發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)同期的探討

張建軍，高 娃

（中鹽青海昆侖堿業(yè)，青海德令哈 817000）

發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)同期的探討

張建軍，高 娃

（中鹽青海昆侖堿業(yè)，青海德令哈 817000）

發(fā)電機(jī)組的同期系統(tǒng)是發(fā)電廠電氣二次部分的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。本文從同期并列的條件出發(fā)，結(jié)合烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組工程，闡述中小型發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)同期系統(tǒng)的基本原理及控制方式，介紹同期點(diǎn)及同期方式的設(shè)置、同期電壓的引入、手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的工作原理及接線和自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的特點(diǎn)。最后為了說明同期操作的重要性，本文按照壓差、頻差、角差條件為例對非同期并列操作的危害進(jìn)行了探討。

手動(dòng)準(zhǔn)同期；自動(dòng)準(zhǔn)同期；同期并列操作

在發(fā)電廠和變電站中，通常把反映同期裝置和同期電壓連接關(guān)系的回路稱為同期系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)、兩個(gè)不同系統(tǒng)并列，或一個(gè)系統(tǒng)分解為兩個(gè)部分通過輸電線路再連接等，所實(shí)施的操作叫同期并列操作。發(fā)電機(jī)在并入系統(tǒng)前與其他發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)是不同步的，存在著電壓差、頻率差和相角差。通過同期操作，將發(fā)電機(jī)組安全、可靠、準(zhǔn)確快速地投入，從而確保系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和發(fā)電機(jī)組的安全。

1 同期點(diǎn)及同期方式的設(shè)置

發(fā)電廠（或變電站）中每個(gè)有可能進(jìn)行同期操作的斷路器，稱為同期點(diǎn)。也就是說當(dāng)斷路器兩側(cè)有可能出現(xiàn)非同一系統(tǒng)電源時(shí)，此斷路器是同期點(diǎn)。烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組共設(shè)了7個(gè)同期點(diǎn)，同期系統(tǒng)如圖1所示。

1.1 同期點(diǎn)的設(shè)置

2個(gè)發(fā)電機(jī)出口斷路器；2個(gè)三繞組變壓器的高壓側(cè)；2個(gè)110kV系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的線路斷路器；110 kV母聯(lián)斷路器。

1.2 同步方式

本項(xiàng)目的7個(gè)同期點(diǎn)按照運(yùn)行方式來分析得到如下結(jié)論：2個(gè)發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變高壓側(cè)斷路器的同期點(diǎn)為差頻并網(wǎng)點(diǎn)，而其余3個(gè)同期點(diǎn)既可能是差頻并網(wǎng)點(diǎn)，也有可能是同頻并網(wǎng)點(diǎn)。比如對于1＃進(jìn)線斷路器來說，當(dāng)2＃進(jìn)線和上一級兩個(gè)進(jìn)線及母聯(lián)斷路器都處于合閘位置時(shí)，此時(shí)1＃進(jìn)線同期點(diǎn)就為同頻并網(wǎng)點(diǎn)；而2＃進(jìn)線和上一級兩個(gè)進(jìn)線及母聯(lián)斷路器中其中有一個(gè)斷開時(shí)為差頻并網(wǎng)點(diǎn)。

圖1 烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組同期系統(tǒng)圖

1.3 同期電壓的引入

在準(zhǔn)同期操作時(shí)，需要檢測同期電壓是否滿足其并列的幾個(gè)條件。同期電壓，即同期點(diǎn)（斷路器）兩側(cè)經(jīng)過電壓互感器變換的二次側(cè)交流電壓。由于全廠（站）配用一套同期裝置，所以需要把同期電壓引至同期電壓小母線上。所以，通常把同期電壓小母線上的二次電壓稱為同期電壓。同期電壓的引入方式（即同期電壓小母線的數(shù)目）與同期系統(tǒng)采用的接線方式有關(guān)。

目前，同步裝置均為單相接線，交流輸入電壓多為100V，100／V。因此烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組工程選取單相電壓作為此系統(tǒng)的同期電壓。而各個(gè)同期點(diǎn)選取的電壓如下：

2個(gè)發(fā)電機(jī)出口斷路器：兩側(cè)均采用CB相電壓作為同期電壓進(jìn)行比較。

2個(gè)三繞組變壓器的高壓側(cè)：主變高壓側(cè)電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)角變壓器后取CB電壓與主變低壓側(cè)電壓進(jìn)行比較。

2個(gè)110kV系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的線路斷路器：兩側(cè)均采用C相電壓作為同期電壓進(jìn)行比較。

