核電機組同期并網系統選型及設計探討

沈曉暉

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

某核電廠每臺機組的發電機—主變壓器均采用單元制接線，經由發電機、離相封閉母線、發電機出口斷路器、離相封閉母線、主變壓器、引至500 kV 聯合升壓站。發電機通過20 kV 發電機出口斷路器，由同期裝置與電網進行并網。如果發電機出口斷路器已合上，即由發電機帶廠用電負荷運行，此時可以使發電機通過500 kV 斷路器并網。

1 概述

準同期裝置是用于實現同期并網的重要自動設備，包括自動和手動兩種同期方式。其控制原理如圖1 所示。

圖1 發電機同期并網系統控制原理

自動準同期裝置是一套完整的自動調節和控制裝置，該廠采用深圳市國立智能電力科技有限公司生產的SID-2CM 型微機同期裝置。該裝置通過比較采集到的待并側和系統側的電壓和頻率，經軟件邏輯運算后，向自動電壓調節器AVR 和汽機調速系統DEH 發出增速、減速、升壓、降壓的調節信號，自動實現調壓、調頻，直至兩側電壓參數符合同期條件時，自動判斷合閘時機、發出合閘命令，接通斷路器的合閘回路，實現發電機的同期并網。

手動準同期裝置作為自動準同期裝置的備用，是把電壓表、頻率表、同步表(采用MZ-10 機械指針式)和全部操作開關如升、降壓、增、減速開關、同期點斷路器控制開關等匯集在主控室盤臺上，運行人員根據電壓、頻率、同步表的讀數，調整待并系統的電壓和頻率，人工判斷合閘時機，操作斷路器控制開關使同步點斷路器合閘。

2 系統運行現狀

該系統雖運行較為穩定，但是依然面臨諸多問題，例如：該廠同期系統各元器件已經接近壽期，SID-2CM 型同期裝置2014 年已經停產，備件采購難以得到保障。再如：隨著電力系統的飛速發展，電網對同期系統的要求也日益苛刻，而SID-2CM 型同期裝置技術相對落后，難以滿足當今電網對同期系統信息智能化的要求。根據電力行業標準DL/T 587—2006《微機繼電保護裝置運行管理規程》的規定：微機型繼電保護裝置的運行年限為12 ～15 年。而深圳國立智能廠家驗收技術報告中，提出的使用年限為15 年。可見SID-2CM 型同期裝置已接近其壽期末，隨著時間的推移，潛在的運行風險加大。

同期系統的健康水平將直接影響機組同期操作和電力系統運行的安全性。機組發生非同期并網時，在斷路器合閘瞬間會產生巨大的沖擊電流,這種沖擊的累積將會給發電機、變壓器及系統造成致命的傷害，嚴重時會使待并發電機繞組變形、絕緣崩裂、軸系扭振，甚至將繞組燒毀，造成機組或系統的事故，安全隱患較大[1-3]。

因此，該廠制定了改造計劃，對同期裝置進行升級改造，來提高系統及設備的可靠性，確保機組的安全、穩定運行。

3 發電機同期系統行業動態

3.1 國外品牌同期系統在國內的應用情況

就國外品牌而言，ABB，SIEMENS 等品牌在國內的石化行業還有少量的應用，在火電、核電、水電等領域已基本上找不到國外品牌的應用業績。

3.2 國內品牌同期系統在國內的應用情況

相對于國際品牌，國內品牌及生產廠家隨著市場環境的變化而更新換代速度很快，且大多的應用集中在中小容量水電、火電機組，累計工程項目數量較大。近年來，隨著自身的技術升級及項目設備國產化要求的提高，在300 MW，600 MW 乃至1 000 MW 等級水電/火電機組也有運行良好的示范項目，其中，典型的企業是深圳國立智能。在國內機組容量在600 MW 及以上的市場占有率達到80 %，核電市場占有率更是高達90 %。經過了解，其主要的優勢如下。

(1) 產品質量可靠，公司成立于1987 年，30年來公司只做相位角度控制技術方面的研發，在國內市場保持著發電機并網“零”事故率的表現。

(2) 技術功能先進，可以根據模擬量的變化對并網性質進行在線自動識別。

(3) 控制理論領先，產品采用模糊控制方式，對機組的頻率進行周期動態可變方式調節，避免發電機轉速出現過調現象，也是國內唯一擁有該項控制技術的廠家。南瑞繼保的同期產品在國內發電市場的應用相對較少。

3.3 潛在品牌同期系統比較

綜合上述同期品牌的技術水平和應用情況，將重點主要集中在ABB，SIEMENS、深圳國立智能、南瑞繼保4 個品牌上，圍繞這4 個品牌的同期產品開展具體調研。根據國內外同期品牌在我國電力行業應用的實際情況，制成各主要潛在供貨品牌綜合信息統計表（見表1）。

