發電機組準同期的探討

張建軍，高 娃

（中鹽青海昆侖堿業，青海德令哈 817000）

發電機組準同期的探討

張建軍，高 娃

（中鹽青海昆侖堿業，青海德令哈 817000）

發電機組的同期系統是發電廠電氣二次部分的一個十分重要的環節。本文從同期并列的條件出發，結合烏斯太熱電廠2X30MW機組工程，闡述中小型發電機組準同期系統的基本原理及控制方式，介紹同期點及同期方式的設置、同期電壓的引入、手動準同期裝置的工作原理及接線和自動準同期裝置的特點。最后為了說明同期操作的重要性，本文按照壓差、頻差、角差條件為例對非同期并列操作的危害進行了探討。

手動準同期；自動準同期；同期并列操作

在發電廠和變電站中，通常把反映同期裝置和同期電壓連接關系的回路稱為同期系統。發電機并入系統、兩個不同系統并列，或一個系統分解為兩個部分通過輸電線路再連接等，所實施的操作叫同期并列操作。發電機在并入系統前與其他發電機組和電力系統是不同步的，存在著電壓差、頻率差和相角差。通過同期操作，將發電機組安全、可靠、準確快速地投入，從而確保系統的可靠、經濟運行和發電機組的安全。

1 同期點及同期方式的設置

發電廠（或變電站）中每個有可能進行同期操作的斷路器，稱為同期點。也就是說當斷路器兩側有可能出現非同一系統電源時，此斷路器是同期點。烏斯太熱電廠2X30MW機組共設了7個同期點，同期系統如圖1所示。

1.1 同期點的設置

2個發電機出口斷路器；2個三繞組變壓器的高壓側；2個110kV系統聯絡線的線路斷路器；110 kV母聯斷路器。

1.2 同步方式

本項目的7個同期點按照運行方式來分析得到如下結論：2個發電機出口斷路器、主變高壓側斷路器的同期點為差頻并網點，而其余3個同期點既可能是差頻并網點，也有可能是同頻并網點。比如對于1＃進線斷路器來說，當2＃進線和上一級兩個進線及母聯斷路器都處于合閘位置時，此時1＃進線同期點就為同頻并網點；而2＃進線和上一級兩個進線及母聯斷路器中其中有一個斷開時為差頻并網點。

圖1 烏斯太熱電廠2X30MW機組同期系統圖

1.3 同期電壓的引入

在準同期操作時，需要檢測同期電壓是否滿足其并列的幾個條件。同期電壓，即同期點（斷路器）兩側經過電壓互感器變換的二次側交流電壓。由于全廠（站）配用一套同期裝置，所以需要把同期電壓引至同期電壓小母線上。所以，通常把同期電壓小母線上的二次電壓稱為同期電壓。同期電壓的引入方式（即同期電壓小母線的數目）與同期系統采用的接線方式有關。

目前，同步裝置均為單相接線，交流輸入電壓多為100V，100／V。因此烏斯太熱電廠2X30MW機組工程選取單相電壓作為此系統的同期電壓。而各個同期點選取的電壓如下：

2個發電機出口斷路器：兩側均采用CB相電壓作為同期電壓進行比較。

2個三繞組變壓器的高壓側：主變高壓側電壓經過轉角變壓器后取CB電壓與主變低壓側電壓進行比較。

2個110kV系統聯絡線的線路斷路器：兩側均采用C相電壓作為同期電壓進行比較。

110kV母聯斷路器：兩側均采用C相電壓作為同期電壓進行比較。

2 手／自動準同期裝置原理與接線

2.1 手動準同期的任務

1）通過頻差表（或2只頻率表）檢測發電機與其要并入的系統之間的頻率差，然后利用調速或調頻開關來調整發電機的頻率，使其頻率接近要并入的系統頻率。

2）通過壓差表（或2只電壓表）檢測發電機與其要并入的系統之間的電壓差值，再調整發電機的勵磁，使發電機的電壓接近要并入的系統電壓值。

3）由運行人員來根據頻差表和壓差表指示的數值，判別發電機與其要并入系統的頻率和電壓是否滿足準同期并列條件。當條件符合并列條件時，再根據同期表的指示，在打出必要的時間裕量（此時間裕量約等于斷路器的合閘時間）后發出合閘脈沖，以確保同期點斷路器合閘時，其兩側電壓之間的相角差等于零或被控制在允許范圍內。

