摘 要：當(dāng)并網(wǎng)的同步發(fā)電機需要根據(jù)指令或由于系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要停機時，控制器向斷路器發(fā)出分閘指令，斷路器斷開，使同步發(fā)電機與電網(wǎng)隔離。但當(dāng)控制器、斷路器或連接斷路器的保護元件出現(xiàn)失效時，則會出現(xiàn)分閘失敗故障。如發(fā)動機停止點火，此時發(fā)電機將被電網(wǎng)拖住，由發(fā)電狀態(tài)直接轉(zhuǎn)換為電動狀態(tài)，拖動發(fā)動機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，造成重大的設(shè)備損壞，釀成安全事故。因此，本文對傳統(tǒng)的發(fā)電機分閘方法進行系統(tǒng)優(yōu)化改進，并提出了一種安全可靠性更高的分閘控制保護系統(tǒng)，實現(xiàn)同步發(fā)電機的可靠分閘。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機；分閘失敗；分閘保護

隨著分布式能源的不斷發(fā)展，采用同步發(fā)電機的小型電站得到了廣泛的應(yīng)用。該類小型電站多采用無人值守的自動運行方式，發(fā)電機的準(zhǔn)同期，運行控制、保護等均通過系統(tǒng)控制器進行自動控制。當(dāng)計劃性停機或因故障造成非計劃停機時，如果因保護回路、斷路器、控制器等故障失效而不能正常分閘，將導(dǎo)致發(fā)電機被電網(wǎng)拖住，無法與電網(wǎng)解列，造成分閘失敗[1]。發(fā)電機在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性下，發(fā)電機將從電網(wǎng)吸收功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C，拖動發(fā)動機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。因電路主回路系統(tǒng)無瞬間短路、過流故障，斷路器不會自動脫扣跳閘。

在該故障模式下，如果無外力介入，系統(tǒng)將無法停止，一直旋轉(zhuǎn)下去。機器長時間非正常運行，因散熱不良，機體溫度逐漸升高，造成機油、防凍液高溫噴出，旋轉(zhuǎn)部件將缺乏保護將造成嚴(yán)重?fù)p壞。機體附著線束軟化，變形，嚴(yán)重將導(dǎo)致著火，甚至造成嚴(yán)重的安全事故和人身傷害。

因此，研究安全可靠的同步發(fā)電機分閘保護系統(tǒng)有著重要的理論價值和實際意義。

1 簡單分閘保護系統(tǒng)工作原理

同步發(fā)電機與電網(wǎng)連接點采用帶電動分合閘的斷路器。發(fā)電機啟動運行后，控制器實時采集斷路器兩端的電壓、頻率，在滿足同步發(fā)電機同期條件后，控制器發(fā)出合閘信號，合閘繼電器得電，驅(qū)動斷路器閉合。同步發(fā)電機被接入至電網(wǎng)中，開始工作。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時（如發(fā)電機油壓低、發(fā)動機水溫高或發(fā)電機過流時）或接收到外部要求的停機指令后，控制器發(fā)出分閘信號，分閘繼電器得電。驅(qū)動斷路器斷開，以實現(xiàn)同步發(fā)電機與電網(wǎng)的隔離。

斷路器的電動操作電源一般通過熔斷器或斷路器進行保護。

這種結(jié)構(gòu)的分閘保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，但存在著安全性和可靠性較差的問題，當(dāng)保護元件或控制器、斷路器任何一個部件出現(xiàn)問題，系統(tǒng)將無法正常進行分閘操作，導(dǎo)致發(fā)電機進入倒拖[2]，變成電動機，不斷從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，造成發(fā)電機的損壞和電網(wǎng)的安全事故。

2 改進的分閘保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于簡單分閘保護系統(tǒng)可靠性較差的弊端，對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，在原有的分閘保護系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加冗余保護裝置，增強其工作的安全性和可靠性。改進的分閘保護系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，在主回路上增加一臺帶分勵脫扣的冗余斷路器QF2，其作用在于當(dāng)斷路器QF1無法分?jǐn)鄷r，由QF2完成分?jǐn)喔綦x功能。

在控制箱內(nèi)增加一臺逆功率保護器[2]，逆功率保護器控制輸出中間繼電器KA4，當(dāng)系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收有功功率時，逆功率保護器動作，驅(qū)動KA4得電。

