引言

上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司位于上海天然氣管網(wǎng)公司首站附近,天然氣管道接入電廠進(jìn)行發(fā)電生產(chǎn)后,母管壓力依舊很高,可利用膨脹機(jī)進(jìn)行差壓余能膨脹做功發(fā)電。異步發(fā)電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價格便宜,可作為發(fā)電機(jī)應(yīng)用接入廠用電系統(tǒng),以此降低廠用電率。異步發(fā)電機(jī)的啟動和運(yùn)行過程與電動機(jī)不同,在保護(hù)整定時應(yīng)注意一些實際問題。

1異步發(fā)電機(jī)原理及等效電路

1.1異步發(fā)電機(jī)原理

從原理上分析,異步發(fā)電機(jī)屬于異步電機(jī)的一種運(yùn)行狀態(tài)。

異步電機(jī)定子與交流電源接通時,定子回路會產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場,其轉(zhuǎn)速n1為

式中,/1為基波頻率,我國為50Hz:p為電機(jī)極對數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝有多個閉合繞組,受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用,閉合繞組導(dǎo)體上感應(yīng)出電動勢e2和電流i2,同時還會受到電磁力/的作用,各個導(dǎo)體的電磁力合成驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的電磁轉(zhuǎn)矩M,其轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同。

設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n,則異步電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間存在一個相對速度△n=n1-n（n×n1）。為表征這個相對速度的大小,定義轉(zhuǎn)差率s為

s又稱滑差,通常電機(jī)空載時s0≠0.5%,額定負(fù)載時sN≠5%,所以異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是接近旋轉(zhuǎn)磁場n1。

當(dāng)0<n<n1或0<s<1時,n1在轉(zhuǎn)速n同方向上以n1/n的相對速度切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,△n>0,相應(yīng)地轉(zhuǎn)子電動勢e2和電流i2均為正值,電磁轉(zhuǎn)矩M亦為正值（驅(qū)動轉(zhuǎn)子）,電機(jī)將電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出,此時異步電機(jī)運(yùn)行在電動機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)n>n1或s<0時,說明有外力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速,此時△n=n1/n<0,與電動機(jī)狀態(tài)相比,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向相反,因此感應(yīng)電動勢e2及電流i2反向,相應(yīng)地電磁轉(zhuǎn)矩M反向,轉(zhuǎn)差率和輸出電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖1所示。若外力克服此電磁制動轉(zhuǎn)矩維持轉(zhuǎn)子恒速轉(zhuǎn)動,表示外力輸入了機(jī)械功率,而電機(jī)會將此機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率倒送到電網(wǎng),此時異步電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

1.2異步發(fā)電機(jī)的等效電路

通過繞組折算及頻率折算,可用一個靜止的轉(zhuǎn)子來代替旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,從而得到異步電機(jī)的等效電路。折算前后轉(zhuǎn)子各種功率不變,主磁通不變,定子各有關(guān)物理量不變,對電網(wǎng)等效,如圖2所示。

折算后的基本數(shù)學(xué)關(guān)系為:

式中,U1為電動機(jī)定子電壓:E1為定子繞組中的感應(yīng)電動勢:I1為電動機(jī)定子電流:R1和X1a為定子繞組電阻和電抗:E2'為折算后轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢:I為電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流折算值:R2'和E2'a為折算后轉(zhuǎn)子繞組電阻和電抗:s為轉(zhuǎn)差率:Im為勵磁電流:Rm和Xm為勵磁電阻和電抗。

異步發(fā)電機(jī)同樣適用以上等效電路。

2異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

2.1發(fā)電機(jī)組主要電氣配置介紹

2.1.1異步發(fā)電機(jī)一次參數(shù)及保護(hù)配置

差壓余能項目的異步發(fā)電機(jī)額定功率為5700kw,額定電壓為6000V,額定電流為602.7A,額定轉(zhuǎn)速為3014r4min,冷卻方式為空冷,采用防爆接線盒接入電機(jī)電纜。異步發(fā)電機(jī)啟動時通過電動輔助油泵將潤滑油注入兩端軸瓦內(nèi),待發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后停止電動輔助油泵,由機(jī)械軸頭泵供潤滑油系統(tǒng)工作。異步發(fā)電機(jī)配有能反映發(fā)電機(jī)內(nèi)部及連接發(fā)電機(jī)至出口開關(guān)高壓電纜相間故障的差動保護(hù),配有反映單相接地故障的零序保護(hù),配有反映電機(jī)不對稱運(yùn)行的負(fù)序電流保護(hù)及后備保護(hù)的過流保護(hù),還配有保護(hù)膨脹機(jī)本體的低功率報警和逆功率跳閘保護(hù)。

