CN112952755A - 一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统及保护配合方法 - Google Patents

Abstract

一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统及保护配合方法，包括备用励磁电源、备用励磁电源开关、负载开关、纯阻负载箱、DCS控制系统和发电机保护装置；所述备用励磁电源用于提供带载停机过程中励磁电流，负载开关用于判断是否可以投入带载停机，所述纯阻负载箱既作为正常运行时的负荷，又用于带载停机时提供制动电流，DCS控制系统用于自动控制与保护逻辑判断和带载停机功能的投入，发电机保护装置用于保护动作跳闸出口。本发明保证了带载停机功能安全的实现，避免了透平超速及断油烧瓦的风险。同时在不同工况下，实现了保护的配合。

Description

一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统及保护配 合方法

技术领域

本发明涉及发电机继电保护与自动控制技术领域，特别涉及一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统及保护配合方法。

背景技术

火力发电大多是以水蒸汽作为循环工质，在透平及配套的发电机中完成内能-机械能-电能的转换。随着以水蒸汽为工质的朗肯循环受金属材料、循环热效率、一次能源灵活性利用及降低环境污染等因素影响的制约，火力发电发展已经进入瓶颈期。近些年以二氧化碳工质、空气工质等为基础的新型工质透平机组得到了广泛的研究，如压缩空气储能项目以空气透平作为气-电转换的核心主设备，另外二氧化碳作为一种无毒、无色、无味、不可燃及自然界极易获取的工质，二氧化碳透平机组的研究也备受青睐。

目前，新型透平机组在理论研究上已取得了丰硕的成果，但在工程应用及示范项目上还存在较大的困难，主要体现在对于新型工质物性转变规律的认识不足、新型透平调速系统控制精度不够、各种自动保护及控制策略设计不全等。一种新型透平发电机组正常运行及停机过程中一般面临着来自两个方面的风险，一个超速的风险，二是润滑油系统故障造成断油烧瓦的风险。旋转机械一旦发生超速，轻则造成设备损坏、重则发生设备人身的重大损失；润滑油断油烧瓦同超速均作为防止电力生产事故二十五项重点要求的内容。当发生上述两种危险时，最好的处理方式是能够快速停机，及时制止事故的发生或者避免事故的扩大。而目前新型透平机组试验平台中，大多数是参照常规火电机组的停机保护设置，甚至简配或者缺少某些保护项目。当新型透平机组调速控制系统功能故障时，停机制动中超速及断油烧瓦的风险陡然提升。

电气制动一般在水轮机组停机过程中使用。采用发电机定子绕组三相短路，并通过对励磁线圈通以适当的恒定励磁电流以产生制动力矩的方法来实现，其电气制动的接线如图1所示，用三相短路开关将发电机定子短路，在转子绕组中通以适当的励磁电流，使发电机定子短路电流为额定电流的0.8～1.2倍，用定子绕组中的短路损耗实现机组制动。该制动方法是基于同步电机的电枢反应原理。在机组与电网解列并将发电机转子灭磁后，合上三相开关短路开关JDK将发电机定子短路，励磁电流由厂用电系统经整流后的外部电源供给。这样在定子中就流过了短路电流，该电流在定子绕组中产生铜耗制动力矩，其方向与机组的惯性力矩方向相反，电制动力矩以及机组的其它阻力矩共同作用使机组快速停机，从而保证机组推力轴承的安全。

水电机组采用的电气制动方法，由同步电机理论可知，在定子三相短路电气制动过程中制动电流为不变的一个恒定值，电气制动力矩是随机组转速下降而增大的，因此在转速降低到0r/min时可能会发生反转。

