膨胀机异步发电机的逆功率保护研究

膨胀机异步发电机的逆功率保护研究

曾伟杰

中天合创能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯市017000

摘要：文章对膨胀机异步发电机的工作原理进行详细介绍，重点分析逆功率继电器和功率变送器这两种逆功率保护方式，并对这两种方式的具体应用和在异步发电机上的实现进行研究，以供参考。

关键词：膨胀异步发电机；工作原理；逆功率保护

1引言

以氧产量为55000的空分装置为例对其气体膨胀机异步发电机组和液体膨胀机异步发电机组为例，前者在运行时会在对高压空气进行膨胀时发出动力做功来对异步发电机进行驱动并进行发电，此时会回收能量并起到制动作用来实现对飞车事故的避免。而后者则是通过对高压液体进行膨胀来发出动力做功驱动异步发电机进行发电和能量回收。在上述运行过程中容易出现逆功率问题而对膨胀机造成损坏，这就需要选用合适的逆功率保护来确保其长时间的稳定和安全运行。

2膨胀机异步发电机工作原理

膨胀机异步发电机的工作原理就是通过膨胀机来对异步发电机起到拖动作用，在膨胀机的拖动作用下使得发电机的转子进行转动，而且要确保其转速比磁场的转速要大，这样在定子绕组上产生的感应电动势就可以满足需求，实现向外进行电能的输出。在实际的应用中的空分装置中，需要通过电网激励发电的方式来使用膨胀机来带动发电机进行发电，而且此种方式需要的励磁电流数值比较大，且此种电流也属于感性无功电流，数值通常为发电机额定电流的1/5左右。在运行中需要在电网上进行异步发电机定子三相绕组的连接，这样就可以在上述运转中在异步发电机的三相定子绕组中产生电流时就会产生旋转的磁动势。上述过程的主要作用就是产生此旋转磁场，而且此旋转磁场在转动时的同步转速为n0，并且此同步转速需要按照以下公式来进行计算，也就是，从此公式中可以看出，同步转速的大小与电网频率f成正比例关系，而且与发电机的磁极对数p成反比例关系。也就是对于确定了磁极对数的成品发电机来说，其同步转速就只与电网频率有关系。

通过膨胀机拖动发电机的方式带动转子转动并且其转速接近同步转速时就可以接入电网中，但是需要在并网之前确保其旋转方向的一致性，否则就会导致发电机产生的相序与电网不一致。而且由于电网容量相对于膨胀机异步发电机的容量比较大，这样就会随着电网来对定子绕组的电势和频率进行调节，也就是随着电网的电压和频率来进行定子绕组电势和频率的确定。异步发电机在运行中会吸收电网中的无功功率，而且由于电网运行中的频率通常不会发生变化，因此，异步发电机并网发电时所产生的频率也随之具有较高的稳定性。

3膨胀机异步发电机逆功率保护

膨胀机带动异步发电机运行时会由于多种原因而导致出现膨胀量过小的现象，这就会导致膨胀机的转速比同步转速要低，这就会导致异步发电机在运行中无法从电网系统中解列，这就会出现从电网中进行有功功率吸收的问题。随着上述问题不会对异步电动机造成危害，但是由于其需要驱动膨胀机来进行运转，这就会对膨胀机造成危害，因此需要采用对发电机进行逆功率保护的方式来确保膨胀机异步发电机组不会长时间处于上述工况下运行。

3.1逆功率继电器保护

以10kV异步发电机的逆功率保护设计来说，所采用的逆功率继电器的类型为XP2-R，其继电器在运行中所需要的电压信号是从10kV母线侧的电压互感器TV中获取，而所需要的电流信号则主要从发电机出线侧电流互感器TA中获取，此种异步发电机逆功率保护原理如图3.1所示。此种继电器在运行中需要对逆功率动作值进行提前设定，通常将此保护的动作功率设置为发电机额定功率的5%。如果在运行中出现负向功率，而且其数值已经达到了上述提前设定的逆功率动作值，就会向综合保护继电器按照预定时间进行信号的发送，在综合保护继电器受到上述信号之后就会向断路器发出分闸信号来执行断开的动作，而且在上述动作之后也会向DCS控制系统反馈发电机的分闸信号，此时就会通过此系统来实现膨胀机紧急切断阀的自动关闭，上述逆功率保护逻辑如图3.2所示。

图3.1气体膨胀机异步发电机逆功率保护原理图（左）

图3.2气体膨胀异步发电机比功率保护逻辑图（右）

对于发电机并网发电来说，其通常要求其在转速为3000r/min时进行并网接入动作，但是在实际的运行中通常会由于转速信号之后以及电网频率波动等因素，而通常在转速接近上述转速数值时就可以执行电网并入，但是此时容易导致发电机处于逆功率状态。这就需要通过逆功率保护来躲过上述过程，因此在对逆功率保护的设定时间进行确定时通常需要设置在并网之后延时5s的时间，这样就可以确保膨胀机异步发电机可以顺利并网发电。而且在对逆功率保护继电器的延时动作进行设计时也需要设计0.5s的延时动作时间来对系统振荡进行躲避来确保发电机长时间的稳定和可靠运行。

3.2功率变送器逆功率保护

针对0.4kV异步发电机的逆功率保护设计来说，所需选用的保护功率变送器型号为SM-P530。此装置的电压信号是来自于0.4kV的母线，而电流信号则是从发电机的出线侧电流互感器TA中获取，其异步发电机逆功率保护原理如图3.3所示。在运行中出现其负向功率的数值达到功率变送器所设定的数值时，通过所设置的DCS控制系统经过0.5s的动作延时之后就会向接触器进行分闸信号的发送以及接触器进行断开的执行，在DCS控制系统手段上述反馈信号之后也会向膨胀机的紧急切断阀发送分闸信号实现其自动关闭，其液体膨胀机异步发电机的逆功率保护逻辑如图3.4所示。针对此型号的功率变送器来说，在对其功率动作值进行设定时通常将动作功率设置为发电机额定功率的5%。以功率为180kW的发电机为例，一旦有功功率超过9kW就会导致发电机处于逆功率状态，此时就会发出相应的DCS控制系统指令来进行停车处理。

图3.3液体膨胀机异步发电机逆功率保护原理图（左）

图3.4液体膨胀机异步发电机逆功率保护逻辑图（右）

4结论

针对文中的气体膨胀机异步发电机组和液体膨胀机异步发电机组为例，这两种发电机都为鼠笼式三相异步发电机，在通过采用文中所介绍的XP2-R型逆功率保护继电器和SM-P530功率变送器进行发电机的逆功率保护时，不仅确保并网成功，而且可以确保发电机逆功率保护要求的满足来实现对设备的保护。

参考文献：

[1]杨益平,钱敏.浅谈膨胀机异步发电机的逆功率保护[J].电气传动自动化,2016,38(2):58-60.

[2]胡峻.膨胀机发电机在空分中的应用[J].电世界,2017,58(1):20-21.