抽水蓄能機(jī)組聯(lián)跳滅磁開關(guān)的硬回路設(shè)計(jì)

王宗收，吳 妍，任 帥，張一波，李 迪

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 前言

目前抽水蓄能電站機(jī)組抽水工況啟動(dòng)可以選擇SFC拖動(dòng)或背靠背啟動(dòng)方式。背靠背啟動(dòng)方式是蓄能機(jī)組的特有啟動(dòng)方式，啟動(dòng)抽水的目標(biāo)機(jī)組為被拖動(dòng)機(jī)，作為動(dòng)力的“其他機(jī)組”為拖動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)過程中，是以本電站內(nèi)一臺機(jī)組發(fā)電啟動(dòng)作為啟動(dòng)源，提供頻率逐漸升高的電流，拖動(dòng)另外一臺機(jī)組抽水啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組抽水啟動(dòng)的目的。例如1、2號機(jī)組背靠背工況運(yùn)行，1號機(jī)組作為拖動(dòng)機(jī)運(yùn)行，2號機(jī)組作為被拖動(dòng)機(jī)，磁場建立后通過1號機(jī)組拖動(dòng)刀閘GDS與2號機(jī)組被拖動(dòng)刀閘MDS建立拖動(dòng)關(guān)系，2號機(jī)組在1號機(jī)組電磁力的作用下轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)2號機(jī)組滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)，1號機(jī)組出口開關(guān)分閘，1號機(jī)組拖動(dòng)刀閘GDS與2號機(jī)組被拖動(dòng)刀閘MDS分閘，拖動(dòng)過程完成，拖動(dòng)機(jī)停機(jī)，被拖動(dòng)機(jī)達(dá)到抽水穩(wěn)態(tài)，背靠背抽水啟動(dòng)成功。

當(dāng)機(jī)組采用背靠背方式啟動(dòng)抽水時(shí)，被拖動(dòng)機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，需要同時(shí)跳開拖動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)機(jī)滅磁開關(guān)，保證兩臺機(jī)組同時(shí)失磁，之后兩臺機(jī)組停機(jī)。當(dāng)兩臺機(jī)組滅磁開關(guān)分閘不同步時(shí)，滅磁開關(guān)后分閘的機(jī)組相當(dāng)于定子繞組三相短路，會(huì)對啟動(dòng)回路拖動(dòng)刀閘和被拖動(dòng)刀閘觸頭，甚至發(fā)電機(jī)本身造成損害。

2 目前滅磁開關(guān)跳閘控制缺陷

按照國家能源局《水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范 NB/T 35004-2013》第5.3.7條的要求，機(jī)組背靠背啟動(dòng)過程中，需要設(shè)置一套獨(dú)立的跳閘回路，在電氣和水力機(jī)械事故時(shí)，保證兩臺機(jī)組同時(shí)滅磁，再跳斷路器、停機(jī)。目前部分抽水蓄能電站設(shè)計(jì)是當(dāng)拖動(dòng)機(jī)或被拖動(dòng)機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)動(dòng)作通過硬接線直接跳開本機(jī)滅磁開關(guān)；同時(shí)保護(hù)動(dòng)作信號會(huì)觸發(fā)另一臺機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)電氣事故停機(jī)，該機(jī)組通過順控流程跳開本側(cè)滅磁開關(guān)。該設(shè)計(jì)由順控流程動(dòng)作分滅磁開關(guān)，監(jiān)控系統(tǒng)順控流程執(zhí)行PLC掃描和繼電器動(dòng)作的時(shí)間需要大約100 ms，在100 ms內(nèi)滅磁開關(guān)未分閘的機(jī)組定子繞組及其啟動(dòng)回路相當(dāng)于三相短路。發(fā)電機(jī)三相短路會(huì)導(dǎo)致定子線圈端部產(chǎn)生變形或損傷；發(fā)電機(jī)可能產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力。此外，較大的短路電流會(huì)對被拖動(dòng)刀和拖動(dòng)刀的動(dòng)、靜觸頭產(chǎn)生損傷。以某抽水蓄能電廠為例，該電廠在進(jìn)行背靠背試驗(yàn)時(shí)，拖動(dòng)過程中拖動(dòng)機(jī)發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，由于拖動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)機(jī)跳開滅磁開關(guān)順序不同，導(dǎo)致被拖動(dòng)刀閘受損。從受損的A相觸頭來看，靜觸頭表面均勻輕微熔化、灼傷，動(dòng)觸頭表面灼傷。被拖動(dòng)刀閘額定運(yùn)行電流為3 000 A，查故障錄波知，此時(shí)A相產(chǎn)生的電流最大約3 600 A，持續(xù)時(shí)間約為200 ms，超過被拖動(dòng)刀閘額定運(yùn)行電流，造成被拖動(dòng)刀閘動(dòng)、靜觸頭發(fā)熱灼傷，長時(shí)間多次動(dòng)作運(yùn)行后刀閘動(dòng)、靜觸頭逐漸惡化燒損。