带载停机功能的投入使得机组在正常停机、热工故障条件下停机、电气故障条件下停机的自动控制以及保护逻辑发生改变，需要考虑带载停机功能投入以后，一次系统的改变对于保护范围和作用的影响，从而对保护配合以及出口矩阵进行重新整定，以实现带载停机功能的安全投入，以及各种工况下保护能可靠动作。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统及保护配合方法，实现了正常停机或透平故障停机时利用电气制动快速停机，通过电气故障和非电气故障将保护范围及动作逻辑进行区分，保证了带载停机功能安全的实现，避免了透平超速及断油烧瓦的风险。同时在不同工况下，实现了保护的配合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统，包括备用励磁电源1、备用励磁电源开关2、负载开关3、纯阻负载箱4、DCS控制系统5和发电机保护装置6；

所述备用励磁电源1用于提供带载停机过程中励磁电流，负载开关3用于判断是否可以投入带载停机，所述纯阻负载箱4既作为正常运行时的负荷，又用于带载停机时提供制动电流，DCS控制系统5用于自动控制与保护逻辑判断和带载停机功能的投入，发电机保护装置6用于保护动作跳闸出口。

所述负载开关3判断过程为：

当机组发生热工保护动作或励磁系统故障时，且未发生电气保护动作时，负载开关3不跳开，此时投入带载停机；

当机组发生电气量保护动作(不含励磁系统故障)、负载箱故障保护动作时，负载开关3跳开，此时闭锁带载停机功能。

所述备用励磁电源1经备用励磁电源开关2作为灭磁开关QF分开以后的备用励磁输出，接入无刷励磁机转子，经无刷励磁机为发电机提供带载停机过程中励磁电流；发电机定子三相输出电缆经负载开关3与纯阻负载箱4连接，构成电气一次回路，所述备用励磁电源1引出接点“备用励磁电源故障”信号至DCS控制系统5，所述纯阻负载箱4引出接点“负载箱保护动作”信号至DCS控制系统5，负载开关3引出接点“开关在合位”、“开关在工作位置”信号至DCS控制系统5，所述DCS控制系统5取“热工保护动作”信号至带载停机逻辑，DCS控制系统5经过对以上接点进行逻辑判断，实现带载停机功能的投退及闭锁。

一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统的保护配合方法，包括以下步骤；

步骤1)当机组发生热工保护动作或励磁系统故障时，且未发生电气保护动作时，保护动作出口为：关主汽门，跳灭磁开关，不跳发电机负载开关，当发电机负载开关在合位时，投入带载停机功能；

步骤2)当机组发生电气量保护动作不含励磁系统故障、负载箱故障保护动作时保护出口为：关主汽门，跳灭磁开关，跳负载开关，在跳开发电机负载开关的同时闭锁带载停机功能；

步骤3)当机组投入带载停机功能后，机组转速下降至安全可控范围时，自动退出带载停机功能，或者由运行人员判定机组转速下降至安全要求范围，手动退出带载停机功能，并跳开发电机负载开关。

在汽轮发电机组停机过程，能够自动投入带载停机功能，同时能够满足机组的保护功能；

在汽轮发电机组发生电气故障时，能够闭锁带载停机功能，防止发电机电气故障扩大。

本发明的有益效果：

本发明通过对电气故障和非电气故障保护范围和动作出口进行区分，即发生非电气故障锅炉保护跳闸、透平保护跳闸和励磁系统故障时不跳开负载开关；发生电气故障时，出口全停保证了带载停机一次回路的完善，同时将励磁电源切换至备用励磁电源，启动了带载停机功能，实现机组快速停机。

进一步，本发明不需要增加额外的设备，可以通过修改电气保护装置的软件逻辑和出口跳闸矩阵实现，也可通过修改DCS的逻辑来实现，还可以通过电气非电量保护来实现，成本几乎可以忽略不计，简单易行。

进一步，本发明已在实际项目现场实施应用，根据项目发电厂停机过程中DCS记录的波形及数据可以表明，本发明所述自动控制及保护配合方法，成功实现带载停机功能的使用。

注：本发明中所提电气量保护不包含：频率保护，低电压保护以及功率保护。

附图说明

图1为现有技术中发电机电气制动一次主回路示意图。

图2为本发明中带负载的发电机电气制动系统图。

图3为本发明中“带载停机功能”的投入及保护配合逻辑示意图。

图4为本发明中“带载停机功能”的闭锁及保护配合逻辑示意图。

图5为本发明中“带载停机功能”的退出及保护配合逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照附图3，附图4，附图5。本发明所述的带负载的电气制动保护配合方法包括以下步骤：

