楊益平，錢　敏

（1．林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州310012；2．江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇宜興214206）

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淺談膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)

楊益平1，錢敏2

（1．林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州310012；2．江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇宜興214206）

摘要：介紹了異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，重點(diǎn)分析了異步發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)方式。給出了逆功率保護(hù)繼電器和功率變送器在逆功率保護(hù)上的應(yīng)用以及逆功率保護(hù)在異步發(fā)電機(jī)上的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：空分設(shè)備；異步發(fā)電機(jī)組；逆功率保護(hù)

1　膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)工作原理

從結(jié)構(gòu)上來說，三相鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與三相鼠籠式異步電動機(jī)基本相同，區(qū)別是能量轉(zhuǎn)換方式不同，前者把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，后者把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。膨脹機(jī)拖動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于磁場的轉(zhuǎn)速，就會在定子繞組上感應(yīng)出所需的電動勢，異步發(fā)電機(jī)就向外輸出電能，這就是異步發(fā)電機(jī)的工作原理。

在空分裝置中，膨脹機(jī)制動發(fā)電機(jī)屬于電網(wǎng)激勵(lì)發(fā)電方式，需要很大的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流為感性無功電流，約為發(fā)電機(jī)額定電流的20%，把異步發(fā)電機(jī)定子的三相繞組接在電網(wǎng)上，當(dāng)異步發(fā)電機(jī)的三相定子繞組中有電流流過，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動勢，其作用是產(chǎn)生一種以同步轉(zhuǎn)速n0轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場，其同步轉(zhuǎn)速n0＝60·f／p，因此同步轉(zhuǎn)速n0與電網(wǎng)頻率f和發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)p有關(guān)。對于成品發(fā)電機(jī)來說，磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，所以轉(zhuǎn)速只與頻率f有關(guān)。

膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子被膨脹機(jī)拖動到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)接入電網(wǎng)，在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前必須確認(rèn)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，使其與電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向一致，這樣發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的相序就與電網(wǎng)一致。相對膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)的容量，電網(wǎng)容量可認(rèn)為無窮大，因此定子繞組的電勢和頻率就自動跟隨電網(wǎng)，異步發(fā)電機(jī)定子繞組的電勢和頻率就取決于電網(wǎng)的電壓和頻率。異步發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收無功功率（即吸收激磁電流），由于電網(wǎng)頻率十分穩(wěn)定，因此異步發(fā)電機(jī)所發(fā)的電也具有穩(wěn)定的頻率，并且與電網(wǎng)頻率一致。

2　膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)

膨脹機(jī)因某種原因?qū)е屡蛎浟窟^小，致使膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速降到同步轉(zhuǎn)速以下，使異步發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行，而此時(shí)電機(jī)并未能從電網(wǎng)系統(tǒng)解列，因此電機(jī)從電網(wǎng)吸收有功功率，而不是向電網(wǎng)發(fā)出有功功率。這樣的工作工況對異步電動機(jī)并無危害，但由于異步發(fā)電機(jī)驅(qū)動膨脹機(jī)，可能會對膨脹機(jī)造成不可修復(fù)的機(jī)械損壞，所以膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)組不允許在此種工況下長期運(yùn)行，因此必須對發(fā)電機(jī)進(jìn)行逆功率保護(hù)。

2．1逆功率繼電器保護(hù)

圖1　氣體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)原理圖

在10kV異步發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)設(shè)計(jì)中，采用XP2-R型逆功率保護(hù)繼電器進(jìn)行逆功率保護(hù)。電壓信號取自10kV母線側(cè)的電壓互感器TV，電流信號取自發(fā)電機(jī)出線側(cè)電流互感器TA，異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)原理如圖1所示。

XP2-R型逆功率保護(hù)繼電器根據(jù)設(shè)定的逆功率動作值對發(fā)電機(jī)進(jìn)行逆功率保護(hù)，逆功率保護(hù)的動作功率一般設(shè)定為發(fā)電機(jī)額定功率的5%，具體如下：