110kV母聯(lián)斷路器：兩側(cè)均采用C相電壓作為同期電壓進(jìn)行比較。

2 手／自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置原理與接線

2.1 手動(dòng)準(zhǔn)同期的任務(wù)

1）通過頻差表（或2只頻率表）檢測發(fā)電機(jī)與其要并入的系統(tǒng)之間的頻率差，然后利用調(diào)速或調(diào)頻開關(guān)來調(diào)整發(fā)電機(jī)的頻率，使其頻率接近要并入的系統(tǒng)頻率。

2）通過壓差表（或2只電壓表）檢測發(fā)電機(jī)與其要并入的系統(tǒng)之間的電壓差值，再調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)的電壓接近要并入的系統(tǒng)電壓值。

3）由運(yùn)行人員來根據(jù)頻差表和壓差表指示的數(shù)值，判別發(fā)電機(jī)與其要并入系統(tǒng)的頻率和電壓是否滿足準(zhǔn)同期并列條件。當(dāng)條件符合并列條件時(shí)，再根據(jù)同期表的指示，在打出必要的時(shí)間裕量（此時(shí)間裕量約等于斷路器的合閘時(shí)間）后發(fā)出合閘脈沖，以確保同期點(diǎn)斷路器合閘時(shí)，其兩側(cè)電壓之間的相角差等于零或被控制在允許范圍內(nèi)。

烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組工程的手動(dòng)準(zhǔn)同期主要部分接線原理如圖2所示，圖中未畫出同期開關(guān)部分的接線。

2.2 手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置或元件的作用

2.2.1 MZ－10型組合式同期表

此項(xiàng)目使用的為單相組合式同期表MZ－10，此表由電壓差表P1、頻率差表P2和同期表P3組成，正面如圖3所示。

圖2 烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組手動(dòng)準(zhǔn)同期接線示意圖

圖3 MZ－10組合式同期表正面圖

1）電壓差表P1的測量機(jī)構(gòu)為磁電式微安表。當(dāng)待并發(fā)電機(jī)電壓大于系統(tǒng)電壓，即ΔU（ΔU＝UG－US）大于零時(shí)，微安表指針向正方向偏轉(zhuǎn)；反之，指針向負(fù)方向偏轉(zhuǎn)。

2）頻率差表P2的測量機(jī)構(gòu)為直流流比計(jì)。當(dāng)待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的頻率相同，即ΔF（ΔF＝FGFS）等于零時(shí)，作用在流比計(jì)指針上的總力矩等于零，則指針不偏轉(zhuǎn)，而停留在零（水平））位置上。當(dāng)待并發(fā)電機(jī)頻率大于系統(tǒng)頻率，即ΔF（ΔF＝FGFS）大于零時(shí)，指針向正方向偏轉(zhuǎn)；反之，指針向負(fù)方向偏轉(zhuǎn)。

3）同期表P3，當(dāng)待并系統(tǒng)的電壓或者頻率高于運(yùn)行系統(tǒng)的電壓或者頻率時(shí)指針向快的方向旋轉(zhuǎn)；反之向慢的方向旋轉(zhuǎn)。只有壓差、頻差、角差都相等時(shí)，指針才指向紅線的位置。

2.2.2 同期開關(guān)TK

為了避免由于不同同期電壓回路之間的混亂而引起系統(tǒng)非同期并列，在并列操作時(shí)，同期電壓小母線只能存在待并斷路器兩側(cè)的同期電壓。因此，每個(gè)同期點(diǎn)的斷路器均應(yīng)裝設(shè)TK同期開關(guān)，并共用一個(gè)可抽出的手柄，此手柄只有在TK同期開關(guān)處于“斷開”位置時(shí)才能抽出。這樣做的目的是以保證在同一時(shí)間內(nèi)，只有一臺同期點(diǎn)斷路器進(jìn)行并列操作。

2.2.3 同期檢查繼電器KY

為了防止在不允許的相角差下誤合閘，通常在手動(dòng)準(zhǔn)同期合閘回路中裝設(shè)閉鎖誤合閘的同期檢查繼電器。同期檢查繼電器平時(shí)不工作，SSM1處于“斷開”位置，只有在手動(dòng)準(zhǔn)同期時(shí)將SSM1（粗調(diào)／細(xì)調(diào)開關(guān)）置于“細(xì)調(diào)”位置，KY才接于運(yùn)行系統(tǒng)電壓和待并系統(tǒng)電壓。當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)與待并發(fā)電機(jī)電壓的相角差大于KY的動(dòng)作整定值時(shí)，其常閉觸點(diǎn)斷開，不允許發(fā)出合閘脈沖，這就防止了在允許相差角范圍之外斷路器誤合閘。此項(xiàng)目所有同期點(diǎn)共用一只同期檢查繼電器。