烏斯太熱電廠2X30MW機組工程的手動準同期主要部分接線原理如圖2所示，圖中未畫出同期開關部分的接線。

2.2 手動準同期裝置或元件的作用

2.2.1 MZ－10型組合式同期表

此項目使用的為單相組合式同期表MZ－10，此表由電壓差表P1、頻率差表P2和同期表P3組成，正面如圖3所示。

圖2 烏斯太熱電廠2X30MW機組手動準同期接線示意圖

圖3 MZ－10組合式同期表正面圖

1）電壓差表P1的測量機構為磁電式微安表。當待并發電機電壓大于系統電壓，即ΔU（ΔU＝UG－US）大于零時，微安表指針向正方向偏轉；反之，指針向負方向偏轉。

2）頻率差表P2的測量機構為直流流比計。當待并發電機與系統的頻率相同，即ΔF（ΔF＝FGFS）等于零時，作用在流比計指針上的總力矩等于零，則指針不偏轉，而停留在零（水平））位置上。當待并發電機頻率大于系統頻率，即ΔF（ΔF＝FGFS）大于零時，指針向正方向偏轉；反之，指針向負方向偏轉。

3）同期表P3，當待并系統的電壓或者頻率高于運行系統的電壓或者頻率時指針向快的方向旋轉；反之向慢的方向旋轉。只有壓差、頻差、角差都相等時，指針才指向紅線的位置。

2.2.2 同期開關TK

為了避免由于不同同期電壓回路之間的混亂而引起系統非同期并列，在并列操作時，同期電壓小母線只能存在待并斷路器兩側的同期電壓。因此，每個同期點的斷路器均應裝設TK同期開關，并共用一個可抽出的手柄，此手柄只有在TK同期開關處于“斷開”位置時才能抽出。這樣做的目的是以保證在同一時間內，只有一臺同期點斷路器進行并列操作。

2.2.3 同期檢查繼電器KY

為了防止在不允許的相角差下誤合閘，通常在手動準同期合閘回路中裝設閉鎖誤合閘的同期檢查繼電器。同期檢查繼電器平時不工作，SSM1處于“斷開”位置，只有在手動準同期時將SSM1（粗調／細調開關）置于“細調”位置，KY才接于運行系統電壓和待并系統電壓。當運行系統與待并發電機電壓的相角差大于KY的動作整定值時，其常閉觸點斷開，不允許發出合閘脈沖，這就防止了在允許相差角范圍之外斷路器誤合閘。此項目所有同期點共用一只同期檢查繼電器。

2.2.4 粗調／細調開關SSM1

此開關是為了配合MZ－10同期表使用的，當開關選擇“粗調”同期時，只接入MZ－10同期表的電壓差和頻率差表。規定當待并系統頻率和運行系統頻率差＜±5%時，選擇開關打到“細調”同期時，接入同步指示器。因為當頻率差過大時，同步表轉針轉速過快容易引起振動或停止不動的情況，所以，應避免頻差過大時接入同步指示器。

2.2.5 SSM解除手動準同期開關

圖3中，SSM為解除手動準同期開關，平時此開關觸點是斷開的，在不需要同期操作的情況下，如系統無壓或電廠停發系統倒供廠用電等情況，將SSM投入；SSM觸點短接KY觸點，就解除了同期閉鎖，同時只要將SSM置于“精確”位置，斷路器就能合閘。

烏斯太熱電廠2X30MW機組工程項目采用的自動準同期裝置是北京紫光測控公司生產的DCAP－3518裝置。DCAP－3518自動準同期裝置基于32位高性能DSP（數字信號處理器）和高速以太網絡通信技術設計。裝置最多可控制8個同期點，采用插件式結構，根據同期點的數量配備相應數量的同期插件。

2.3 自動準同期裝置的任務

自動監視電壓差和頻率差，同時設有自動調節電壓和頻率單元，在壓差和頻差不合格時發出控制脈沖，直到壓差、頻差滿足要求。然后選擇最理想的時間發出合閘脈沖（導前時間），使斷路器在零相角差時合閘，完成同步操作的全部過程。

2.4 自動準同期裝置的接線

相比于手動準同期接線，自動準同期接線就要簡單得多，許多需要人為控制的因素都被自動準同期裝置取代了，并且控制結果也比手動準同期更加準確了。自動準同期的接線如圖4所示。

圖4 自動準同期接線示意圖

2.4.1 電壓采樣

只需經過同期開關引入同期裝置，并且可以設置運行系統電壓與待并系統電壓間的角差，無需引入轉角變。并且裝置可以設置無壓合閘的模式，即檢測運行與待并系統若有一側無壓也可進行合閘，并且此功能在裝置上可以進行投退。