3 滅磁開關(guān)的硬回路設(shè)計(jì)

由于機(jī)組在背靠背抽水啟動(dòng)發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)順控分滅磁開關(guān)存在時(shí)間延時(shí)的問題，因此在拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組間需要設(shè)置一套獨(dú)立的滅磁開關(guān)跳閘硬回路，在電氣和水力機(jī)械事故時(shí)，保證拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組同時(shí)滅磁。

鑒于以上問題，技術(shù)人員仔細(xì)分析監(jiān)控系統(tǒng)原理圖，首先通過繼電器搭建出具有拖動(dòng)關(guān)系機(jī)組的橋回路，該橋回路在機(jī)組啟動(dòng)流程前通過監(jiān)控上位機(jī)畫面選擇觸發(fā)建立；操作人員只需點(diǎn)擊操作界面上的拖動(dòng)機(jī)組即可選擇，操作界面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 拖動(dòng)機(jī)組選擇操作畫面

然后將機(jī)組發(fā)生事故時(shí)的保護(hù)跳閘信號用事故擴(kuò)展繼電器擴(kuò)展，同時(shí)把信號送到拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組的滅磁開關(guān)分閘線圈，這樣保證拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組的滅磁開關(guān)同時(shí)分閘，具體設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 聯(lián)跳滅磁開關(guān)設(shè)計(jì)方案一

在圖2中，本機(jī)為被拖動(dòng)機(jī)組，當(dāng)被拖動(dòng)機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，會(huì)觸發(fā)事故擴(kuò)展信號勵(lì)磁，機(jī)組保護(hù)通過該擴(kuò)展信號跳開本機(jī)滅磁開關(guān)，同時(shí)機(jī)組保護(hù)跳閘繼電器擴(kuò)展的另外一路信號會(huì)通過已搭建好的聯(lián)跳橋回路跳開相應(yīng)拖動(dòng)機(jī)組的滅磁開關(guān)，這樣保證了拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組滅磁開關(guān)的同時(shí)動(dòng)作。以2號機(jī)拖動(dòng)1號機(jī)為例，首先操作人員通過上位機(jī)操作使3KA4繼電器勵(lì)磁，此時(shí)聯(lián)跳的橋回路搭建完成。如果1號機(jī)組發(fā)生保護(hù)跳閘時(shí)，3KA1繼電器勵(lì)磁，這時(shí)存在拖動(dòng)關(guān)系的機(jī)組就會(huì)通過已搭建好的橋回路跳開本機(jī)及相關(guān)機(jī)組的滅磁開關(guān)。

