開關變壓器技術在水輪發電機自同期并列上的應用

馮卓利 潘政剛 潘家忠

（1.大慶油田有限責任公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163411；2.哈爾濱帕特爾科技股份有限公司，哈爾濱 150090）

發電機的并列有兩種方式，即準同期并列和自同期并列。

1）準同期并列是將未投入系統的發電機加上勵磁，并調節其電壓和頻率，當滿足并列條件（即電壓和頻率與系統相等，相位相同）時將發電機投入系統。

準同期并列如果能在理想狀態下并列，則發電機輸出電流為零，不會產生電流和電磁力矩的沖擊，這是準同期的最大優點。但在實際的并列操作中，很難實現理想的并列條件，尤其是手動操作時更難達到，因此電流和電磁力矩沖擊總是存在的。只要沖擊不大，不超過允許范圍，就是允許的，自動準同期可以達到較好的效果。

準同期并列時必須防止非同期并列，否則會使發電機受到破壞。如果在并列時，發電機電壓和系統電壓之間存在較大的差別（電壓、頻率、相位），則會產生較大的沖擊，其中因相位差引起的沖擊較多。最為嚴重的情況是當發電機電壓與系統電壓相位差 180°進行非同期并列，此時發電機的沖擊電流將比出口三相短路時的電流大1倍，產生巨大的電動力和電磁力矩，使發電機遭到嚴重的損壞.過去就發生過因非同期并列而使發電機定子繞組絕緣破壞而短路的嚴重事故。

準同期并列要求的測試量較多，測試裝置比較復雜；要求二次接線不能出現錯誤、同期裝置動作要正確、每次維修之后一定要認真檢查校核。

準同期并列對當系統發生事故時（電網不穩）需要緊急投入備用機組的情況無能為力。

2）自同期并列是將未勵磁而轉速接近同步轉速的發電機投入系統，并立即（或經一短暫延時）加上勵磁，發電機在短時間內被自動拉入同步。

自同期并列是在發電機無勵磁時投入系統，在機械力矩、異步力矩及投入勵磁后的同步力矩的共同作用下迅速拉入同步，因此它從根本上消除了非同期并列的可能性，同時它并列操作簡單，不存在調節和校準電壓和相位問題，只需調節發電機轉速，易于實現自動化操作。此外，自同期并列時間短，采用自動自同期并列的發電機，從發出開機命令到發電機并入系統一般只要 20～40s甚至更短的時間。自同期并列的這一優點，為在電力系統發生事故而出現低頻率低電壓時起動備用機組創造了很好的條件，這對于防止系統瓦解和事故擴大，以及較快地恢復系統的正常工作起著重要的作用。

自同期并列時，發電機相當于異步電動機，因此伴隨有短時間的電流沖擊，并使系統電壓下降（相當于異步電動機的起動，但沖擊電流要小些），沖擊電流引起的電動力可能對定子繞組絕緣和定子繞組端都產生不良影響；沖擊電磁力矩也將使機組大軸產生扭矩和振動，這些不良影響雖然遠較發電機出口三相短路時的影響小、發電機能夠承受，但是如果并列操作要經常進行，則其積累效應也是不能忽視的，它將影響發電機的使用壽命，因此現在一般都是把自同期并列作為事故狀態下發電機的應急起動并列，而正常的并列則用自動準同期并列。

1 發生非同期并列的可能性及其防止

由于發電機制造和投運的年代不同，所以準同期并列的方法也分為自動、半自動和手動三種方法。一般來說如果自動同期裝置正常，自動準同期法不會發生非同期并列事故；而其他二種方法則難免會發生非同期并列事故。例如：

1）某發電廠，發電機電壓互感器大修后二次接線首尾接反，由于未進行定相試驗，所以該錯誤未被發現，造成該機并網時發生了 180°相位差的非同期并列，發電機及原動機受到嚴重損傷。

2）某發電廠，1號高壓廠用變壓器檢修將低壓側 6kV電纜的 a、c相接反，送電后未定相，與 2號高壓廠用變壓器并列時造成a、c相短路，2號高壓廠用變壓器著火燒毀。

3）某發電廠，人員誤操作，多次發生非同期并列事故。

為防止非同期并列事故的發生，當前的主要方法是嚴格規章制度和保證同期設備的完好。

2 開關變壓器技術用于自同期并列技術方案

從前面的敘述可見，兩種并列方式各有優缺點。從方便使用、實現自動化方面來看，自同期并列的優點要多些。至于電流沖擊問題，兩者都有，只是由于自動準同期技術的進步，使其沖擊電流降得較小，因而正常情況下的并列方式都選自動準同期操作。那么，如果我們能把自同期并列時的電流沖擊控制得較小，它惟一的缺點就被克服了，其優越性不是更突出了嗎？

開關變壓器技術可以解決這個問題。

2.1 系統結構與控制原理

圖1 開關變壓式自同期并網接線示意圖

采用開關變壓器（TK）技術的自同期并列系統結構圖如圖1所示。當控制裝置接到起動命令時，調節水輪機調速器使電動發電機（DF）加速，當控制裝置檢測達到一定轉速時，發出K3、K2的合閘命令，這時開關變壓器式軟起動裝置（TK）接入電網與發電機（DF）之間（經升壓變壓器），由于此時可控硅（SCR）尚未開通，故TK中僅流過一個小于其空載電流的電流，此電流很小，不會對DF和電網造成沖擊，之后，控制裝置逐步調節SCR的導通角，使電流逐漸加大直至設定值，在此設定值下作恒流控制.當電動發電機DF轉速達到同步轉速的98%左右時，K1合閘、投勵、斷開K2、K3電動發電機DF繼續加速直至同步。

當 TK兼作電動運行時的軟起動應用時，只要在 K2上并接一個斷路器，且在接線上做一個換相以保證DF反向運轉即可。

在開關變壓器接入電網與發電機之間、可控硅尚未開通時，使晶閘管延時幾秒鐘開通，控制裝置對兩端電壓（發電機磁場剩磁會產生一定的電壓）進行檢測，看是否有錯相發生，如果有錯則停止可控硅開通、發出報警，這樣便可以防止非同期并列事故的發生。

2.2 技術優勢

開關變壓器技術用于自同期并列之后，自同期并列的應用范圍可以擴展到正常的發電機并列操作，使發電機的控制簡單化，完全免除了非同期并列，對發電機的安全生產具有重要意義。

對于占系統容量比例很大的發電機，由于自同期并列時會有較大的電壓降落，故大型發電機的自同期并列操作受到了一定限制，這對電網的事故快速處理有一定的影響。采用開關變壓器技術后，沖擊電流被消除，電壓降落減小，大型發電機在電網發生事故（或正常操作情況）時也可采用自同期并列，這無疑對電網的安全穩定運行具有重要意義。

3 結論

應該說，開關變壓器技術可以用于任意大小的發電機自同期并列，但由于其硬件構成的成本使得該裝置費用較大，具體應用時要對造價和運行效果加以權衡。但是，如果將該技術同時應用于抽水蓄能電站發電電動機的軟起動和自同期并列，則具有性價比最優及事半功倍的效果。

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