與常規(guī)系統(tǒng)相同，發(fā)電機控制器輸出中間繼電器KA1，用于發(fā)電機同期時的合閘控制。

與常規(guī)系統(tǒng)相同，發(fā)電機控制器輸出中間繼電器KA2，用于發(fā)電機同期時的分閘控制。

在發(fā)電機控制器上增加一個中間繼電器KA3，其作用為控制器發(fā)出分閘指令，但未收到在QF1分閘信號，控制器輸出分閘失敗信號，驅(qū)動中間繼電器KA3得電。

KA4的輔助觸點與繼電器KA3的觸點并聯(lián)，用于控制冗余斷路器QF2的分勵線圈，當(dāng)KA4或KA3得電時，QF2將斷開。

3 改進的分閘保護系統(tǒng)工作流程

改進的同步發(fā)電機分閘保護系統(tǒng)在正常工作時，控制系統(tǒng)實時采集發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流和頻率進行處理運算，判斷并網(wǎng)系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障需要斷開時或接收到外部停機指令后，系統(tǒng)發(fā)出分閘指令，進行同步發(fā)電機分閘操作。若系統(tǒng)控制器和斷路器均正常工作，則主斷路器QF1正常斷開，實現(xiàn)系統(tǒng)分閘。

若系統(tǒng)控制器正常工作，而斷路器由于本身故障或其控制電源側(cè)的熔斷器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致主斷路器QF1不能正常斷開。此時，控制器控制分閘失敗繼電器KA3得電，使冗余斷路器QF2斷開，完成系統(tǒng)分閘。若控制器不能正常工作，此時系統(tǒng)處于失控狀態(tài)，控制器無法輸出分閘繼電器或分閘失敗繼電器，主斷路器QF1無法正常斷開。此時，發(fā)電機從電網(wǎng)側(cè)吸收功率，當(dāng)吸收功率達到逆功率保護器設(shè)置的閥值并達到延時時間時，逆功率保護器工作，使繼電器KA4得電，冗余斷路器QF2斷開，實現(xiàn)同步發(fā)電機的分閘操作。

因此，在原有的同步發(fā)電機分閘保護系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加逆功率保護器和冗余斷路器可以在系統(tǒng)出現(xiàn)控制器失靈或斷路器拒動的情況下完成分閘操作。這種電氣結(jié)構(gòu)和控制方法提高了分閘保護系統(tǒng)的安全性和可靠性，也增大了系統(tǒng)的冗余性和容錯率。

4 具體實施案例

本單位開發(fā)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，發(fā)電機組控制器采用深海8620控制器，在實際使用中，因保護斷路器跳閘，導(dǎo)致發(fā)電機控制器失電，無法工作，致使發(fā)動機停止運行，因控制器失效，未發(fā)出分閘指令，導(dǎo)致發(fā)電機未及時與電網(wǎng)脫開，造成了機組長達4個多小時逆功率運行。造成機組防凍劑和機油噴出，所有的旋轉(zhuǎn)部件均嚴(yán)重磨損，缸體變形，給企業(yè)重大經(jīng)濟損失，該事故差點釀成火災(zāi)。

我們將改進的同步發(fā)電機分閘保護系統(tǒng)應(yīng)用于150kw熱電聯(lián)產(chǎn)機組中，主斷路器采用帶電動操作機構(gòu)的塑殼斷路器，冗余斷路器采用帶分勵脫扣的普通斷路器。機組正常由發(fā)電機控制器來控制自動啟動、同期、運行和停止。在機組控制器失效時，由冗余保護系統(tǒng)提供保護。

采用改進后的發(fā)電機分閘保護系統(tǒng)后，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后快速進行分閘操作。目前，采用該分閘保護系統(tǒng)已平穩(wěn)運行數(shù)千小時，現(xiàn)已通過審批該項專利[3]。

5 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)的同步發(fā)電機分閘保護系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，在發(fā)電機側(cè)增加逆功率保護器，在電網(wǎng)側(cè)增加冗余斷路器，使分閘保護系統(tǒng)能在控制器失靈或主斷路器拒動的情況下，能夠正常完成分閘操作。通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進和控制方法的優(yōu)化，分別在理論上和實際工程中驗證了改進后分閘保護系統(tǒng)的可行性和正確性。

參考文獻

[1]陳亦平，洪軍.巴西“11.10”大停電原因分析及對我國南方電網(wǎng)的啟示[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（5）：77-82.

[2]楊益平，錢敏.淺談膨脹機異步發(fā)電機的逆功率保護[J].電氣傳動自動化，2016，38（2）：58-60.

[3]武海濱，楊向陽，李文樂，等.一種同步發(fā)電機離網(wǎng)時分閘失敗保護系統(tǒng)[P].中國專利：CN201721239270.3，2018-06-05.