這種設(shè)計(jì)思路雖然實(shí)現(xiàn)了拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組同時(shí)跳滅磁開關(guān)的目的，但是由于繼電器動(dòng)作存在時(shí)間延時(shí)，導(dǎo)致當(dāng)被拖動(dòng)機(jī)組發(fā)生保護(hù)動(dòng)作時(shí)，拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組跳開滅磁開關(guān)的響應(yīng)速度較慢，這樣同樣對機(jī)組存在影響。技術(shù)人員繼續(xù)優(yōu)化，通過查閱相關(guān)保護(hù)的資料發(fā)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作跳滅磁開關(guān)存在兩路出口，因此對該回路進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在拖動(dòng)過程中，當(dāng)被拖動(dòng)機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，直接通過保護(hù)動(dòng)作的一路出口，跳開本機(jī)滅磁開關(guān)。同時(shí)保護(hù)的另一路出口通過之前的設(shè)計(jì)思想跳開其他機(jī)組滅磁開關(guān)，硬回路設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 聯(lián)跳滅磁開關(guān)設(shè)計(jì)方案二

通過分析，該種設(shè)計(jì)思路可以實(shí)現(xiàn)無延時(shí)跳開拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組滅磁開關(guān)的目的，但仔細(xì)研究該硬件回路，發(fā)現(xiàn)該回路存在一定缺陷，由于跳開拖動(dòng)機(jī)組滅磁開關(guān)的回路是并聯(lián)設(shè)計(jì)，不同機(jī)組的跳閘回路采用的是不同的電源，所以有出現(xiàn)電源串源情況的可能。

設(shè)計(jì)人員鑒于以上問題繼續(xù)優(yōu)化，在聯(lián)跳回路中增加一路橋回路，該橋回路與拖動(dòng)關(guān)系的橋回路一樣，也是在上位機(jī)開機(jī)前進(jìn)行選擇，但是通過增加該回路，避免了不同機(jī)組間的跳閘回路電源串源的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出的硬件回路原理圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)跳拖動(dòng)機(jī)組滅磁開關(guān)設(shè)計(jì)方案二優(yōu)化

采用該種設(shè)計(jì)回路時(shí)，以2號機(jī)組拖動(dòng)1號機(jī)組為例，在機(jī)組啟動(dòng)前首先通過上位機(jī)選擇，將3KA4繼電器觸發(fā)，此時(shí)繼電器的接點(diǎn)導(dǎo)通，兩側(cè)聯(lián)跳橋回路搭建成功。之后2號機(jī)組拖動(dòng)1號機(jī)組流程啟動(dòng)。當(dāng)1號機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)一路出口會(huì)直接跳開本機(jī)滅磁開關(guān)，同時(shí)保護(hù)另一路出口通過已經(jīng)搭建好的橋回路跳開2號機(jī)組滅磁開關(guān)，從而達(dá)到同時(shí)跳開滅磁開關(guān)的目的。

4 應(yīng)用

在張河灣監(jiān)控系統(tǒng)改造中，搭建該硬回路，然后進(jìn)行信號測試。靜態(tài)測試時(shí)通過短接模擬被拖動(dòng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作，讀取上位機(jī)報(bào)文，檢查發(fā)現(xiàn)本機(jī)與所選拖動(dòng)機(jī)滅磁開關(guān)同時(shí)跳開。動(dòng)態(tài)測試2號機(jī)組拖動(dòng)1號機(jī)組啟動(dòng)，觸發(fā)1號機(jī)組保護(hù)動(dòng)作，1、2號機(jī)組滅磁開關(guān)同時(shí)跳開，滅磁開關(guān)分閘響應(yīng)速度同步。

本廠采用該硬件回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)效果良好，達(dá)到了同時(shí)跳開滅磁開關(guān)的目的。采用該種硬回路聯(lián)跳其他機(jī)組滅磁開關(guān)，保證了滅磁開關(guān)分閘動(dòng)作的同步性，避免了因不同步跳滅磁開關(guān)而發(fā)生的發(fā)電機(jī)三相短路的相關(guān)故障，在抽水蓄能電站具有很大的推廣意義。