抽水蓄能機組背靠背啟動中跳閘技術改造方案

常永亮，張兵海，王 勇，何忠華

（1.河北省電力研究院，河北 石家莊 050021；2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 井陘 050300）

0 引言

水泵工況啟動是可逆式抽水蓄能機組重要的工況轉換過程，而背靠背啟動方式是抽水蓄能機組水泵啟動的重要啟動方式之一，該方式涉及拖動設備的選擇、拖動機組和被拖動機組的流程控制、勵磁、調速器以及保護配合等相關設備的聯合控制，是一個復雜的機電協調控制過程，背靠背啟動成功與否直接關系到抽水蓄能機組和電網的安全穩定運行。

目前，在國內多個抽水蓄能電站調試階段，發生過抽水蓄能機組在背靠背啟動過程中，由于拖動機組和被拖動機組勵磁切除配合問題而導致的事故，有的引起繼電保護裝置誤動作導致背靠背啟動失敗，有的嚴重時燒毀電氣設備，所以在背靠背啟動過程要采取必要的預防措施，以避免發生類似事件而影響主設備的正常運行。

1 背靠背啟動介紹

1.1 背靠背啟動流程

背靠背啟動過程中，拖動機組及被拖動機組通過啟動母線形成的電氣軸傳遞拖動力矩。背靠背啟動的主要步驟如下：

（1）建立一次設備的連接。拖動機組拉開中性點刀閘，合上拖動刀閘，合上機組出口開關；被拖動機組將換相刀閘合向抽水方向，合上被拖動刀閘。

（2）投入拖動機組和被拖動機組的勵磁。建立電氣軸并維持恒定勵磁電流。

（3）根據設定開度打開拖動機組導葉。當導葉達到一定開度能夠克服水輪機啟動的阻力矩時，拖動機組開始緩慢啟動。由于兩機組間預先通入勵磁電流，拖動機組必然會產生感應電動勢，使定子上產生的低頻電流通過啟動母線流向被拖動機組定子。被拖動機組在勵磁作用下產生拖動轉矩，當拖動轉矩大于啟動阻力矩時，被拖動機組開始轉動。

（4）被拖動機組同期裝置啟動。根據被拖動機組與電網的頻差和壓差，通過調節拖動機組調速器和勵磁裝置，滿足同期條件后發出被拖動機組開關合閘命令，同時發出拖動機組開關分閘命令，解除拖動電氣軸。

（5）被拖動機組根據設定至抽水調相或抽水工況運行。

（6）拖動機組根據設定至停機或發電工況運行。

1.2 監控跳機流程

監控流程是有許多子程序組成的，由兩個總調用程序實時統一管理調用：其中，一個總調用程序使機組實時根據不同命令選擇相應的子程序，從而在相應的工況之間進行正常轉換；另一個總調用程序使機組實時根據不同的跳機條件選擇相應的跳機子程序，來實現不同的跳機功能。注意只要機組得電投入備用，這兩個總程序就實時地對子程序進行管理調用。

工況轉換可以分解成若干步驟，且每一步都有定義許可的時間。在自動模式下，在許可時間內必須完成每一步定義對轉換設備操作并收到相應的反饋狀態信號；否則，機組工況轉換失敗，啟動停機程序，若停機過程轉換時間過長，將啟動跳機程序。

1.3 背靠背方式故障情況下的跳機

以國內某抽水蓄能電站為例。上述信號傳輸的方法是技術改造前，在監控系統中設置公共就地控制單元 （LCU），由其進行機組的狀態判斷和跳閘信號的關聯發送，這可配合各機組順序控制流程。其優點是減少了機組二次接線，便于功能組態和修改；缺點是計算機運算和信號傳輸間存在的時延可能導致動作異常，嚴重時會導致損毀設備事故的發生。

本文提出的技術改造方案是，機組狀態的判斷取自計算機監控系統，但其信號的傳輸獨立于計算機監控系統，設置硬布線回路，在機組背靠背拖動過程中形成拖動和被拖動機組的關聯跳閘回路，各機組的繼電保護動作后引出跳相關機組的信號，通過上述硬布線回路直接跳拖動機組和被拖動機組。其優點是動作迅速，缺點是增加了接線和維護量。