式中：PR＞為逆功率保護(hù)繼電器的整定值，%；

SG為異步發(fā)電機(jī)的視在功率，kVA；

cos（φ）為異步發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)，96．4%；

In為逆功率保護(hù)繼電器的額定輸入電流，1A；

Un為逆功率保護(hù)繼電器的額定輸入電壓，100V；

nI為電流互感器TA變比，200／1＝200；

nU為電壓互感器TV變比，10000／100＝100；

PRG為逆功率的動作系數(shù)，%；

當(dāng)負(fù)向功率值達(dá)到逆功率保護(hù)繼電器的整定值PR＞時(shí)，按照預(yù)定時(shí)間發(fā)信號給綜合保護(hù)繼電器，綜合保護(hù)繼電器給斷路器發(fā)出分閘信號，斷路器就斷開，然后DCS控制系統(tǒng)收到發(fā)電機(jī)的分閘信號，DCS控制系統(tǒng)就自動關(guān)閉膨脹機(jī)緊急切斷閥，逆功率保護(hù)邏輯如圖2所示。

圖2　氣體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)邏輯圖

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的最理想狀態(tài)是發(fā)電機(jī)在3000r／min的同步轉(zhuǎn)速下接入電網(wǎng)，由于存在轉(zhuǎn)速信號的滯后和電網(wǎng)頻率的波動，一般會在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)把發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，在這種情況下發(fā)電機(jī)可能工作在電動機(jī)狀態(tài)，也就是說此時(shí)發(fā)電機(jī)處于逆功率狀態(tài)，則要求逆功率保護(hù)應(yīng)躲過發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)刻，因此逆功率保護(hù)應(yīng)在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后延時(shí)約5s后再起作用，保證膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)順利并網(wǎng)；同時(shí)逆功率保護(hù)繼電器以tPR延時(shí)0．5s動作于信號來躲過系統(tǒng)振蕩，保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定可靠地長期運(yùn)行。

現(xiàn)以2200kW的發(fā)電機(jī)為例，計(jì)算逆功率保護(hù)整定值PR＞。在10kV供配電系統(tǒng)中配置了一臺額定功率為2200kW的氣體膨脹機(jī)制動發(fā)電機(jī)組，2極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為3000r／min，額定轉(zhuǎn)速為3020r／min，效率為96．4%，電壓為10kV、3AC、50Hz，額定電流為134．9A，采用XP2-R型逆功率保護(hù)繼電器來對10kV氣體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行逆功率保護(hù)。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，只需在XP2-R型逆功率保護(hù)器的面板上把PR＞旋鈕設(shè)定在3．3%，然后在逆功率保護(hù)器的面板上把tPR旋鈕設(shè)定在0．5s，也就是說當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生逆功率后延時(shí)0．5s斷開斷路器。

2．2功率變送器逆功率保護(hù)

在0．4kV異步發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)設(shè)計(jì)中，采用SM-P530型保護(hù)功率變送器進(jìn)行逆功率保護(hù)。電壓信號取自0．4kV母線，電流信號取自發(fā)電機(jī)出線側(cè)電流互感器TA，異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)原理如圖3所示。

當(dāng)負(fù)向功率值達(dá)到功率變送器的設(shè)定值時(shí)，DCS控制系統(tǒng)延時(shí)0．5s后就給接觸器發(fā)出分閘信號，接觸器斷開，然后DCS控制系統(tǒng)收到發(fā)電機(jī)的分閘信號，DCS控制系統(tǒng)就自動關(guān)閉膨脹機(jī)緊急切斷閥，液體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)邏輯如圖4所示。

現(xiàn)以180kW的發(fā)電機(jī)為例，2極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為3000r／min，額定轉(zhuǎn)速為3018r／min，電壓為0．4kV、3AC、50Hz，額定電流為317A，采用SM-P530型保護(hù)功率變送器來對0．4kV氣體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行逆功率保護(hù)。SM-P530型有功功率變送器內(nèi)部設(shè)置-180kW為-Pmax，0kW為0，+180kW 為+Pmax，有功功率變送器的輸出范圍為4mA-20mA，那么對于有功功率變送器來說，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率為+180kW時(shí)，那么有功功率變送器的輸出為20mA；當(dāng)發(fā)電機(jī)功率為0kW時(shí)，那么有功功率變送器的輸出為12mA；當(dāng)發(fā)電機(jī)功率為-180kW時(shí)，那么有功功率變送器的輸出為4mA。

