黃信培

0 引言

發(fā)電機并網(wǎng)是通過斷路器的合閘，把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來，讓電能源源不斷地輸送出去。發(fā)電機并網(wǎng)是發(fā)電廠最頻繁的一項操作，并網(wǎng)是否快速、可靠直接影響到電廠的經(jīng)濟效益，同時影響電廠和電網(wǎng)的安全性。發(fā)電機并網(wǎng)有四個條件：發(fā)電機與系統(tǒng)的相序必須相同、發(fā)電機與系統(tǒng)的頻率應相等或在允許偏差的范圍內(nèi)、發(fā)電機與系統(tǒng)的電壓應相等或在允許偏差范圍內(nèi)、發(fā)電機與系統(tǒng)的電壓相位角應相等。其中相序相同是絕對條件，其他三個條件都是相對的，允許有一些偏差。如條件滿足即可操作發(fā)電機合閘并網(wǎng)，發(fā)電機不會受到或受到很小的電流沖擊，可以順利并入系統(tǒng)運行。如其中一個條件不滿足，操作發(fā)電機合閘并網(wǎng)屬于非同期并列，會引起很大的沖擊電流，嚴重的非同期并列可能使機組大軸扭曲及發(fā)電機的繞組變形、撕裂、絕緣損壞，甚至引發(fā)電網(wǎng)擴大事故。因此電力系統(tǒng)將發(fā)電機并網(wǎng)列為一項非常重要的任務。

發(fā)電機并網(wǎng)，目前普遍采用的是自動準同期方式。隨著微機技術的發(fā)展，自動準同期裝置（以下簡稱同期裝置）已基本取代模擬電路構成的電路同期裝置。同期裝置的測量精度高、運算速度快、參數(shù)整定方便、接線簡單，能夠選擇更合適的導前時間發(fā)出合閘脈沖，實現(xiàn)機組并網(wǎng)，以減少對機組和電網(wǎng)的沖擊，其準確性、可靠性及安全性得到了很大提高。同期裝置的可靠性雖然已有較大提高，但在日常使用過程中也會因為外圍接線、參數(shù)設定、調(diào)試不到位或其它方面原因造成并網(wǎng)失敗。本文針對三起水電廠機組并網(wǎng)失敗的處理過程、原因分析及改進措施進行詳細闡述。

1 故障分析

1.1 同期裝置參數(shù)設置不合理

在國家能源局頒布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中明確規(guī)定，新投產(chǎn)的同期回路（包括同期有關的交流電壓回路、直流控制回路、整步表、自動準同期裝置及同期把手等裝置）應進行全面的校核、傳動試驗，并進行機組假同期試驗［1］。

電廠改造的同期裝置為國內(nèi)廣泛應用的國立智能SID-2AS 同期裝置［2］，其充分考慮了發(fā)電機與系統(tǒng)的頻差以及斷路器固有合閘時間，通過不斷求解并網(wǎng)時微分方程獲取理想提前合閘角，同時不斷快速測量當前并列點斷路器兩側實際相角差，當理想提前合閘角和實際相角差兩者相等時裝置發(fā)出合閘指令，實現(xiàn)零角差并網(wǎng)［3］。新的同期裝置和同步表的參數(shù)設定正確和同期回路傳動試驗正常情況下，將機組開機至空載狀態(tài)，出口開關拉到“試驗”位置，在自動方式進行假同期試驗，從監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)機組的并網(wǎng)指令，現(xiàn)場觀察同期裝置和同步表均已啟動工作，同期裝置所顯示機組和系統(tǒng)的電壓和頻率，所檢測的壓差和頻差在允許范圍以內(nèi)，同期條件已滿足，同期裝置的合閘指示燈點亮，但出口開關沒有動作合閘，一定時間后監(jiān)控系統(tǒng)顯示“同期合閘失敗”“同期并網(wǎng)流程退出”，進而發(fā)電機并網(wǎng)失敗。

某電廠自動同期合閘原理如圖1 所示，其控制流程為在自動方式下，監(jiān)控上位機（或現(xiàn)地單元）發(fā)出并網(wǎng)指令，啟動選線繼電器動作，同時給同期裝置和同步表上電，5s 后啟動同期命令，同期裝置對機端和系統(tǒng)的電壓、頻率及相位角進行檢測，在滿足同期條件下發(fā)出合閘命令，驅動合閘繼電器HJ 動作，如同步表也在滿足條件下驅動繼電器ZDBS 動作，兩個繼電器ZDBS、HJ的常開觸點和自動方式繼電器25AX 的位置觸點串聯(lián)后去驅動繼電器25CX 執(zhí)行動作，由25CX常開觸點啟動出口開關的合閘。

