防止農(nóng)村小水電發(fā)電機(jī)組非同期并網(wǎng)的技術(shù)改造措施

金永琪，尹月紅

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州311231；2.嵊州市南山水庫(kù)電站，浙江 嵊州312467）

1 研究綜述

據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，浙江省大多數(shù)農(nóng)村小水電建造于20世紀(jì)90年代，為了節(jié)省投資，許多小水電釆用手動(dòng)方式進(jìn)行并網(wǎng)操作。尤其是單機(jī)容量小于100 kW的電站，有的釆用主回路接觸器作為并列開關(guān)，同期并列裝置大多采用燈光旋轉(zhuǎn)法，沒有防止非同期并網(wǎng)的電氣閉鎖裝置，裝置極為簡(jiǎn)單，極易發(fā)生非同期誤操作的事故。

由于農(nóng)村小水電值班運(yùn)行人員普遍缺乏專業(yè)知識(shí)，同時(shí)值班運(yùn)行人員因?yàn)槌邪叩淖儞Q而頻繁變換，且年齡較大文化程度普遍低，技術(shù)熟練程度差，相對(duì)來說發(fā)電機(jī)并網(wǎng)操作仍然是一項(xiàng)技術(shù)要求較高的操作任務(wù)，尤其是低水頭的軸流式機(jī)組，其空載轉(zhuǎn)速波動(dòng)劇烈，捕捉同期點(diǎn)比較困難，并網(wǎng)時(shí)間很長(zhǎng)，稍有不慎，就有可能發(fā)生非同期操作，輕者跳閘，重者可能損壞設(shè)備，燒毀發(fā)電機(jī)出口斷路器，損壞整流元件或聯(lián)軸器等。

徐功勤、蔣明鑫[1-2]提出了有關(guān)防止小型水電站發(fā)電機(jī)非同期并列的技術(shù)，但改造接線比較復(fù)雜，投資相對(duì)較大。袁志剛[3]提出了小型水電站非同期并網(wǎng)事故的分析及處理，分別從不同的接線方式與事故分析處理獲得了有益的經(jīng)驗(yàn)，但經(jīng)濟(jì)性不是很好。為此，本人結(jié)合從事小水電工作的多年教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了防止小水電站非同期并網(wǎng)的技術(shù)方案，該方案的特點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，投資省，值班員操作方便，較好地克服了燈光旋轉(zhuǎn)法同期并網(wǎng)的缺點(diǎn)，有效地避免了同期誤操作。

2 技術(shù)改造措施

2.1 總體解決方案及步驟

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)需要滿足頻率相等、電壓相等、相位相同，值班員在并網(wǎng)時(shí)需要控制和調(diào)整的參數(shù)是發(fā)電機(jī)的頻率、電壓，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相位差在0～360°范圍內(nèi)進(jìn)行變化，當(dāng)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相位差接近零時(shí)迅速投入發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。因此電氣值班員在具體并網(wǎng)操作時(shí)主要控制發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相位差在一定的允許范圍內(nèi)，當(dāng)相位差小于設(shè)定值時(shí)才允許發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘，根據(jù)發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，為防止非同期合閘，一般在同期的自動(dòng)、手動(dòng)回路中安裝有同步檢查繼電器（相位差整定值為20°～40°），而100 kW以下的小電站為了節(jié)省投資，一般情況下沒有裝設(shè)同期閉鎖裝置，針對(duì)小水電站的實(shí)際情況，考慮到既能節(jié)省投資，又能方便實(shí)現(xiàn)同期閉鎖改造，經(jīng)過綜合分析比較考慮，認(rèn)為設(shè)定相位差為Φ=30°是比較合理可行的。

具體技術(shù)改造方案是在原來發(fā)電機(jī)同期接線的基礎(chǔ)上增設(shè)同期閉鎖裝置，增加一只額定電壓為380 V的同期閉鎖小接觸器，線圈跨接在發(fā)電機(jī)的B相和電網(wǎng)的C'相上，把它的輔助常開觸點(diǎn)串接在合閘控制回路中，其動(dòng)作電壓為380×0.85=323 V。通過分析得知，在并網(wǎng)前其線圈兩端的電壓隨著發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)相位差的變化在0～400 V范圍變化，當(dāng)相位差＞30°時(shí)線圈兩端的電壓＜323 V，閉鎖小接觸器欠壓而不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開，切斷了發(fā)電機(jī)的合閘回路，防止非同期并網(wǎng)；當(dāng)相位差＜30°時(shí)線圈兩端的電壓＞323 V，閉鎖小接觸器動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)閉合，為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

2.2 接線改造

同期并網(wǎng)技術(shù)改造接線如圖1所示，該控制回路的主要原理為：在原有的同期接線基礎(chǔ)上，增加一只額定電壓為380 V的同期閉鎖小接觸器（簡(jiǎn)稱同期閉鎖繼電器2K），把2K的輔助常開觸點(diǎn)串接在合閘控制回路中。同時(shí)把并網(wǎng)接觸器1KM的線圈跨接在發(fā)電機(jī)的C相和電網(wǎng)的B'相上，1KM的動(dòng)作電壓為380×0.85=323 V。通過技術(shù)改造接線后，可以把同期并網(wǎng)的相位差控制在30°以內(nèi)，這樣可達(dá)到技術(shù)改造費(fèi)用省、接線簡(jiǎn)單，又能有效防止非同期并網(wǎng)的目的。

