一起大型水電機組非同期并網事件分析及防范措施

劉松林，張 鵬

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 事件概述

2017年11月9日，某大型水電站3號機組在并網時發生非同期合閘，機組并網時發生劇烈振動，發出“嗡嗡”聲，故障錄波顯示有功沖擊最高到達770 MW，之后被電網拖入同步運行。

2 故障檢查

2.1 同期裝置檢查

3號機組的自動準同期采用的是ABB公司生產的SYN5202同期裝置。SYN5202型數字式同期裝置中包括兩個由不同硬件與軟件組成的相互獨立的通道，這種雙通道特性進一步提高了同期裝置的安全性，能最大程度地防止非同期合閘。當現地控制單元發出合閘命令時，SYN5202會自動尋找最佳合閘時間，發出合閘令；該裝置提供同期合同及無壓合閘兩種合閘方式，3號機組不含有GCB，應當使用同期合閘功能。在同期裝置并列邏輯中有相互獨立的2個通道[1]（通道1和通道2），只有當雙通道同時滿足并列條件時，同期裝置才能發合閘令（圖1所示）。

圖1 同期裝置的雙通道檢驗

正常發電并網時，按同期接線方式，通道1比較AB相之間電壓，通道2比較CA相之間電壓，2個通道須同時滿足同期合閘條件或無壓合閘條件才會發令合閘并網。

2.2 同期合閘條件

在同期合閘并列條件監測時，若發現下列條件同時滿足，則發出并列指令[2]：

·相角差在公差范圍內；

·轉差率在公差范圍內；

·電壓差在公差范圍內；

·電壓不低于設定的最小電壓；

·電壓不高于設定的最大電壓；

·設備處于操作狀態（正在運行）;

·額定頻移≤5 Hz。

2.3 無壓合閘條件

無電壓線路并列是并列條件監測的一個特例。只有當測量邏輯滿足，外部釋放信號被接入，才會發出并列指令。若兩條無電壓線路的電壓都在下面某個許用范圍之內，則認為滿足測量邏輯。這些許用范圍共3個，分別由“Ulnot”、“U2not”以及“1*2not”等3個參數進行定義，用于表示其中1個測量電壓、另外1個測量電壓和2個測量電壓的許用值[1]。

現場檢查3號機組的同期裝置參數設置與設備定值一致。檢查3號機組同期測量回路和PT相序，也和設計圖紙一致。

檢查同期裝置的同期電壓波形如圖2所示。

圖2 同期裝置記錄的滑差電壓波形

圖2顯示同期裝置發合閘令瞬間△U=-4%，α=2.1°，s=-0.14%，結合表1可知滿足自動同期裝置整定值要求。

2.4 故障錄波檢查

故障錄波系統顯示合閘時三相電壓的幅值、相序均滿足定值要求，合閘時機端側電壓相角超前系統側電壓約90°。由于主變繞組為Y/D-11接法，正常同期合閘的情況下機端側電壓應超前系統側電壓30°[3]。此次非同期合閘的瞬間，實際上造成沖擊的電壓角度差為60°。故此次的非同期合閘的沖擊由相角差造成。

2.5 同期回路檢查

如圖3所示，檢查發現同期裝置取得的機端電壓來自CCB匯控柜內的PT空氣開關F34故障 。機端電壓PT空開故障導致同期裝置取得的三相機端電壓從Ua、Ub、Uc變成了Ua、Uc、Ua。

圖3 送同期裝置用機端PT回路圖

3 故障分析

同期回路中的機端PT空開故障，導致同期裝置機端三相電壓接入了Ua、Uc、Ua。同期裝置引入錯誤的機端三相電壓后，通道1機端電壓與系統電壓比較的是Uac與UAB，通道2電壓比較的是0與UCA。現對通道1比較的兩側電壓Uac與UAB作相量分析如圖4所示。

圖4 非同期合閘時的線電壓相量圖

從圖4可以看到，當Uac超前UAB角度為30°時，同期裝置的通道1判斷符合同期并列條件，此時Uac超前UAC角度為90°，符合事故發生時的情況。

用繼電保護儀模擬此次非同期并網情況如表1所示。該條件下通道1滿足同期合閘條件時，通道2比較的系統電壓為UCA，機端電壓Uca為0 。

表1 同期試驗故障模擬時比較的電壓

在圖5的同期裝置無壓合閘功能邏輯圖中，箭頭所指“釋放信號（Release +）”意為無壓合閘功能使能。在“釋放信號”為1時，雙通道將進行無壓合閘的條件判斷。在“釋放信號”為0時，雙通道無壓合閘功能被閉鎖，當一端無壓或兩端無壓時，同期裝置無法進行合閘。

圖5 同期裝置無壓合閘邏輯圖

在圖6所示的同期裝置回路中，同期裝置的釋放信號（Release +）接線端子為X7：5，接入了來自CCB匯控柜的PT斷線閉鎖回路。并網時，系統側PT與機端側PT的空開節點均為閉合狀態，X7：5端子有24 V電壓，導致圖5中的“釋放信號”為1。又因為Uca為0使得U1not滿足條件，此時通道2將進行無壓合閘。

圖6 同期裝置回路圖

在表1模擬的試驗中，同期裝置能在非同期點合閘。通道1中的Uac與UAB按同期合條件判斷滿足時，此時通道2中由于無壓合閘使能（“釋放信號Release +”）為1，并且機端電壓為0，通道2滿足無壓合閘并列條件。此時僅由通道1比較兩側電壓Uac與UAB，故發生非同期合閘時兩側線電壓相角差為90°。

綜上所述，由于同期回路中機端PT空開發生故障，使同期裝置取得錯誤的機端電壓。并且同期回路中無壓合的釋放信號一直存在使得通道2滿足，導致了本次非同期合閘事件發生。

4 防范措施

為防止同期回路中的機端電壓空開故障導致同期裝置的PT信號有誤，故對該空開進行了更換，并緊固回路中的端子。

因3號機組是非GCB機組，不存在無壓合閘的方式，為避免該故障復現導致通道2進行無壓合閘，應將同期裝置的無壓合功能閉鎖，使雙通道均進行同期合閘的條件判斷。為了取消無壓合閘使能信號，在圖6中取消“釋放信號Release +”的相關回路。根據圖7所示，該“釋放信號（Release +）”對應同期裝置上的端子X7:5，接至對側CCB匯控柜的PT斷線閉鎖回路。故解開X7:5與X7：6的接線，即取消無壓合使能。

圖7 同期裝置X7端子排

由于同期裝置記錄的滑差電壓波形只能顯示通道1比較的電壓情況，并不能顯示實際的電壓相序[4]。故在假同期實驗時，應調取機端電壓與系統電壓的故障錄波波形，檢查合格后方可進行并網[5]。

執行上述防范措施后，3號機組至今再未出現非同期合閘事件。

5 結語

同期并列是機組發電并網中重要的環節，非同期并列產生的沖擊電流會產生電動力，嚴重時會損壞定子線棒,造成嚴重的經濟損失。本次3號機組因機端PT空開故障，導致同期裝置機端電壓選取錯誤，同期裝置誤發合閘令。運維人員在事件發生后通過現場檢查、分析，找到原因并提出了防范措施。元器件的故障雖無法避免，但能通過優化同期回路來防范類似故障發生。另外在機組的假同期試驗中，運維人員也要嚴格按照規程進行試驗，檢查同期定值、二次回路和電壓波形，杜絕非同期并列事件發生。