2.2.4 粗調(diào)／細(xì)調(diào)開關(guān)SSM1

此開關(guān)是為了配合MZ－10同期表使用的，當(dāng)開關(guān)選擇“粗調(diào)”同期時(shí)，只接入MZ－10同期表的電壓差和頻率差表。規(guī)定當(dāng)待并系統(tǒng)頻率和運(yùn)行系統(tǒng)頻率差＜±5%時(shí)，選擇開關(guān)打到“細(xì)調(diào)”同期時(shí)，接入同步指示器。因?yàn)楫?dāng)頻率差過大時(shí)，同步表轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)速過快容易引起振動(dòng)或停止不動(dòng)的情況，所以，應(yīng)避免頻差過大時(shí)接入同步指示器。

2.2.5 SSM解除手動(dòng)準(zhǔn)同期開關(guān)

圖3中，SSM為解除手動(dòng)準(zhǔn)同期開關(guān)，平時(shí)此開關(guān)觸點(diǎn)是斷開的，在不需要同期操作的情況下，如系統(tǒng)無壓或電廠停發(fā)系統(tǒng)倒供廠用電等情況，將SSM投入；SSM觸點(diǎn)短接KY觸點(diǎn)，就解除了同期閉鎖，同時(shí)只要將SSM置于“精確”位置，斷路器就能合閘。

烏斯太熱電廠2X30MW機(jī)組工程項(xiàng)目采用的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置是北京紫光測控公司生產(chǎn)的DCAP－3518裝置。DCAP－3518自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置基于32位高性能DSP（數(shù)字信號處理器）和高速以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計(jì)。裝置最多可控制8個(gè)同期點(diǎn)，采用插件式結(jié)構(gòu)，根據(jù)同期點(diǎn)的數(shù)量配備相應(yīng)數(shù)量的同期插件。

2.3 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的任務(wù)

自動(dòng)監(jiān)視電壓差和頻率差，同時(shí)設(shè)有自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓和頻率單元，在壓差和頻差不合格時(shí)發(fā)出控制脈沖，直到壓差、頻差滿足要求。然后選擇最理想的時(shí)間發(fā)出合閘脈沖（導(dǎo)前時(shí)間），使斷路器在零相角差時(shí)合閘，完成同步操作的全部過程。

2.4 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的接線

相比于手動(dòng)準(zhǔn)同期接線，自動(dòng)準(zhǔn)同期接線就要簡單得多，許多需要人為控制的因素都被自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置取代了，并且控制結(jié)果也比手動(dòng)準(zhǔn)同期更加準(zhǔn)確了。自動(dòng)準(zhǔn)同期的接線如圖4所示。

圖4 自動(dòng)準(zhǔn)同期接線示意圖

2.4.1 電壓采樣

只需經(jīng)過同期開關(guān)引入同期裝置，并且可以設(shè)置運(yùn)行系統(tǒng)電壓與待并系統(tǒng)電壓間的角差，無需引入轉(zhuǎn)角變。并且裝置可以設(shè)置無壓合閘的模式，即檢測運(yùn)行與待并系統(tǒng)若有一側(cè)無壓也可進(jìn)行合閘，并且此功能在裝置上可以進(jìn)行投退。

2.4.2 開關(guān)量輸入

同期啟動(dòng)信號輸入：可由后臺遙控或DCS自動(dòng)控制，同期裝置只有接到此命令后才啟動(dòng)自動(dòng)準(zhǔn)同期，進(jìn)行合閘操作。

PT斷線信號輸入：用于閉鎖同期合閘。

斷路器合閘位置輸入：裝置可通過此接點(diǎn)主要是判斷同期合閘是否成功。

2.4.3 控制輸出

根據(jù)交流電壓的采樣，當(dāng)頻差不滿足同期要求時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變發(fā)電機(jī)的頻率，即通過控制原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器（DEH）來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同期。當(dāng)壓差不滿足要求時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓使其趨向于其要并入系統(tǒng)的電壓，即通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)整裝置（AVR）來實(shí)現(xiàn)。直至發(fā)電機(jī)的頻率和電壓均滿足同期要求時(shí)，同期合閘信號輸出。

2.5 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的特點(diǎn)

1）高可靠性：采用先進(jìn)、可靠的微機(jī)裝置，在軟件及硬件上具有很大的冗余度，確保沒有誤動(dòng)的可能。

2）高精度：自動(dòng)測量導(dǎo)前時(shí)間，保證零相角差時(shí)完成并網(wǎng)操作。

3）高速度：快速平穩(wěn)的把發(fā)電機(jī)的電壓和頻率調(diào)整到給定值，并能捕捉第一次出現(xiàn)的零相角差時(shí)將發(fā)電機(jī)平滑地并入電網(wǎng)。