2.4.2 開關量輸入

同期啟動信號輸入：可由后臺遙控或DCS自動控制，同期裝置只有接到此命令后才啟動自動準同期，進行合閘操作。

PT斷線信號輸入：用于閉鎖同期合閘。

斷路器合閘位置輸入：裝置可通過此接點主要是判斷同期合閘是否成功。

2.4.3 控制輸出

根據交流電壓的采樣，當頻差不滿足同期要求時，系統將自動調節原動機轉速來改變發電機的頻率，即通過控制原動機的調速器（DEH）來實現自動準同期。當壓差不滿足要求時，自動調節發電機的電壓使其趨向于其要并入系統的電壓，即通過發電機勵磁調整裝置（AVR）來實現。直至發電機的頻率和電壓均滿足同期要求時，同期合閘信號輸出。

2.5 自動準同期裝置的特點

1）高可靠性：采用先進、可靠的微機裝置，在軟件及硬件上具有很大的冗余度，確保沒有誤動的可能。

2）高精度：自動測量導前時間，保證零相角差時完成并網操作。

3）高速度：快速平穩的把發電機的電壓和頻率調整到給定值，并能捕捉第一次出現的零相角差時將發電機平滑地并入電網。

4）能融入分布式控制系統（DCS）：通過與上位機的通訊完成開機過程的全盤自動化。同時上位機也需求獲得同步裝置的靜態定值、動態參數及并網過程狀況的信息。

5）操作簡單、方便，有清晰的人及界面。

6）二次接線設計簡單清晰。

3 同期合閘的基本注意事項

1）頻率不能完全相同（頻率完全相同可能永遠也找不到相角差為零的時刻）。

2）合閘時刻相角最好為零（導前時間）。

3）各同期點投入同期的同期開關其操作手柄應為可取出（因運行中只留1個手柄，以免誤操作）。

4）手動準同期時合閘控制回路必須用同步檢查繼電器的接點閉鎖。

5）當經不同接線方式的變壓器供電時，手動同期裝置的同期電壓必須經轉角變壓器修正。

6）手動同期裝置使用的電壓互感器，其二次側接地方式應統一，否則應加裝隔離變。

4 非同期并列的危害

發電機的電壓、相位及頻率與系統不符合實際并列條件的并列，被稱為非同期并列。

4.1 頻率不等

假如發電機的電壓、相位與系統完全相同，只有頻率不一致，在這種情況下并列，則相位不同時所產生的后果相類似，會產生有功沖擊電流。頻率相差越大，產生的沖擊電流也越大，這會導致發電機要經過很長一段時間才能與系統同期，甚至無法達到同期。

4.2 電壓不等

假設發電機與系統的頻率、相位完全相同。只有電壓不一致，則并列之前發電機并網開關主觸頭之間就已經存在電壓差，則并列時會產生無功沖擊電流。它們之間的電壓差越大，沖擊電流也會越大，由電壓差產生的電動力將損壞發電機及其相關的電氣設備。

4.3 相位不等

假若發電機的頻率、電壓與系統的頻率、電壓完全相同，只有發電機電壓與系統的電壓相位不一致。因相位差的存在，在系統并列之前發電機開關主觸頭間就已經有電位差的存在。在這種條件之下并列，將會產生有功沖擊電流。這樣的其后果是：若發電機的電壓相位滯后于系統，則導致發電機突然加速；若發電機電壓相位超前于系統，則會使發電機突然減速。而發電機無論是加速還是減速，都會產生不良的后果，如發電機短時間抖動，嚴重的則使其主軸扭傷，損壞其轉子。

5 結 語

隨著計算機技術，通信技術和電力電子技術的發展，同期裝置的微機化、智能化是發展趨勢，加之現代控制理論在同期裝置上的應用，新一代微機型自動準同期裝置已經在電力系統得到了廣泛的應用，積累了豐富的運行經驗，并取得了良好的經濟效益和社會效益。而手動準同期裝置由于接線復雜、存在重大的安全隱患、延誤并網時間等缺點逐步被自動準同期裝置所取代。隨著同步過程中的理論研究的不斷深入，一批先進的新型自動準同步裝置將會不斷地推出，它必將為高速發展的電力系統并網同期操作提供更加高效、可靠、安全的有力保障。

TM 311

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1005－8370（2012）01－41－04

2011－12－10

張建軍，電氣工程師。原為中鹽吉鹽化集團熱電事業部熱電廠電氣工程師，現為中鹽青海昆侖堿業有限公司熱電廠主任。