步骤1)将“热工保护动作”和“励磁系统故障”接点引至DCS进行逻辑取或设置，备用励磁电源引出接点“备用励磁电源故障”至DCS取非，负载箱引出接点“负载箱故障”至DCS取非。同时引入发电机负载开关在合位，负载开关在工作位置。以上信号接点按照图3进行逻辑设置，满足条件后即投入带载停机功能长指令，由DCS出口至励磁调节器，从而实现了带载停机功能的自动投入。

同时将“热工保护动作”与“励磁系统故障”接入发电机非电量保护开入，这两个保护的动作出口矩阵均设置为“跳灭磁开关”和“关主汽门”。

当发生“热工保护动作”与“励磁系统故障”时，满足步骤1)逻辑条件时，DCS自动投入“带载停机”功能。发电机保护发关主汽门，跳灭磁开关，保证系统快速带载停机。

若在“带载停机”过程中发生严重电气故障，负载箱保护动作及紧急停机时，按照步骤2)跳开相应开关，并按照需要投入机械刹车功能。

由此可知，步骤1)实现了“带载停机”功能的投入与保护的配合。

步骤2)将负载箱保护动作，所有的电量保护动作引出一个电气保护动作总信号，电气保护动作总信号和紧急停机动作保护出口设置为全停(对于本系统即关主汽门，跳灭磁开关，跳负载开关)。当负载箱故障时，负载箱会自动进行减载保护，此时系统表现为甩负荷，因此当设置负载箱动作时即跳负载开关，则汽机侧判定甩负荷，如果未设置负载箱动作跳负载开关，汽机侧则不能判定甩负荷，高压透平便有超速的风险。

所有电量保护动作和紧急停机动作与常规保护配置并无差别，即(全停对于本系统即关主汽门，跳灭磁开关，跳负载开关)。因为当发生电气保护动作时，表明此时电气系统发生故障，不能对其继续进行励磁操作，因此需要立即跳灭磁开关。同时跳开负载开关，闭锁了带载停机功能(即备用励磁电源的投入)。

当发生负载箱保护动作时，表明此时带载停机功能已经失效，此时跳开负载开关，结合步骤1)，负载开关在分位同样闭锁了带载停机功能。

备用励磁电源故障时，结合步骤1)，闭锁带载停机功能。

由此可知，步骤2)实现了“带载停机”功能的闭锁与保护的配合。

步骤3)当机组投入“带载停机”功能后，机组转速下降至安全可控范围时，自动退出带载停机功能，或者由运行人员判定机组转速下降至安全要求范围，手动退出带载停机功能，并跳开发电机负载开关。

如图2所示，包括备用励磁电源1、备用励磁电源开关2、负载开关3、纯阻负载箱4、DCS控制系统5和发电机保护装置6；

所述备用励磁电源1用于提供带载停机过程中励磁电流，负载开关3用于判断是否可以投入带载停机，所述纯阻负载箱4既作为正常运行时的负荷，又用于带载停机时提供制动电流，DCS控制系统5用于自动控制与保护逻辑判断和带载停机功能的投入，发电机保护装置6用于保护动作跳闸出口。

所述备用励磁电源1经备用励磁电源的开关2作为灭磁开关QF分开以后的备用励磁输出，接入无刷励磁机转子，经无刷励磁机为发电机提供带载停机过程中励磁电流；发电机定子三相输出电缆经负载开关3与纯阻负载箱4连接，构成电气一次回路，所述备用励磁电源1引出接点“备用励磁电源故障”信号至DCS控制系统5，所述纯阻负载箱4引出接点“负载箱保护动作”信号至DCS控制系统5，负载开关3引出接点“开关在合位”、“开关在工作位置”信号至DCS控制系统5，所述DCS控制系统5取“热工保护动作”信号至带载停机逻辑，DCS控制系统5经过对以上接点进行逻辑判断，实现带载停机功能的投退及闭锁。