圖1 具有同期閉鎖的小水電發(fā)電機(jī)手動(dòng)并網(wǎng)技術(shù)改造接線圖

要使1KM能夠動(dòng)作使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并列，需滿足以下4個(gè)條件：投入同期開關(guān)、2K動(dòng)作、1KM線圈兩端電壓達(dá)到323 V以上、按下合閘按鈕。

2.3 并網(wǎng)操作時(shí)相位分析

下面分析在各種不同相位差時(shí)，2K和1KM線圈兩端電壓變化情況，發(fā)電機(jī)電壓用，電網(wǎng)電壓用表示。

（1）相位差Φ=180°時(shí)，相量圖如圖2（a）所示。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相電壓都為230 V；通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=230 V，小于動(dòng)作電壓323 V，1KM不動(dòng)作；2K線圈電壓為UBC'=230 V，小于動(dòng)作電壓323 V，2K不動(dòng)作，此時(shí)即使值班員誤操作按下合閘按鈕，2K和1KM都不動(dòng)作，從而有效防止了非同期并網(wǎng)的發(fā)生。

（2）相 位 差Φ=150°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（b）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為小于動(dòng)作電壓，1KM不具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為UBC'=2×230×sin15°=119 V，小于動(dòng)作電壓，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開，切斷了1KM的合閘回路，避免了非同期并網(wǎng)。

（3）相 位 差Φ=120°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（c）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為大于動(dòng)作電壓，1KM具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為UBC'=0 V，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開，切斷了1KM的合閘回路，即使值班員誤操作按下合閘按鈕，1KM也不會(huì)動(dòng)作。

（4）相 位 差Φ=90°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（d）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230×cos15°=444 V，大 于 動(dòng) 作 電 壓，1KM具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為UBC'=2×230×cos15°=119 V，小于動(dòng)作電壓，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開合閘控制回路，1KM不動(dòng)作，起到閉鎖作用。

（5）相 位 差Φ=60°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（e）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230=460 V；2K線圈電壓為UBC'=230 V，小于動(dòng)作電壓，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開合閘控制回路，起到閉鎖作用。

（6）相位差Φ=30°時(shí)，相量圖如圖2（f）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230×cos15°=444 V，大于動(dòng)作電壓，具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為大于動(dòng)作電壓，2K動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)閉合，若此時(shí)按下合閘按鈕，1KM動(dòng)作。假如由于值班人員水平較差，在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓存在30°的相位差的瞬間合閘，雖然有較大的沖擊電流，但發(fā)電機(jī)會(huì)被系統(tǒng)強(qiáng)行拉入同步，也不會(huì)造成嚴(yán)重的非同期并網(wǎng)。

（7）相位差Φ=0°時(shí)，相量圖如圖2（g）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=線 圈 電 壓 為400 V，2K動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)閉合，若此時(shí)按下合閘按鈕，1KM動(dòng)作，其主觸頭閉合，發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)完全同步，并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流接近于0。

圖2 相量分析圖

通過相位分析可知，值班人員進(jìn)行并網(wǎng)操作時(shí)，首先投入同期開關(guān)，然后調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓與頻率，當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)滿足同期條件時(shí)按下合閘按鈕，此時(shí)2K和1KM線圈上電壓都接近400 V，2K先動(dòng)作其輔助常開觸點(diǎn)閉合，然后1KM動(dòng)作，使發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。否則只要2K線圈兩端電壓低于動(dòng)作電壓，其輔助常開觸點(diǎn)斷開始終切斷合閘控制回路，從而達(dá)到同期閉鎖的作用。

3 應(yīng)用案例

防止小水電發(fā)電機(jī)非同期并網(wǎng)的技術(shù)改造，只需增加一只單相交流接觸器，并將合閘按鈕由一常開觸點(diǎn)一常閉觸點(diǎn)改為二常開觸點(diǎn)，導(dǎo)線若干米，改造成本大概220元人民幣左右，將1KM、2K的線圈跨接在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)兩側(cè)，接線較簡(jiǎn)單，可在半天內(nèi)改線完成。將1KM線圈跨接發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)兩端電源的接法，還有一個(gè)好處是在電網(wǎng)無電情況下，1KM無法合閘，可避免本站開機(jī)盲目向外送電的危險(xiǎn)情況發(fā)生。目前已在裝機(jī)容量75 kW的南山水庫(kù)電站試用，電氣值班人員反映使用情況良好。

4 結(jié)語

農(nóng)村小水電往往裝機(jī)容量較小，大多是鄉(xiāng)村集體經(jīng)濟(jì)的重要來源，運(yùn)行了幾十年，農(nóng)村小水電站能否安全運(yùn)行直接關(guān)系到貧困山區(qū)的脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，今年是脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的最后1年。為了確保小水電站安全運(yùn)行，①要加強(qiáng)農(nóng)村小水電標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，著力提升小水電站的管理水平；②要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)村小水電運(yùn)行人員的技術(shù)培訓(xùn)，著力提升小水電站運(yùn)行人的專業(yè)能力和業(yè)務(wù)水平；③要通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造措施，在技術(shù)層面防止誤操作的發(fā)生。如在同期系統(tǒng)中增設(shè)簡(jiǎn)單可靠的同期閉鎖裝置，試運(yùn)行證明，該技改方案可在全省及全國(guó)其他無同期閉鎖裝置的小水電站中推廣應(yīng)用，以防止非同期誤操作事故的發(fā)生。