某水電站500 kV送出線路同期合閘失敗案例分析及處理

雷 翔 ， 曠 熊， 瞿 大 林， 秦 帥 飛， 羅 浩， 賴 超

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

電力系統(tǒng)對(duì)輸電線路的同期合閘操作有很高的要求，若操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致線路非同期合閘，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)甚至系統(tǒng)振蕩，危及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩，沖擊電流將對(duì)發(fā)電機(jī)定子端部繞組產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力，電磁轉(zhuǎn)矩將對(duì)發(fā)電機(jī)軸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的扭應(yīng)力，對(duì)發(fā)電設(shè)備造成疲勞損耗，甚至導(dǎo)致大軸斷裂，縮短其有效壽命。線路開關(guān)的同期合閘對(duì)于維持電網(wǎng)穩(wěn)定性，保證電站長(zhǎng)期健康的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。

發(fā)電機(jī)功角信息常用于電網(wǎng)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定狀態(tài)分析，尤其是在故障條件下的動(dòng)態(tài)安全分析，使調(diào)控人員可以實(shí)時(shí)地了解系統(tǒng)的安全穩(wěn)定程度，在必要時(shí)采取強(qiáng)制措施進(jìn)行預(yù)防控制，如切機(jī)、甩負(fù)荷、投電氣制動(dòng)等手段，以防止系統(tǒng)失穩(wěn)[1]。

1 線路同期合閘影響因素

電力系統(tǒng)中線路開關(guān)的同期合閘主要依據(jù)開關(guān)兩側(cè)的電壓相角、頻率和幅值三個(gè)要素的信息比對(duì)。以下主要從電力系統(tǒng)中現(xiàn)有的線路同期合閘兩種方式以及發(fā)電機(jī)功角狀況對(duì)輸電線路功率的影響兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1.1 線路同期方式

(1)準(zhǔn)同期方式。準(zhǔn)同期合閘：在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之前已投入勵(lì)磁，在滿足同期的前提下，合上發(fā)電機(jī)出口開關(guān)或者線路開關(guān)。滿足同期要求：

①待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓幅值與運(yùn)行系統(tǒng)電壓幅值相等；

②待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相序與運(yùn)行系統(tǒng)電壓相序一致；

③待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相位與運(yùn)行系統(tǒng)電壓相位相同；

④待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)頻率與運(yùn)行系統(tǒng)頻率一樣。

在實(shí)際運(yùn)行中，很難同時(shí)滿足同期并列的理想條件，事實(shí)上也沒有必要[2]。通常調(diào)度規(guī)程會(huì)對(duì)同期兩側(cè)的電壓幅值差、相位差和頻率差設(shè)置一套范圍合理的定值。

準(zhǔn)同期合閘的特點(diǎn)在于合閘瞬間定子電流接近于零。其優(yōu)點(diǎn)為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并列運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流小，不會(huì)造成系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，但其缺點(diǎn)在于同期時(shí)間長(zhǎng)。準(zhǔn)同期合閘又可分為自動(dòng)準(zhǔn)同期和手動(dòng)準(zhǔn)同期兩種。現(xiàn)有的大、中型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)以及送出線路開關(guān)多采用自動(dòng)準(zhǔn)同期方式進(jìn)行并網(wǎng)[3]。

(2)自同期方式。自同期合閘：在發(fā)電機(jī)升速至接近系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，直接將未加勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)，再給發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，在水輪機(jī)或者汽輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的作用下將發(fā)電機(jī)拉入同步。與準(zhǔn)同期剛好相反，雖然該同期方式并網(wǎng)速度快，不會(huì)有非同期合閘的風(fēng)險(xiǎn)，但是合閘瞬間會(huì)產(chǎn)生比較大的沖擊電流，對(duì)系統(tǒng)會(huì)造成電壓波動(dòng)。

1.2 線路功率與功角的關(guān)系

功角在空間上定義為發(fā)電機(jī)端電壓U和激磁電動(dòng)勢(shì)E0之間的相位差，在數(shù)值上功角δ也是發(fā)電機(jī)內(nèi)功率因數(shù)角Ψ0和功率因數(shù)角φ的差值，即隱極同步發(fā)電機(jī)功角相量圖(圖1)中的δ角。發(fā)電機(jī)有功功率或者無功功率與功角之間的關(guān)系定義為發(fā)電機(jī)功角特性。發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，其功角狀況的分析是判別電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。其功角特性方程為：

(1)