4）能融入分布式控制系統(tǒng)（DCS）：通過與上位機(jī)的通訊完成開機(jī)過程的全盤自動(dòng)化。同時(shí)上位機(jī)也需求獲得同步裝置的靜態(tài)定值、動(dòng)態(tài)參數(shù)及并網(wǎng)過程狀況的信息。

5）操作簡單、方便，有清晰的人及界面。

6）二次接線設(shè)計(jì)簡單清晰。

3 同期合閘的基本注意事項(xiàng)

1）頻率不能完全相同（頻率完全相同可能永遠(yuǎn)也找不到相角差為零的時(shí)刻）。

2）合閘時(shí)刻相角最好為零（導(dǎo)前時(shí)間）。

3）各同期點(diǎn)投入同期的同期開關(guān)其操作手柄應(yīng)為可取出（因運(yùn)行中只留1個(gè)手柄，以免誤操作）。

4）手動(dòng)準(zhǔn)同期時(shí)合閘控制回路必須用同步檢查繼電器的接點(diǎn)閉鎖。

5）當(dāng)經(jīng)不同接線方式的變壓器供電時(shí)，手動(dòng)同期裝置的同期電壓必須經(jīng)轉(zhuǎn)角變壓器修正。

6）手動(dòng)同期裝置使用的電壓互感器，其二次側(cè)接地方式應(yīng)統(tǒng)一，否則應(yīng)加裝隔離變。

4 非同期并列的危害

發(fā)電機(jī)的電壓、相位及頻率與系統(tǒng)不符合實(shí)際并列條件的并列，被稱為非同期并列。

4.1 頻率不等

假如發(fā)電機(jī)的電壓、相位與系統(tǒng)完全相同，只有頻率不一致，在這種情況下并列，則相位不同時(shí)所產(chǎn)生的后果相類似，會產(chǎn)生有功沖擊電流。頻率相差越大，產(chǎn)生的沖擊電流也越大，這會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)要經(jīng)過很長一段時(shí)間才能與系統(tǒng)同期，甚至無法達(dá)到同期。

4.2 電壓不等

假設(shè)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的頻率、相位完全相同。只有電壓不一致，則并列之前發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)主觸頭之間就已經(jīng)存在電壓差，則并列時(shí)會產(chǎn)生無功沖擊電流。它們之間的電壓差越大，沖擊電流也會越大，由電壓差產(chǎn)生的電動(dòng)力將損壞發(fā)電機(jī)及其相關(guān)的電氣設(shè)備。

4.3 相位不等

假若發(fā)電機(jī)的頻率、電壓與系統(tǒng)的頻率、電壓完全相同，只有發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)的電壓相位不一致。因相位差的存在，在系統(tǒng)并列之前發(fā)電機(jī)開關(guān)主觸頭間就已經(jīng)有電位差的存在。在這種條件之下并列，將會產(chǎn)生有功沖擊電流。這樣的其后果是：若發(fā)電機(jī)的電壓相位滯后于系統(tǒng)，則導(dǎo)致發(fā)電機(jī)突然加速；若發(fā)電機(jī)電壓相位超前于系統(tǒng)，則會使發(fā)電機(jī)突然減速。而發(fā)電機(jī)無論是加速還是減速，都會產(chǎn)生不良的后果，如發(fā)電機(jī)短時(shí)間抖動(dòng)，嚴(yán)重的則使其主軸扭傷，損壞其轉(zhuǎn)子。

5 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，同期裝置的微機(jī)化、智能化是發(fā)展趨勢，加之現(xiàn)代控制理論在同期裝置上的應(yīng)用，新一代微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置已經(jīng)在電力系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。而手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置由于接線復(fù)雜、存在重大的安全隱患、延誤并網(wǎng)時(shí)間等缺點(diǎn)逐步被自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置所取代。隨著同步過程中的理論研究的不斷深入，一批先進(jìn)的新型自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置將會不斷地推出，它必將為高速發(fā)展的電力系統(tǒng)并網(wǎng)同期操作提供更加高效、可靠、安全的有力保障。

TM 311

B

1005－8370（2012）01－41－04

2011－12－10

張建軍，電氣工程師。原為中鹽吉鹽化集團(tuán)熱電事業(yè)部熱電廠電氣工程師，現(xiàn)為中鹽青海昆侖堿業(yè)有限公司熱電廠主任。