同步表集同步電壓表和同期閉鎖繼電器于一體，用于手動同期相位角指示、手動同期和自動同期閉鎖功能，可設置允許范圍內(nèi)的壓差、頻差和閉鎖角［4］。當壓差、頻差或閉鎖角超過允許值時，閉鎖繼電器自動閉鎖合閘回路。同期裝置能夠自動檢測電網(wǎng)和發(fā)電機的壓差、頻差和相位角差，并對發(fā)電機的頻率及電壓進行調(diào)節(jié)，設置允許壓差、頻差、角度及開關合閘時間等參數(shù)，確保在差頻并網(wǎng)時捕捉到第一次出現(xiàn)的零相角差瞬間，進行無沖擊合閘并網(wǎng)?？梢娡谘b置和同步表在壓差、頻差和相位同時滿足的條件下，控制回路才可以正式啟動出口開關合閘，即同期“雙保險”，從技術上可以防止非同期合閘。但也要求同期裝置與同步表間配合默契，否則當出現(xiàn)一個條件滿足另一個條件不滿足時，造成自動同期失敗，這種情況時有發(fā)生。

針對所出現(xiàn)的故障現(xiàn)象并結合同期的靜態(tài)試驗情況進行綜合性分析并查找故障原因，電壓信號輸入、開關量輸入、同步表同期點選線點以及開關合閘回路等接線均正確，只要壓差、頻差和閉鎖角條件滿足，同步表對合閘回路的閉鎖也會解除。實際上同期裝置條件已滿足，同步表很可能沒有解除閉鎖，可能是同步表對實際引入動態(tài)電壓信號與模擬加入靜態(tài)電壓信號檢測有不同的結果。再檢查同步表與同期裝置的參數(shù)設置，兩者的允許壓差、允許頻差均相同，分別為±5%和±0.25Hz，同期裝置的導前時間Tq 為200ms、合閘脈沖時間Td 為60ms，同步表閉鎖角=1.5°，很可能是由于同期裝置在判斷電壓信號過零點前200ms 就發(fā)合閘脈沖，但在合閘脈沖終止時，電壓相位角差Δ 尚未等于或小于閉鎖角，因此閉鎖未解除，并網(wǎng)就失敗。下面通過計算分析機端電壓和系統(tǒng)電壓在轉角度差的速度下在導前時間內(nèi)所旋轉的角度與閉鎖角的匹配是否合理：

1）已知發(fā)電機額定轉速ne=375（r/min）、額定轉速fn=50Hz，電網(wǎng)頻率fs=50Hz；Td=60ms。

2）并網(wǎng)前，因調(diào)速器的機頻是跟蹤網(wǎng)頻方式而進行頻率調(diào)節(jié)，其轉速死區(qū)為0.5%，設并網(wǎng)前機組運行于轉速死區(qū)邊緣，假設fg=50+（50×0.5%）=50.25Hz；機頻與網(wǎng)頻轉速差為Δ 。Δ=｛［ne×（fg-fs）/fn］×360｝/60=｛［375×（50.25-50）/50］×360｝/60=11.25（°/s）。

3）同期裝置發(fā)出脈沖寬度所轉過角度：d=Δ ×Td=11.25×60/1000=0.675（°）。

4）導前時間所啟動同期合閘的角度：q=Δ ×Tq=11.25×200/1000=2.25（°）。

5）脈沖終止時刻到過零點的電壓相角度差：Δ=q-d=2.25-0.675=1.575（°）。

可見：Δ ＞=1.5 度，說明同步表的閉鎖尚未解除，同期裝置已終止脈沖了，因此確定并網(wǎng)失敗的原因。

1.2 并網(wǎng)流程時間偏短

運行人員在監(jiān)控系統(tǒng)上位機向同期裝置發(fā)出并網(wǎng)合閘指令瞬間，如果剛好錯過機端與電網(wǎng)的電壓從正向負方向的過零點并網(wǎng)最佳時機，同期裝置就要等待下次機端與電網(wǎng)的電壓該時間點的出現(xiàn)。因此，最佳并網(wǎng)點重復出現(xiàn)間隔，應該是監(jiān)控系統(tǒng)同期并網(wǎng)流程中時間設定的主要參考依據(jù)，如果并網(wǎng)流程時間設置偏短會造成并網(wǎng)失敗。因為目前大多數(shù)電廠采用的勵磁與調(diào)速系統(tǒng)均有系統(tǒng)電壓跟蹤與系統(tǒng)頻率跟蹤功能，只要勵磁與調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)試時把系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)頻率校準，機端電壓及頻率在并網(wǎng)前的幅值就基本與電網(wǎng)一致，不使用同期裝置的調(diào)壓與調(diào)頻功能，因此同期裝置只能等待在過零點出現(xiàn)前發(fā)合閘命令。以某水電廠發(fā)電機為例分析最佳并網(wǎng)點重復出現(xiàn)的時間間隔T：

