绕组电阻和电抗:E2'为折算后转子绕组中的感应电动势:I为电动机转子电流折算值:R2'和E2'a为折算后转子绕组电阻和电抗:s为转差率:Im为励磁电流:Rm和Xm为励磁电阻和电抗。

异步发电机同样适用以上等效电路。

2异步发电机的应用

2.1发电机组主要电气配置介绍

2.1.1异步发电机一次参数及保护配置

差压余能项目的异步发电机额定功率为5700kw,额定电压为6000V,额定电流为602.7A,额定转速为3014r4min,冷却方式为空冷,采用防爆接线盒接入电机电缆。异步发电机启动时通过电动辅助油泵将润滑油注入两端轴瓦内,待发电机并入电网后停止电动辅助油泵,由机械轴头泵供润滑油系统工作。异步发电机配有能反映发电机内部及连接发电机至出口开关高压电缆相间故障的差动保护,配有反映单相接地故障的零序保护,配有反映电机不对称运行的负序电流保护及后备保护的过流保护,还配有保护膨胀机本体的低功率报警和逆功率跳闸保护。

2.1.2异步发电机系统接线及保护配置

差压发电6kV系统由VD4真空断路器手车式开关柜组成,额定电流1250A。异步发电机接线如图3所示,第1仓为压变柜,第2仓和第3仓为至2号机、4号机6kV段的联络开关仓,第4仓为差压发电机出口开关仓,将差压发电有功电能输送至2号机或4号机6kV厂用电系统。因此发电机不配启动电容,靠吸收电网上的无功建立励磁磁场。异步发电机向2号机送电还是向4号机送电,通过厂用电快切装置来控制开关切换,实现灵活供电。

异步发电机运行时,2号机或4号机6kV联络线保护配有能反映线路相间故障的差动保护,以及能反映接地故障的零序保护及后备保护的过流保护。

2.1.3低压配电系统、直流系统和UPs系统

差压发电400V配电系统采用抽屉组合式配电柜形式,设一面进线柜、四面馈线柜,柜间一次系统由铜母排连接,额定电流630A。电源形式为三相四线制直接接地,进线形式采用两路双电源自动切换。差压发电400V配电柜主要为配套低压辅机和区域照明供电。

差压发电110V直流系统采用高频开关电源充电装置组屏形式,设一面直流屏和一面蓄电池屏。直流屏内含2组20A高频开关电源、1套微机监控单元、1套直流绝缘监测单元、1套交流进线配电自切单元、1套16回16A馈线断路器及成套CT和电压、电流变送器等。蓄电池屏内含9只12V、50Ah阀控式密闭铅酸蓄电池和1套蓄电池巡检装置。差压发电110V直流系统主要为差压发电6kV开关柜控制及信号提供电源。

差压发电220V交流不停电UPs系统设2套独立的11kVAUPs电源,每套UPs设一面UPs主机屏和两面蓄电池屏。主机屏内含1台11kVA电源主机、10回10A馈线支路和10回16A馈线支路等。两面蓄电池屏共含20只12V、100Ah阀控式密闭铅酸蓄电池。差压发电UPs电源1和UPs电源2主要给差压发电PLC系统、差压发电DCs系统和差压发电快切装置提供电源。

2.2异步发电机的启动

异步发电机启动过程由PLC控制系统走程控执行,实现一键启停。当PLC接收到启动信号后将依次打开进口隔绝阀、IGV阀(开度为5%）和EsV阀。EsV阀打开后,IGV阀以0.2%/s的速率逐渐打开,膨胀机将带动发电机旋转,当发电机转子转速达到2970r/min时,发电机出口开关收到PLC指令合闸。发电机出口开关合闸瞬间,定子旋转磁场n1=60/1/p=60×50/1=3000r/min,转差率s=(3000-2970）/3000=1%。根据异步电机原理,转子转速为0<n<n1,0<s<1,此时发电机处于电动状态,将和膨胀机一起带动转子提升转速。

发电机合闸后,IGV阀以1%/s的速率继续打开,膨胀机继续拖动转子提升转速,直到膨胀机带动转子转速基本稳定在3005r/min。此过程转差率从正值逐步向零逼近,然后变成负值,相应的电磁转矩也从坐标轴的正值过渡到坐标轴的负值,如图1所示。发电机转子在3005r/min时,转差率s=(3000-3005）/3000为负值,说明发电机从电动状态变成发电状态。