在不发生电气故障的情况下，保持负载开关CB3不跳开，保证电气回路无故障。在只发生热工保护动作或励磁系统故障时，发电机保护出口：关主汽门，跳开灭磁开关QF，同时DCS控制系统5发出合备用励磁开关QF1指令，投入“带载停机”功能。此时由备用励磁电源1提供恒定的励磁电流，利用负载电流所产生的制动力矩与机组的惯性力矩方向相反，实现了电气制动。同时可以通过调节负载箱加载的负载大小，调节制动过程中的定子电流大小，进而调节电磁转矩大小，控制发电机转子的降速率。

针对本发明提出的带负载的发电机电气制动方法，增加了“带载停机”功能。对于这种“带载停机”功能的投入、闭锁、退出与保护之间的逻辑配合，本发明提出了一种安全可靠的保护配合方法加以实现。

本实施例中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统，其特征在于，包括备用励磁电源(1)、备用励磁电源开关(2)、负载开关(3)、纯阻负载箱(4)、DCS控制系统(5)和发电机保护装置(6)；

所述备用励磁电源(1)用于提供带载停机过程中励磁电流，负载开关(3)用于判断是否可以投入带载停机，所述纯阻负载箱(4)既作为正常运行时的负荷，又用于带载停机时提供制动电流，DCS控制系统(5)用于自动控制与保护逻辑判断和带载停机功能的投入，发电机保护装置(6)用于保护动作跳闸出口。

2.根据权利要求1所述的一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统，其特征在于，所述负载开关(3)判断过程为：

当机组发生热工保护动作或励磁系统故障时，且未发生电气保护动作时，负载开关(3)不跳开，此时投入带载停机；

当机组发生电气量保护动作、负载箱故障保护动作时，负载开关(3)跳开，此时闭锁带载停机功能。

3.根据权利要求1所述的一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统，其特征在于，所述备用励磁电源(1)经备用励磁电源的开关(2)作为灭磁开关QF分开以后的备用励磁输出，接入无刷励磁机转子，经无刷励磁机为发电机提供带载停机过程中励磁电流；发电机定子三相输出电缆经负载开关(3)与纯阻负载箱(4)连接，构成电气一次回路，备用励磁电源(1)引出接点“备用励磁电源故障”信号至DCS控制系统(5)，所述纯阻负载箱(4)引出接点“负载箱保护动作”信号至DCS控制系统(5)，负载开关(3)引出接点“开关在合位”、“开关在工作位置”信号至DCS控制系统(5)，所述DCS控制系统(5)取“热工保护动作”信号至带载停机逻辑，DCS控制系统(5)经过对以上接点进行逻辑判断，实现带载停机功能的投退及闭锁。

4.基于权利要求1所述的一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统的保护配合方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1)当机组发生热工保护动作或励磁系统故障时，且未发生电气保护动作时，保护动作出口为：关主汽门，跳灭磁开关，不跳发电机负载开关，当发电机负载开关在合位时，投入带载停机功能；

步骤2)当机组发生电气量保护动作不含励磁系统故障、负载箱故障保护动作时保护出口为：关主汽门，跳灭磁开关，跳负载开关，在跳开发电机负载开关的同时闭锁带载停机功能；

步骤3)当机组投入带载停机功能后，机组转速下降至安全可控范围时，自动退出带载停机功能，或者由运行人员判定机组转速下降至安全要求范围，手动退出带载停机功能，并跳开发电机负载开关。

5.根据权利要求4所述的一种新型透平发电机组带纯阻负载的电气制动系统的保护配合方法，其特征在于，在汽轮发电机组停机过程，能够自动投入带载停机功能，同时能够满足机组的保护功能；

在汽轮发电机组发生电气故障时，能够闭锁带载停机功能，防止发电机电气故障扩大。

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