2.1.2異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接線及保護(hù)配置

差壓發(fā)電6kV系統(tǒng)由VD4真空斷路器手車式開關(guān)柜組成,額定電流1250A。異步發(fā)電機(jī)接線如圖3所示,第1倉為壓變柜,第2倉和第3倉為至2號機(jī)、4號機(jī)6kV段的聯(lián)絡(luò)開關(guān)倉,第4倉為差壓發(fā)電機(jī)出口開關(guān)倉,將差壓發(fā)電有功電能輸送至2號機(jī)或4號機(jī)6kV廠用電系統(tǒng)。因此發(fā)電機(jī)不配啟動電容,靠吸收電網(wǎng)上的無功建立勵磁磁場。異步發(fā)電機(jī)向2號機(jī)送電還是向4號機(jī)送電,通過廠用電快切裝置來控制開關(guān)切換,實現(xiàn)靈活供電。

異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時,2號機(jī)或4號機(jī)6kV聯(lián)絡(luò)線保護(hù)配有能反映線路相間故障的差動保護(hù),以及能反映接地故障的零序保護(hù)及后備保護(hù)的過流保護(hù)。

2.1.3低壓配電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)和UPs系統(tǒng)

差壓發(fā)電400V配電系統(tǒng)采用抽屜組合式配電柜形式,設(shè)一面進(jìn)線柜、四面饋線柜,柜間一次系統(tǒng)由銅母排連接,額定電流630A。電源形式為三相四線制直接接地,進(jìn)線形式采用兩路雙電源自動切換。差壓發(fā)電400V配電柜主要為配套低壓輔機(jī)和區(qū)域照明供電。

差壓發(fā)電110V直流系統(tǒng)采用高頻開關(guān)電源充電裝置組屏形式,設(shè)一面直流屏和一面蓄電池屏。直流屏內(nèi)含2組20A高頻開關(guān)電源、1套微機(jī)監(jiān)控單元、1套直流絕緣監(jiān)測單元、1套交流進(jìn)線配電自切單元、1套16回16A饋線斷路器及成套CT和電壓、電流變送器等。蓄電池屏內(nèi)含9只12V、50Ah閥控式密閉鉛酸蓄電池和1套蓄電池巡檢裝置。差壓發(fā)電110V直流系統(tǒng)主要為差壓發(fā)電6kV開關(guān)柜控制及信號提供電源。

差壓發(fā)電220V交流不停電UPs系統(tǒng)設(shè)2套獨(dú)立的11kVAUPs電源,每套UPs設(shè)一面UPs主機(jī)屏和兩面蓄電池屏。主機(jī)屏內(nèi)含1臺11kVA電源主機(jī)、10回10A饋線支路和10回16A饋線支路等。兩面蓄電池屏共含20只12V、100Ah閥控式密閉鉛酸蓄電池。差壓發(fā)電UPs電源1和UPs電源2主要給差壓發(fā)電PLC系統(tǒng)、差壓發(fā)電DCs系統(tǒng)和差壓發(fā)電快切裝置提供電源。

2.2異步發(fā)電機(jī)的啟動

異步發(fā)電機(jī)啟動過程由PLC控制系統(tǒng)走程控執(zhí)行,實現(xiàn)一鍵啟停。當(dāng)PLC接收到啟動信號后將依次打開進(jìn)口隔絕閥、IGV閥(開度為5%）和EsV閥。EsV閥打開后,IGV閥以0.2%/s的速率逐漸打開,膨脹機(jī)將帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到2970r/min時,發(fā)電機(jī)出口開關(guān)收到PLC指令合閘。發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘瞬間,定子旋轉(zhuǎn)磁場n1=60/1/p=60×50/1=3000r/min,轉(zhuǎn)差率s=(3000-2970）/3000=1%。根據(jù)異步電機(jī)原理,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0<n<n1,0<s<1,此時發(fā)電機(jī)處于電動狀態(tài),將和膨脹機(jī)一起帶動轉(zhuǎn)子提升轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機(jī)合閘后,IGV閥以1%/s的速率繼續(xù)打開,膨脹機(jī)繼續(xù)拖動轉(zhuǎn)子提升轉(zhuǎn)速,直到膨脹機(jī)帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在3005r/min。此過程轉(zhuǎn)差率從正值逐步向零逼近,然后變成負(fù)值,相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也從坐標(biāo)軸的正值過渡到坐標(biāo)軸的負(fù)值,如圖1所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在3005r/min時,轉(zhuǎn)差率s=(3000-3005）/3000為負(fù)值,說明發(fā)電機(jī)從電動狀態(tài)變成發(fā)電狀態(tài)。

發(fā)電機(jī)輸出功率高于570kw后,IGV閥切換到自動控制模式,發(fā)電機(jī)啟動程序結(jié)束。

3異步發(fā)電機(jī)保護(hù)需注意的問題

3.1速斷保護(hù)按躲過并網(wǎng)沖擊電流進(jìn)行整定

異步發(fā)電機(jī)從靜止到轉(zhuǎn)動是靠膨脹機(jī)拖動,并不依靠電網(wǎng)電源,因此速斷保護(hù)需按躲過發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時的沖擊電流進(jìn)行整定。當(dāng)異步發(fā)電機(jī)接近同步轉(zhuǎn)速附近并網(wǎng)時,并網(wǎng)時間很短,過程瞬間結(jié)束,與發(fā)電機(jī)機(jī)端短路的暫態(tài)過程時間相近,遠(yuǎn)小于其作為電動機(jī)狀態(tài)的起動過程:并網(wǎng)沖擊電流倍數(shù)要小于突然發(fā)生機(jī)端三相短路時的沖擊電流倍數(shù),它們都與電機(jī)的暫態(tài)電抗x′有關(guān)。