表1 潛在品牌的總體比較

4 同期裝置的選擇和設計

4.1 選擇方案

考慮到原同期裝置運行穩定，系統總體狀況良好，且深圳國立智能的SID-2 微機同期裝置在國內外都占有很大的市場份額，其技術、原理、性能指標都十分可靠。核電大機組相關應用統計見表2。

表2 核電大機組相關應用統計

從以上統計來看，SID-2FY 最新型同期裝置作為SID-2CM 型同期裝置的替代型產品已經是近幾年電力市場應用的主流型號，未來在故障分析、經驗反饋、故障處理的借鑒以及備件通用性等方面都有比較好的市場保障。

綜上所述，考慮核電市場占有率、品牌知名度、電廠認可度、各設備制造商的綜合能力等因素，結合該廠同期變更項目的實際技術及項目施工要求，深圳國立智能在技術水平、市場應用、品牌認知、核電項目經驗、產品質量、項目適應性等方面較為突出。經過調研，決定采用深圳國立智能生產的SID-2FY 智能復用型同期裝置。

4.2 方案評估

該廠原使用的深圳市國立智能SID-2CM 與其最新一代產品SID-2FY 的比較如表3 所示。

表3 SID-2CM 與SID2FY 的比較

從表3 中可以看出，SID-2FY 裝置不僅滿足原有現場要求，而且擁有更加優越的穩定性，智能化程度更高，能實現更加簡單的運行控制和維護功能。而且深圳國立智能公司已經有大量在其他電廠對SID-2CM 裝置改造為SID-2FY 的經驗，采用原廠家的SID-2FY 型同期裝置進行改造，改造施工僅涉及同期操作盤柜及同期繼電器屏的內部接線部分，同期系統與外部系統接線改動很小，改造后的調試工作及風險相對較低。

綜合而言，本次改造項目選用深圳市國立智能SID-2FY 同期裝置可提供相應滿足現場安裝條件限制，且滿足系統的安全穩定運行以及電網要求，具有較好的適應性，被認為是符合本次改造項目要求的最合適的同期系統。

4.3 系統設計和基本要求

為保持同期裝置具備原有功能，保證回路與外部接口變化不大的原則，改造采用原廠升級。同期裝置的配置如下。

(1) 自動準同期裝置雙重化配置。對于核電大容量發電機組，可靠性要求極高，不容許因任何原因導致機組并網失敗或損壞發電機。原采用的一套自動同期設計已不符合主流設計模式，因此本次改造每臺機組均按照兩套自動同期一用一備方式進行設計，2 套自動準同期裝置互為備用，實現了同期裝置的雙重化，當工作套同期裝置失效后，通過工作/備用轉換開關切換至備用套同期裝置進行同期并網，避免了因同期裝置故障而導致機組并網失敗的風險，大大提高了同期并網的可靠性。

(2) 每臺機組有三個同期點，分別是發電機出口斷路器和主變高壓側兩個斷路器，同期裝置應保證同一時間只有一個同期點。

(3) 安裝獨立的同期鑒定閉鎖繼電器。為了防止兩個系統相角差較大時非同期合閘產生危害性沖擊電流，在同期合閘控制回路中設有同期鑒定繼電器，即檢角度繼電器，將其接點串在同期合閘回路中，檢測兩側相角差在不大于20°時允許同期裝置的合閘命令通過，使同期鑒定繼電器與微機自動準同期裝置和手動同期操作相互閉鎖，從而極大地提高了同期操作回路的可靠性。

(4) 同期裝置投入按主控室發出的“同期投入”命令通過擴展繼電器執行，“停止同期”可以通過同期裝置屏配置的時間延時斷開準同期回路，或者同期屏上緊急操作實現；同期裝置的工作電源、PT 信號、合閘回路均由選擇重動繼電器接點進行投切。PT 信號的引入要求通過隔離變壓器，當雙側有電時，才允許啟動DEH的調速回路。合閘回路、調速、調壓控制信號通過擴展繼電器輸出，采用快速繼電器。

(5) 自動準同期裝置對發電機的電壓和頻率同時進行控制，若同期電壓和頻率在整定范圍內，便給出一個合閘信號，當檢測到合閘成功后，閉鎖同期裝置。

(6) 每次并網時，都自動測量和顯示“斷路器操作回路實際合閘時間”，作為是否需要修改原來設置的“斷路器導前時間”整定值的依據。

5 結束語

介紹了核電廠同期并網系統的基本配置和工作原理，進行市場調研和現狀分析，對比了不同品牌同期裝置的優缺點。結合升級改造工作，闡述了同期裝置的選型和同期回路設計方案，確保改造后的同期系統在保障機組準確、快速、可靠并網發揮更大作用，為電廠創造良好的經濟效益；同時，為其他電廠同期裝置的選型、改造提供了技術參考。