1）已知發(fā)電機額定轉速ne=93.8（r/min）、額定轉速fn=50Hz，設電網(wǎng)頻率fs=50Hz；調(diào)速器的轉速死區(qū)為0.5%。

2）設并網(wǎng)前機組運行于轉速死區(qū)邊緣，機頻fg=50+（50×0.5%）=50.25Hz，機頻與網(wǎng)頻轉速差為Δ，Δ=｛［ne×（fg-fs）/fn］×360｝/60=｛［93.8×（50.25-50）/50］×360｝/60=2.81（°/s）。

3）假設機端電壓與系統(tǒng)電壓從正向負方向的過零點在定子繞組的正X 方向軸上相遇，那么在空間位置上也是經(jīng)過=360°再次在正X 方向軸上相遇。所以T=/Δ=360/2.81=128（s）。

通過以上計算分析，該發(fā)電機最佳并網(wǎng)點理論重復出現(xiàn)的時間間隔為128s，因此監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出同期并網(wǎng)指令流程時間設置必須長于128s，否則會出現(xiàn)并網(wǎng)失敗。

1.3 失磁保護的誤動作

發(fā)電機失磁保護是指發(fā)電機的勵磁突然消失或部分消失，當發(fā)電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零，發(fā)電機保護裝置動作于發(fā)電機出口斷路器，使發(fā)電機脫離電力系統(tǒng)，防止發(fā)電機損壞和保護電網(wǎng)穩(wěn)定運行而采取的主設備繼電保護［5］。從理論分析上看，似乎發(fā)電機失磁保護與發(fā)電機并網(wǎng)失敗并無關聯(lián)，然而某水電廠發(fā)生過一起真實的案例。

電廠在機組檢修結束后進行開機試驗，機組自動開機到空轉、空載狀態(tài)時均正常，機組假同期并網(wǎng)也正常，開機流程來到機組正式并網(wǎng)節(jié)點上。運行人員按常規(guī)開機流程進行操作，先將機組開到空載狀態(tài)，在各方面并網(wǎng)條件都具備的情況下，下達機組自動準同期方式的并網(wǎng)命令，同期裝置從啟動、檢測和發(fā)出合閘命令均正常，然而在出口開關完成合閘后又立即分閘，機組不但并網(wǎng)未成功還出現(xiàn)事故停機。

查看監(jiān)控系統(tǒng)歷史記錄，簡報先出現(xiàn)“出口開關合閘”，緊接著出現(xiàn)“發(fā)電機失磁保護”動作、“出口開關分閘”動作、“滅磁開關分閘”動作、“機組停機”等信息。保護裝置上有“失磁保護”動作出口分閘信息。

通過對故障現(xiàn)象和故障信息進行分析，證明開關自動準同期方式合閘成功，而立即分閘且事故停機的原因，易誤判為并網(wǎng)失敗。在機組正式并網(wǎng)前，已完成了開關假同期并網(wǎng)試驗，可以判斷勵磁系統(tǒng)建壓和調(diào)速器調(diào)節(jié)轉速均正常，且機端和系統(tǒng)的壓差、頻差及相位角差也滿足同期裝置和同步表的要求，出口開關的機械性能也正常。判斷是否為非同期并網(wǎng)，上述同期裝置判斷機端和系統(tǒng)的壓差、頻差及相位角差表面上滿足要求，如果是同期裝置和同步表檢測有誤，從其靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)看其檢測正常，最關鍵是保護裝置的“失磁保護”動作，不是因非同期合閘產(chǎn)生很大沖擊電流而會引起過流、速斷或負序等，因此排除了非同期并網(wǎng)合閘。機組保護裝置檢驗記錄、保護定值和相關出口壓板也是故障原因檢查和分析對象，經(jīng)檢查保護裝置在機組檢修期間也進行過全面校驗，失磁保護定值設置及校驗正確。又因該電廠沒有發(fā)電機故障錄波裝置，所以無法判斷開關跳閘前后的機端電壓、定子電流、轉子電壓和系統(tǒng)電壓的波形變化情況。