2 技術改造方案

2.1 技術改造必要性

背靠背啟動升速過程中，由于被拖動機組的原因造成啟動失敗，被拖動和拖動機組需分別執行緊急停機流程，此時要保證拖動機組和被拖動機組的勵磁切除時間的配合。假如被拖動機組的勵磁先切除，拖動機組勵磁后切除，在這段配合時間內，被拖動機組將處于失磁狀態，由于該機組的電樞反應消除，電磁制動力矩也將消失，其電機定子繞組阻抗將呈現非常低的狀態，拖動機組的定子三相電流在被拖動機組定子中三相短路，會在啟動回路產生大的短路電流。該電流遠大于啟動回路額定電流，會引起主變大差動保護動作，嚴重時將燒毀啟動回路相關設備。例如，國內某大型抽水蓄能電站調試階段，背靠背拖動時曾發生過損毀電氣設備的情況，事故后查看故障錄波儀得知，其跳開拖動機和被拖動機滅磁開關的時間差高達400 ms之久，是造成損毀設備的直接原因，所以對其進行技術改造很有必要。

2.2 技術改造方案

通過在機組保護系統中添加 “跳相鄰機組單元”接點，使其與 “跳本機組”接點同時動作。若背靠背啟動過程中機組出現電氣或機械故障跳機時，跳本機的滅磁開關 （以下簡稱 “FCB”），同時發出相鄰機組的FCB令。跳相鄰機組令是通過硬布線送至另一機組，可以達到同時跳拖動機和被拖動機滅磁開關的目的，其時間差很小 （見模擬試驗表1），可以忽略。背靠背跳閘技術改造示意圖見圖1所示。

本次背靠背跳閘技術改造涉及監控系統、保護系統、勵磁系統部分的修改。

在監控系統中，為將故障機組保護跳閘信號和相鄰機組的勵磁FCB跳閘線圈相連，在監控系統中設置機組選擇邏輯。即將對應拖動機和被拖動機的保護和勵磁相連，見圖2所示。在保護系統中，添加 “跳相鄰機組單元”功能，用于跳相鄰機組FCB。在保護系統和監控系統間敷設電纜，并修改程序。即在FCB跳閘回路中引入4臺機組監控系統的跳閘信號，見圖3所示。在勵磁系統中，監控系統跳閘信號要引入勵磁系統的FCB跳閘線圈，需敷設控制電纜，用于跳有關機組的FCB。

圖1 背靠背跳閘技術改造示意

圖2 背靠背跳閘回路監控系統機組選擇邏輯示意

圖3 背靠背跳閘回路監控系統修改示意

3 技術改造后試驗

3.1 技術改造后背靠背模擬試驗

國內某大型抽水蓄能機組背靠背跳閘技術改造后，在4臺機組兩兩背靠背拖動過程中現場分別模擬電氣故障和機械故障跳機，測量跳開拖動機組和被拖動機組滅磁開關的時間差，結果見表1。

現場試驗 （包括現地單步流程方式和主控室自動方式）表明，4臺機組相互間的背靠背流程正確，功能正常，滿足設計要求。

表1 模擬故障跳機時跳開機組滅磁開關的時間差ms

3.2 試驗中發現的問題及建議

在4號機組拖動1、2號機組過程中在被拖動機組轉速達到220 r/min時，系統出現故障跳開拖動機組和被拖動機組的滅磁開關，導致試驗失敗。檢查分析其因為，4號機組在監控發出打開小導葉命令后，由于4號機組本身的機械特性使打開小導葉時間超時。增加相應延時后，問題得到解決，系統功能正常。

由于機組機械特性間的個性差異，使被拖動機組在初始投入勵磁到機組轉動起來的時間存在差異，但時間差應控制在30 s之內。因為，若在被拖動機組投入勵磁后，機組轉子長時間拖動不起來，會對機組造成損壞。建議在監控中增加相應保護邏輯，使該種情況下跳開拖動機組和被拖動機組的滅磁開關，有效保護機組的安全。

4 結論

國內某大型抽水蓄能機組背靠背跳閘的技術改造，解決了由于背靠背方式下發生電氣或機械故障時不能同時跳開拖動機組和被拖動機組滅磁開關而引起保護誤動或損毀設備的問題，現場模擬試驗驗證了技術改造方案的正確性和有效性。

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