王志偉利用異步電機(jī)發(fā)生突然短路前后定轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈不能發(fā)生突變的原理,推導(dǎo)出異步發(fā)電機(jī)最大三相短路電流出現(xiàn)在并網(wǎng)空載運(yùn)行時,其短路周期分量為

式中,U1m為機(jī)端三相短路時的機(jī)端電壓:x′為異步發(fā)電機(jī)定子的暫態(tài)電抗:o=2m/。

非周期分量短路電流最大值為

式中,U1為發(fā)電機(jī)機(jī)端短路非周期分量電壓:x′為異步發(fā)電機(jī)等效電抗。

取標(biāo)幺值后,可得短路電流倍數(shù)為

式中,x′為異步發(fā)電機(jī)定子的暫態(tài)電抗。

并網(wǎng)后沖擊電流為

式中,U1為并網(wǎng)后外加電壓:E1r為定子繞組中剩磁產(chǎn)生的感應(yīng)電勢:R1為定子電阻:x′為異步發(fā)電機(jī)等效電抗。

從式(7）可得,異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)沖擊電流的峰值,與發(fā)電機(jī)參數(shù)、發(fā)電機(jī)的剩磁感應(yīng)電勢和機(jī)端電壓有關(guān)。異步發(fā)電機(jī)的剩磁很小,如果忽略定子電阻R1和剩磁感應(yīng)電勢E1r,可得異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時沖擊電流的最大峰值為

同樣,取標(biāo)幺值后,可得異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)最大沖擊電流倍數(shù)為

可見,忽略定子電阻R1和剩磁感應(yīng)電勢E1r的情況下,式(6）和式(9）相同,并網(wǎng)時的沖擊電流可以用機(jī)端短路的三相短路電流來進(jìn)行計算。根據(jù)電機(jī)廠家資料,此發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路時的電流波形如圖4所示。

圖4異步發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路時的電流

可以看出,機(jī)端三相短路電流值約為11In(C相峰值）,換算成有效值約為7.8In,則速斷保護(hù)啟動值為:

式中,Krel為可靠系數(shù),取1.3:Ik(3）為機(jī)端三相短路電流:In為異步發(fā)電機(jī)額定電流:Ict為電流互感器變比。靈敏度經(jīng)校驗足夠,此處不再計算。根據(jù)并網(wǎng)錄波實測,此臺異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)沖擊電流最高值出現(xiàn)在A相,如圖5所示。最大沖擊電流0.701A。折算到一次值需乘以CT變比1250/1和錄波鉗形電流夾變比50/10,并換算到有效值約為5.1In,小于機(jī)端三相短路電流7.8In,因此速斷保護(hù)的定值正確。

圖5異步發(fā)電機(jī)機(jī)并網(wǎng)沖擊最大電流

3.2逆功率保護(hù)設(shè)置

與同步發(fā)電機(jī)相同,異步發(fā)電機(jī)亦是由原動機(jī)拖動輸出有功功率。逆功率保護(hù)的設(shè)置主要用于保護(hù)原動機(jī)。當(dāng)異步發(fā)電機(jī)因為某種機(jī)械或電氣故障原因作為電動機(jī)運(yùn)行時,會對原動機(jī)造成機(jī)械損傷。因此,逆功率保護(hù)的設(shè)置是有必要的。根據(jù)膨脹機(jī)廠家的現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗,逆功率報警值設(shè)置為額定功率的2%,約140kw:跳閘段定值設(shè)置為額定功率的3%,約171kw:跳閘延時可設(shè)置為19。

需要注意的是,發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期是電動機(jī)狀態(tài),為防止逆功率保護(hù)誤動,發(fā)電機(jī)并網(wǎng)到發(fā)電這一段過程應(yīng)設(shè)置保護(hù)閉鎖。由于發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)前由原動機(jī)拖動,發(fā)電機(jī)定子上沒有電壓,因此可以采用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓作為逆功率保護(hù)的閉鎖信號,即設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓建立之后投入逆功率保護(hù),閉鎖電壓設(shè)置按額定電壓的80s進(jìn)行設(shè)置,閉鎖時間為209,閉鎖邏輯通過保護(hù)裝置實現(xiàn),邏輯如圖6所示。

4結(jié)語

經(jīng)本文分析,可以得到以下結(jié)論:(1）綜合天然氣差壓余能的優(yōu)勢、大機(jī)組廠用電無功較多的條件和異步發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單、造價相對便宜的特點(diǎn),異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用在天然氣差壓余能項目中是可行的。(2）對于單臺以上大機(jī)組的發(fā)電廠,可利用快切裝置切換廠用電,實現(xiàn)靈活供電。(3）異步發(fā)電機(jī)實際應(yīng)用時的保護(hù)整定與普通異步電動機(jī)不同,要考慮躲過并網(wǎng)沖擊電流,并設(shè)置逆功率保護(hù)。