圖1 隱極同步發(fā)電機(jī)功角相量圖

由于發(fā)電機(jī)功率相對(duì)系統(tǒng)功率而言很小，為了便于分析，可將此類簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)視為單機(jī)無窮大[4]系統(tǒng)。該系統(tǒng)模型的特點(diǎn)為線路電抗遠(yuǎn)大于線路電阻，線路功角δ即為線路首末端電壓的相角差。隱極同步發(fā)電機(jī)的直軸電抗Xd及交軸電抗Xq滿足條件Xd=Xq，單機(jī)無窮大系統(tǒng)及其等值模型見圖2，相量圖見圖3。其中X∑=Xd+XT1+XL+XT2。

圖2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)及其等值模型

圖3 單機(jī)無窮大系統(tǒng)相量圖

根據(jù)圖3相量關(guān)系可知，單機(jī)無窮大系統(tǒng)有以下關(guān)系：

P=U1+jIX∑

(2)

線路首段電壓U1處的功率為：

PU1=U1Icos(δ+φ)

(3)

又由相量圖可知：

U1sinδ=IX∑cosφ

U1cosδ=U2+IX∑sinφ

即：

(4)

(5)

聯(lián)立公式3～5可得線路功率傳輸方程：

(6)

2 案例現(xiàn)象

某大型水電站共安裝有6臺(tái)立軸式水輪發(fā)電機(jī)組，采用發(fā)變組單元接線，單機(jī)額定出力為600 MW，總裝機(jī)出力為3 600 MW。其500 kV電氣一次設(shè)備由500 kV GIS、500 kV GIL及其附屬設(shè)備組成，主接線采用4/3接線方式，共3條送出線路，某水電站500 kV一次部分主接線見圖4。3/2接線方式的500 kV系統(tǒng)，同期點(diǎn)僅設(shè)置在邊開關(guān)，中開關(guān)不設(shè)同期點(diǎn)。4/3接線方式的500 kV系統(tǒng)同期點(diǎn)設(shè)置在所有500 kV開關(guān)處[5]。

圖4 某水電站500 kV一次部分主接線

該電廠共設(shè)18個(gè)同期并列點(diǎn)，包括12個(gè)500 kV斷路器同期并列點(diǎn)和6個(gè)發(fā)電機(jī)出口斷路器同期并列點(diǎn)。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一套發(fā)電機(jī)出口斷路器同期裝置，GIS每串開關(guān)共用一套同期裝置。同期裝置由數(shù)字式同期裝置、電壓/頻率/滑差表、同期檢查繼電器及相關(guān)操作把手組成。機(jī)組同期裝置具有測(cè)量、電壓匹配和頻率匹配、并列條件監(jiān)測(cè)、并列指令生成的功能，能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的自動(dòng)或手動(dòng)同期和并列。GIS同期裝置具有測(cè)量、同期條件監(jiān)測(cè)、合閘指令生成的功能，能實(shí)現(xiàn)GIS開關(guān)的自動(dòng)或手動(dòng)同期合閘。

適時(shí)為配合電網(wǎng)側(cè)相關(guān)改造工作，僅第1條送出線路運(yùn)行，第2條和第3條送出線路陪停。500 kV各串均合環(huán)運(yùn)行，全廠總有功2 360 MW。

第3條線路送電操作時(shí)，在監(jiān)控系統(tǒng)上方線路開關(guān)5042同期合閘命令后，線路開關(guān)5042未能正常合閘，隨即發(fā)令試合另一線路開關(guān)5043，5043開關(guān)仍未能合閘。現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)5042、5043開關(guān)未能正常合閘原因是同期裝置兩側(cè)采樣點(diǎn)相角差偏大，相角差值達(dá)到11.2°，大于同期裝置整定值10°。同期裝置兩側(cè)電壓相量數(shù)據(jù)見表1。

表1 電壓相量數(shù)據(jù)

3 案例分析

由于電廠功率相對(duì)系統(tǒng)功率而言很小，可將此時(shí)系統(tǒng)等效為單機(jī)無窮大系統(tǒng)。此時(shí)根據(jù)線路功率特性方程，線路有功P，與線路阻抗XΣ、線路兩端電壓U1、U2和相角差δ存在公式6所示關(guān)系，經(jīng)過變形可以得到公式7：

(7)