发电机输出功率高于570kw后,IGV阀切换到自动控制模式,发电机启动程序结束。

3异步发电机保护需注意的问题

3.1速断保护按躲过并网冲击电流进行整定

异步发电机从静止到转动是靠膨胀机拖动,并不依靠电网电源,因此速断保护需按躲过发电机并网时的冲击电流进行整定。当异步发电机接近同步转速附近并网时,并网时间很短,过程瞬间结束,与发电机机端短路的暂态过程时间相近,远小于其作为电动机状态的起动过程:并网冲击电流倍数要小于突然发生机端三相短路时的冲击电流倍数,它们都与电机的暂态电抗x′有关。

王志伟利用异步电机发生突然短路前后定转子绕组的磁链不能发生突变的原理,推导出异步发电机最大三相短路电流出现在并网空载运行时,其短路周期分量为

式中,U1m为机端三相短路时的机端电压:x′为异步发电机定子的暂态电抗:o=2m/。

非周期分量短路电流最大值为

式中,U1为发电机机端短路非周期分量电压:x′为异步发电机等效电抗。

取标幺值后,可得短路电流倍数为

式中,x′为异步发电机定子的暂态电抗。

并网后冲击电流为

式中,U1为并网后外加电压:E1r为定子绕组中剩磁产生的感应电势:R1为定子电阻:x′为异步发电机等效电抗。

从式(7）可得,异步发电机并网冲击电流的峰值,与发电机参数、发电机的剩磁感应电势和机端电压有关。异步发电机的剩磁很小,如果忽略定子电阻R1和剩磁感应电势E1r,可得异步发电机并网时冲击电流的最大峰值为

同样,取标幺值后,可得异步发电机并网最大冲击电流倍数为

可见,忽略定子电阻R1和剩磁感应电势E1r的情况下,式(6）和式(9）相同,并网时的冲击电流可以用机端短路的三相短路电流来进行计算。根据电机厂家资料,此发电机机端三相短路时的电流波形如图4所示。

图4异步发电机机端三相短路时的电流

可以看出,机端三相短路电流值约为11In(C相峰值）,换算成有效值约为7.8In,则速断保护启动值为:

式中,Krel为可靠系数,取1.3:Ik(3）为机端三相短路电流:In为异步发电机额定电流:Ict为电流互感器变比。灵敏度经校验足够,此处不再计算。根据并网录波实测,此台异步发电机并网冲击电流最高值出现在A相,如图5所示。最大冲击电流0.701A。折算到一次值需乘以CT变比1250/1和录波钳形电流夹变比50/10,并换算到有效值约为5.1In,小于机端三相短路电流7.8In,因此速断保护的定值正确。

图5异步发电机机并网冲击最大电流

3.2逆功率保护设置

与同步发电机相同,异步发电机亦是由原动机拖动输出有功功率。逆功率保护的设置主要用于保护原动机。当异步发电机因为某种机械或电气故障原因作为电动机运行时,会对原动机造成机械损伤。因此,逆功率保护的设置是有必要的。根据膨胀机厂家的现场调试经验,逆功率报警值设置为额定功率的2%,约140kw:跳闸段定值设置为额定功率的3%,约171kw:跳闸延时可设置为19。

需要注意的是,发电机并网初期是电动机状态,为防止逆功率保护误动,发电机并网到发电这一段过程应设置保护闭锁。由于发电机在并网前由原动机拖动,发电机定子上没有电压,因此可以采用发电机机端电压作为逆功率保护的闭锁信号,即设置发电机机端电压建立之后投入逆功率保护,闭锁电压设置按额定电压的80s进行设置,闭锁时间为209,闭锁逻辑通过保护装置实现,逻辑如图6所示。

4结语

经本文分析,可以得到以下结论:(1）综合天然气差压余能的优势、大机组厂用电无功较多的条件和异步发电机组结构简单、造价相对便宜的特点,异步发电机应用在天然气差压余能项目中是可行的。(2）对于单台以上大机组的发电厂,可利用快切装置切换厂用电,实现灵活供电。(3）异步发电机实际应用时的保护整定与普通异步电动机不同,要考虑躲过并网冲击电流,并设置逆功率保护。