從檢查和分析看，與并網(wǎng)有關聯(lián)的設備及參數(shù)均無異常。因此再次開機建壓至空載狀態(tài)，檢查機組的電壓、頻率和轉子電壓、電流正常，保護裝置的機端電壓、轉子電壓測量值正常，再度進行開關假同期試驗，合閘也正常。經(jīng)分析判斷“失磁保護”誤動可能性很大，因此在并網(wǎng)前先將保護裝置的“失磁保護”功能壓板退出，再從監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出同期并網(wǎng)指令，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)同期裝置從啟動、檢測、發(fā)出合閘命令和開關合閘等并網(wǎng)流程正常運轉至結束，機組并網(wǎng)后調(diào)節(jié)有功、無功負荷均正常。后經(jīng)保護裝置生產(chǎn)廠家檢測確認，失磁保護功能硬件回路有元器件老化引起誤動出口，可見這是一起保護裝置誤動引起并網(wǎng)失敗案例。

2 改造措施

發(fā)電機并網(wǎng)失敗涉及到多方面的原因，除從發(fā)電機并網(wǎng)的四個條件進行分析和查找外，還應從同期裝置和同步表的參數(shù)設置、同期合閘流程、同期合閘回路及相關的保護裝置進行分析和查找。上述所列舉三起并網(wǎng)失敗是發(fā)電機并網(wǎng)四個條件以外的原因引起的，其改造措施如下：

1）發(fā)電機勵磁系統(tǒng)應具有系統(tǒng)電壓跟蹤功能，在機組并網(wǎng)時應處于“投入”狀態(tài)，勵磁系統(tǒng)采集的機端電壓和系統(tǒng)電壓應進行校準，保證待并的發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓保持基本一致，防止出現(xiàn)發(fā)電機與系統(tǒng)兩側電壓偏差大于同期裝置設定值，導致并網(wǎng)失敗。

2）水輪機組調(diào)速系統(tǒng)應具有系統(tǒng)頻率跟蹤功能，在機組并網(wǎng)時應處于“投入”狀態(tài)，調(diào)速器系統(tǒng)采集的機組頻率和系統(tǒng)頻率應進行校準，調(diào)速的轉速死區(qū)滿足要求，不能為零值也不能過大，保證待并機組頻率與系統(tǒng)頻率的偏差在規(guī)定范圍以內(nèi)，防止出現(xiàn)發(fā)電機與系統(tǒng)兩側頻率偏差為零或大于同期裝置設定值導致并網(wǎng)失敗。

3）設置合理的同期參數(shù)，同期裝置的參數(shù)包括壓差、頻差、相角差和導前時間，為了避免出現(xiàn)因同期裝置和同步表參數(shù)設置不合理導致并網(wǎng)失敗，除了壓差、頻差、相角差應充分考慮同期裝置的導前時間Tq 及脈沖發(fā)出寬度時限Td 與同步表閉鎖角度配合，使同期裝置在發(fā)出合閘脈沖期間，同步表的閉鎖應處于放開狀態(tài)。如同期裝置設定的導前時間Tq 及脈沖發(fā)出寬度時限Td 所確定的導前角度為2.25°，那么同步表的閉鎖角度設定應大于2.25°，就能保證不會因為該參數(shù)設置不合理導致并網(wǎng)失敗。

4）監(jiān)控系統(tǒng)的并網(wǎng)流程是機組并網(wǎng)成功的關鍵因素，并網(wǎng)流程應充分考慮同期裝置和同步表通電后自檢所需的時間，還有開關從分閘到合閘所需的時間，特別是發(fā)出同期并網(wǎng)指令流程時間設置，應大于發(fā)電機最佳并網(wǎng)點理論重復出現(xiàn)的時間間隔，否則會出現(xiàn)并網(wǎng)失敗。

3 結語

現(xiàn)代社會不斷發(fā)展，機組和電網(wǎng)的容量隨之發(fā)展壯大，電網(wǎng)看似越大越安全可靠，但其復雜程度和不可預知的安全隱患也在隨之增大，突發(fā)事故可能會造成電網(wǎng)大面積停電。因此電網(wǎng)容量增大反而對機組入網(wǎng)的可靠性和安全性要求更高，特別是大機組和負責電網(wǎng)黑啟動的任務機組，不允許有非同期并網(wǎng)或并網(wǎng)失敗的現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著微機技術的發(fā)展，自動準同期裝置的測量精度、可靠性和安全性越來越高，機組并網(wǎng)看似變得容易和簡單，但參數(shù)設置不合理也會造成并網(wǎng)失敗甚至非同期并網(wǎng)，技術人員檢修維護水平跟不上新技術需求，故障分析、處理方法不合理，也會耽誤并網(wǎng)失敗的處理，從而影響電廠的經(jīng)濟效益和電網(wǎng)安全性。本文三例水電廠并網(wǎng)失敗的原因分析及處理案例，為其他電廠處理類似問題提供了參考，具有實際的參考價值。