淺談膨脹機異步發電機的逆功率保護

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學校，江蘇宜興214206）

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淺談膨脹機異步發電機的逆功率保護

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學校，江蘇宜興214206）

摘要：介紹了異步發電機的結構和工作原理，重點分析了異步發電機的逆功率保護方式。給出了逆功率保護繼電器和功率變送器在逆功率保護上的應用以及逆功率保護在異步發電機上的實現。

關鍵詞：空分設備；異步發電機組；逆功率保護

1　膨脹機異步發電機工作原理

從結構上來說，三相鼠籠式異步發電機的結構與三相鼠籠式異步電動機基本相同，區別是能量轉換方式不同，前者把機械能轉換為電能，后者把電能轉換為機械能。膨脹機拖動發電機的轉子轉動，讓轉子轉速大于磁場的轉速，就會在定子繞組上感應出所需的電動勢，異步發電機就向外輸出電能，這就是異步發電機的工作原理。

在空分裝置中，膨脹機制動發電機屬于電網激勵發電方式，需要很大的勵磁電流，勵磁電流為感性無功電流，約為發電機額定電流的20%，把異步發電機定子的三相繞組接在電網上，當異步發電機的三相定子繞組中有電流流過，就會產生旋轉的磁動勢，其作用是產生一種以同步轉速n0轉動的旋轉磁場，其同步轉速n0＝60·f／p，因此同步轉速n0與電網頻率f和發電機磁極對數p有關。對于成品發電機來說，磁極對數p已經確定，所以轉速只與頻率f有關。

膨脹機異步發電機的轉子被膨脹機拖動到接近同步轉速時接入電網，在發電機并網前必須確認發電機的旋轉方向，使其與電動機運行時的旋轉方向一致，這樣發電機產生的相序就與電網一致。相對膨脹機異步發電機的容量，電網容量可認為無窮大，因此定子繞組的電勢和頻率就自動跟隨電網，異步發電機定子繞組的電勢和頻率就取決于電網的電壓和頻率。異步發電機從電網吸收無功功率（即吸收激磁電流），由于電網頻率十分穩定，因此異步發電機所發的電也具有穩定的頻率，并且與電網頻率一致。

2　膨脹機異步發電機逆功率保護

膨脹機因某種原因導致膨脹量過小，致使膨脹機轉速降到同步轉速以下，使異步發電機作為電動機運行，而此時電機并未能從電網系統解列，因此電機從電網吸收有功功率，而不是向電網發出有功功率。這樣的工作工況對異步電動機并無危害，但由于異步發電機驅動膨脹機，可能會對膨脹機造成不可修復的機械損壞，所以膨脹機異步發電機組不允許在此種工況下長期運行，因此必須對發電機進行逆功率保護。

2．1逆功率繼電器保護

圖1　氣體膨脹機異步發電機逆功率保護原理圖

在10kV異步發電機的逆功率保護設計中，采用XP2-R型逆功率保護繼電器進行逆功率保護。電壓信號取自10kV母線側的電壓互感器TV，電流信號取自發電機出線側電流互感器TA，異步發電機逆功率保護原理如圖1所示。

XP2-R型逆功率保護繼電器根據設定的逆功率動作值對發電機進行逆功率保護，逆功率保護的動作功率一般設定為發電機額定功率的5%，具體如下：

式中：PR＞為逆功率保護繼電器的整定值，%；

SG為異步發電機的視在功率，kVA；

cos（φ）為異步發電機的額定功率因數，96．4%；

In為逆功率保護繼電器的額定輸入電流，1A；

Un為逆功率保護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，%；

當負向功率值達到逆功率保護繼電器的整定值PR＞時，按照預定時間發信號給綜合保護繼電器，綜合保護繼電器給斷路器發出分閘信號，斷路器就斷開，然后DCS控制系統收到發電機的分閘信號，DCS控制系統就自動關閉膨脹機緊急切斷閥，逆功率保護邏輯如圖2所示。

圖2　氣體膨脹機異步發電機逆功率保護邏輯圖

發電機并網的最理想狀態是發電機在3000r／min的同步轉速下接入電網，由于存在轉速信號的滯后和電網頻率的波動，一般會在接近同步轉速時把發電機并入電網，在這種情況下發電機可能工作在電動機狀態，也就是說此時發電機處于逆功率狀態，則要求逆功率保護應躲過發電機并網時刻，因此逆功率保護應在發電機并網后延時約5s后再起作用，保證膨脹機異步發電機順利并網；同時逆功率保護繼電器以tPR延時0．5s動作于信號來躲過系統振蕩，保證發電機穩定可靠地長期運行。