根據(jù)公式6可知，若要改變同期裝置兩側(cè)相角差值δ，可采取以下三種方式：

(1)調(diào)整500 kV母線電壓U1、U2。

(2)改變同期裝置兩側(cè)相角差定值。

(3)調(diào)整全廠總有功P。

根據(jù)以上分析，在案例的實(shí)際處理中有以下過程。

4 案例處理

4.1 調(diào)整500 kV母線電壓

由公式7可知，假設(shè)PXΣ為常數(shù)，線路功角δ與電站側(cè)母線電壓U1之間呈反相關(guān)，能通過提高500 kV母線電壓以縮小同期裝置兩側(cè)相角差。據(jù)此值班人員計(jì)劃采用增加全廠無功功率的方式來調(diào)整500 kV母線電壓。由于電站500 kV母線電壓控制范圍為532～541 kV，值班人員將500 kV母線電壓由537 kV增加至540 kV左右，現(xiàn)地檢查同期裝置兩側(cè)相角差幾乎沒有變化。因?yàn)殡妷嚎烧{(diào)節(jié)范圍較小，對(duì)線路功角影響也比較小，故該方法非最優(yōu)處置，將其排除。

4.2 修改同期裝置兩側(cè)相角差定值

由于5042、5043開關(guān)合閘不成功的直接原因是同期裝置兩側(cè)采樣點(diǎn)相角差高于定值，因此修改定值可以快速滿足5042、5043開關(guān)的同期合閘條件。通過查詢往年線路恢復(fù)送電時(shí)同期裝置兩側(cè)相角差值平均為1°～2°，當(dāng)前相角差值為11.2°，偏差較大。若僅通過修改定值進(jìn)行線路恢復(fù)，送電操作可能因?yàn)楹祥l沖擊電流過大，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作，且當(dāng)前僅有單回線路運(yùn)行，保護(hù)一旦誤動(dòng)，全站對(duì)外送出通道中斷風(fēng)險(xiǎn)驟增。因此修改同期裝置定值風(fēng)險(xiǎn)較高，該方法排除。

4.3 調(diào)整全廠有功出力

由公式7可知，假設(shè)U1、U2和XΣ為常數(shù)，線路功角δ與電站有功功率P之間呈正相關(guān)，能通過減少電站有功功率來縮小同期裝置兩側(cè)相角差。準(zhǔn)同期合上線路開關(guān)5042、5043前，全廠總有功為2 360 MW，同期裝置兩側(cè)相角差為11.2°。代入公式7進(jìn)行計(jì)算，可得到：

(8)

若需要將同期裝置兩側(cè)相角差值δ控制在10°以下，將控制目標(biāo)代入公式7，得到：

(9)

聯(lián)立公式8和公式9即得：

P=2 111.8 MW

綜上所述，線路開關(guān)5042、5043檢同期合閘的必要條件是全廠總有功不能超過2 111.8 MW。若再考慮調(diào)節(jié)裕度，值班人員申請(qǐng)調(diào)度同意將全廠總有功降低至1 760 MW。

通過手動(dòng)錄波的方式，采集有功調(diào)節(jié)過程中的同期裝置兩側(cè)的電壓數(shù)據(jù)，繪制得到同期裝置兩側(cè)相角差與全廠總有功的實(shí)時(shí)變化，見圖5。

圖5 同期裝置兩側(cè)相角差及全廠總有功的實(shí)時(shí)變化

通過圖5的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)全廠總有功下降至2 021 MW時(shí)，同期裝置兩側(cè)相角差已經(jīng)下降至9.39°，與理論計(jì)算值很接近。

5 結(jié) 語

經(jīng)過理論計(jì)算與實(shí)際論證，通過降低全廠總有功的方式可以減小同期裝置兩側(cè)相角差,從而使同期裝置滿足動(dòng)作條件，最終使線路開關(guān)自動(dòng)準(zhǔn)同期合閘成功。

為提高線路開關(guān)自動(dòng)準(zhǔn)同期合閘操作的成功率，可以對(duì)監(jiān)控操作系統(tǒng)以及線路合閘操作前的有功調(diào)節(jié)進(jìn)行以下優(yōu)化：同期裝置以及現(xiàn)地LCU應(yīng)具備計(jì)算開關(guān)兩側(cè)電壓相位差是否滿足同期合閘條件的功能，并能向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)遙信信號(hào)，以便值班人員能直觀地進(jìn)行操作判斷。當(dāng)電廠單條線路運(yùn)行且線路有功較大時(shí)，為防止其他線路開關(guān)同期合閘時(shí)沖擊電流過大影響系統(tǒng)安全，建議線路恢復(fù)送電前，結(jié)合線路功角與線路有功關(guān)系對(duì)全廠有功功率進(jìn)行核算。考慮到測(cè)量和計(jì)算誤差的影響，其他線路恢復(fù)送電前可申請(qǐng)調(diào)度將線路總有功降至目標(biāo)有功功率以下并留出一定裕度，可以為理論計(jì)算值的80%～90%。