SM-P530型有功功率變送器根據(jù)設(shè)定的逆功率動作值對發(fā)電機(jī)進(jìn)行逆功率保護(hù)，逆功率保護(hù)的動作功率一般設(shè)定為發(fā)電機(jī)額定功率的5%，現(xiàn)以180kW的發(fā)電機(jī)為例，那么當(dāng)發(fā)電機(jī)功率超過+9kW時(shí)，此時(shí)發(fā)電機(jī)就處于逆功率狀態(tài)，DCS控制系統(tǒng)就必須發(fā)出停車命令。

圖3　液體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)原理圖

圖4　液體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)邏輯圖

3　結(jié)論

在氧產(chǎn)量為55000的空分裝置中，根據(jù)工藝要求，配置一臺10kV的氣體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)組和一臺0．4kV的液體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)組。氣體膨脹機(jī)在膨脹高壓空氣時(shí)發(fā)出動力做功，驅(qū)動異步發(fā)電機(jī)發(fā)電回收能量，發(fā)電機(jī)起到制動作用，防止氣體膨脹機(jī)發(fā)生“飛車”事故；液體膨脹機(jī)在膨脹高壓液體時(shí)發(fā)出動力做功，驅(qū)動異步發(fā)電機(jī)發(fā)電回收能量，發(fā)電機(jī)起到制動作用，防止液體膨脹機(jī)發(fā)生“飛車”事故。氣體膨脹機(jī)和液體膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)都采用鼠籠式三相異步發(fā)電機(jī)。

到目前為止，氣體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)和液體膨脹機(jī)異步發(fā)電機(jī)都已調(diào)試成功，發(fā)電機(jī)成功并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)都已試驗(yàn)完畢，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此類似XP2-R型逆功率保護(hù)繼電器和類似SM-P530型功率變送器都可用作發(fā)電機(jī)的逆功率保護(hù)，充分滿足發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)要求，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］李潤生，潘根．異步發(fā)電發(fā)電［M］．水利電力出版社，1982．

［2］劉景峰．電機(jī)與拖動基礎(chǔ)［M］．中國電力出版社，2006．

［3］宋志明．繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］．中國電力出版社，2007．

［4］周希章，周全．電動機(jī)的起動、制動和調(diào)速［M］．機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

楊益平（1979-），男，電氣工程師，碩士，2005年畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣學(xué)院，現(xiàn)從事電氣設(shè)計(jì)工作。

圖1：Radius Systems為Polyplastic集團(tuán)旗下公司，從事電力、電信和建筑行業(yè)用塑料管材系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)。

圖2：在Radius Systems，為擠出生產(chǎn)線提供動力的傳統(tǒng)直流電機(jī)正逐漸被交流電機(jī)代替，這旨在提高能效，降低維護(hù)成本和噪聲。

圖3：Radius Systems成立于1969年，是唯一一家提供覆蓋整個(gè)管材生命周期解決方案的供應(yīng)商。

圖4：Radius生產(chǎn)直徑16mm到1200mm的聚乙烯管材，以及用于天然氣和給排水公用事業(yè)公司的相關(guān)配件。

圖5和圖6：Radius的產(chǎn)品重量輕、易安裝，且針對新更換的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了優(yōu)化。Radius產(chǎn)品優(yōu)化利用原料，具有諸多特色，包括出色的阻隔性能、應(yīng)用專用涂層和簡化焊接工作。

圖7：200 kW IE4 SynRM電機(jī)整齊地安裝到擠出機(jī)用直流電機(jī)騰出的空間。

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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．

中圖分類號：TM343

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0058—03

作者簡介；

收稿日期：2016-03-24