現以2200kW的發電機為例，計算逆功率保護整定值PR＞。在10kV供配電系統中配置了一臺額定功率為2200kW的氣體膨脹機制動發電機組，2極電機，同步轉速為3000r／min，額定轉速為3020r／min，效率為96．4%，電壓為10kV、3AC、50Hz，額定電流為134．9A，采用XP2-R型逆功率保護繼電器來對10kV氣體膨脹機異步發電機進行逆功率保護。

根據上述計算結果，只需在XP2-R型逆功率保護器的面板上把PR＞旋鈕設定在3．3%，然后在逆功率保護器的面板上把tPR旋鈕設定在0．5s，也就是說當發電機發生逆功率后延時0．5s斷開斷路器。

2．2功率變送器逆功率保護

在0．4kV異步發電機的逆功率保護設計中，采用SM-P530型保護功率變送器進行逆功率保護。電壓信號取自0．4kV母線，電流信號取自發電機出線側電流互感器TA，異步發電機逆功率保護原理如圖3所示。

當負向功率值達到功率變送器的設定值時，DCS控制系統延時0．5s后就給接觸器發出分閘信號，接觸器斷開，然后DCS控制系統收到發電機的分閘信號，DCS控制系統就自動關閉膨脹機緊急切斷閥，液體膨脹機異步發電機的逆功率保護邏輯如圖4所示。

現以180kW的發電機為例，2極電機，同步轉速為3000r／min，額定轉速為3018r／min，電壓為0．4kV、3AC、50Hz，額定電流為317A，采用SM-P530型保護功率變送器來對0．4kV氣體膨脹機異步發電機進行逆功率保護。SM-P530型有功功率變送器內部設置-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，當發電機功率為+180kW時，那么有功功率變送器的輸出為20mA；當發電機功率為0kW時，那么有功功率變送器的輸出為12mA；當發電機功率為-180kW時，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設定的逆功率動作值對發電機進行逆功率保護，逆功率保護的動作功率一般設定為發電機額定功率的5%，現以180kW的發電機為例，那么當發電機功率超過+9kW時，此時發電機就處于逆功率狀態，DCS控制系統就必須發出停車命令。

圖3　液體膨脹機異步發電機逆功率保護原理圖

圖4　液體膨脹機異步發電機逆功率保護邏輯圖

3　結論

在氧產量為55000的空分裝置中，根據工藝要求，配置一臺10kV的氣體膨脹機異步發電機組和一臺0．4kV的液體膨脹機異步發電機組。氣體膨脹機在膨脹高壓空氣時發出動力做功，驅動異步發電機發電回收能量，發電機起到制動作用，防止氣體膨脹機發生“飛車”事故；液體膨脹機在膨脹高壓液體時發出動力做功，驅動異步發電機發電回收能量，發電機起到制動作用，防止液體膨脹機發生“飛車”事故。氣體膨脹機和液體膨脹機發電機都采用鼠籠式三相異步發電機。

到目前為止，氣體膨脹機異步發電機和液體膨脹機異步發電機都已調試成功，發電機成功并網，發電機的逆功率保護都已試驗完畢，達到設計要求。因此類似XP2-R型逆功率保護繼電器和類似SM-P530型功率變送器都可用作發電機的逆功率保護，充分滿足發電機逆功率保護要求，達到保護設備的要求。

參考文獻：

［1］李潤生，潘根．異步發電發電［M］．水利電力出版社，1982．

［2］劉景峰．電機與拖動基礎［M］．中國電力出版社，2006．

［3］宋志明．繼電保護原理與應用［M］．中國電力出版社，2007．

［4］周希章，周全．電動機的起動、制動和調速［M］．機械工業出版社，2001．

楊益平（1979-），男，電氣工程師，碩士，2005年畢業于浙江大學電氣學院，現從事電氣設計工作。

圖1：Radius Systems為Polyplastic集團旗下公司，從事電力、電信和建筑行業用塑料管材系統設計、研發和生產業務。

圖2：在Radius Systems，為擠出生產線提供動力的傳統直流電機正逐漸被交流電機代替，這旨在提高能效，降低維護成本和噪聲。

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

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

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

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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

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0058—03

作者簡介；

收稿日期：2016-03-24