發電機并網瞬間無功沖擊分析

陳昌山, 康曉義, 馬聖恒, 方書博

(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636)

1 基本概況

某抽水蓄能電站總裝機容量為1?200?MW?(4×300?MW)，承擔著系統調峰、調頻和事故備用功能。電氣接線采用發電機-變壓器組單元接線，并列點在主變低壓側。該電站采用ALSTOM公司生產的P320微機勵磁系統，勵磁調節器完全雙通道設計，2套調節器之間通過串口通信進行互檢及跟蹤，正常時一套作為主用調節器運行，另一套作為備用調節器運行，當主用調節器出現故障時，將自動切換到備用調節器運行。

2套調節器從軟件到硬件上完全獨立。在自動電壓調節模式下，2套調節器分別采集不同的機端PT信號，并將采集到PT信號與電壓設定值進行比較，計算二者之間的差值，將差值信號放大后送至不同的脈沖觸發模塊TTM211，通過TTM211控制可控硅的導通角，實現對勵磁電流的控制，從而保持機端電壓相對恒定。

該電站采用ALTOM公司生產的Alspa?CSR620微機式自動準同期裝置。該裝置由CPU模塊和輸入/輸出模塊組成。同期裝置檢測機組與系統之間的壓差、頻差和相角差，根據頻差向調速器發出調節轉速命令，根據壓差向勵磁系統發出增/減磁命令。同期裝置接線如圖1所示。

圖1 同期裝置接線

同期裝置并列點PT配置如表1所示。

表1 并列點PT配置

2 事故現象及原因分析

2.1 事故現象

2019-11-15T06:00，某電站2號機發電工況啟機，機組并列瞬間，無功功率最高達-97.22?Mvar，有功負荷約1.3?MW。

2.2 影響進相深度的可能因素

2.2.1 同期條件

發電機同期并列的理想條件：UG=UN(發電機電壓與系統電壓幅值相等)，fG=fN(發電機頻率等于系統頻率)，δ=0?(發電機與系統相角差為0)。實際并列過程中，這3個條件不可能完全滿足，故允許有一定偏差，使機組既能快速并網，又能減少對系統和機組的沖擊。該電站同期裝置設定壓差限值為 ±5?%US，頻差為 ±0.05?Hz，相角差為 4°。

2.2.2 同期合閘導前時間

當頻差和壓差信號小于同期限值設定時，同期裝置給機組GCB發送同期命令。該命令在機端電壓和系統電壓相角重合之前發出，以確保GCB在相角差為零時同期，該提前時間約等于GCB合閘時間和合閘脈沖寬度，即我們所說的導前時間。該電站同期合閘導前時間設定值為200?ms。

2.2.3 勵磁系統建壓模式

在自動電壓模式下，勵磁系統建壓模式如圖2所示。

圖2 自動電壓模式勵磁系統建壓示意

圖2中，預波電壓為額定電壓的70?%；最小電壓為額定電壓的95?%；最大電壓力額定電壓的105?%；機端電壓從 70?% 上升到額定電壓需 4.29?s；機端電壓從額定值上升到105?%額定值需要0.65?s，從勵磁系統投入到機端電壓達到額定電壓值需要4.65?s。

2.2.4 電壓調節脈沖寬度

并列過程中，同期裝置發出調壓脈沖給勵磁自動電壓調節器，勵磁自動電壓調節器根據圖2的PCA1曲線斜率調節勵磁電流，從而控制機端電壓。該裝置調壓脈沖寬度為100?ms。

2.3 合閘瞬間無功沖擊具體原因分析

2.3.1 同期合閘導前時間的分析

若同期合閘導前時間大于或小于GCB合閘時間，均會造成同期時機端電壓和系統電壓相角差不為零，時間偏差越大，相角差越大。

檢查GCB合閘回路，未發現異常。查看GCB出廠試驗報告，GCB合閘時間為35.7?ms。

查看2017年GCB試驗報告，GCB合閘時間為36.7?ms左右，二者合閘時間如表2所示。對比二者試驗數據可知，GCB合閘時間未發生明顯變化。而合閘脈沖寬度為標準的100?ms，由此可知，同期合閘導前時間基本不變。根據機組長期運行積累的數據可知，同期合閘導前時間設置是合適的。若導前時間設置不合適，會導致同期時相角差偏大，相角差偏大主要會引起有功功率沖擊，使機組軸系受到沖擊。從當時機組同期過程來看，有功功率幾乎為零，機組振動和擺度未發生明顯變化,因此，可以忽略導前時間和相角差對機組進相過深的影響。

2.3.2 電壓調節脈沖寬度的分析

該電站同期裝置向勵磁調節器發送的電壓調節脈沖周期為 3?s，脈沖寬度為 100?ms。

脈沖周期和寬度影響AVR的調壓效果。當同期裝置檢測到機端電壓和系統電壓存在偏差時，同期裝置發出增/減磁命令，勵磁調節器根據該命令輸出一個4～20?mA量給脈沖觸發模塊TTM211。脈沖觸發模塊根據該模擬量控制晶閘管的導通角，從而控制機端電壓。若脈沖周期和寬度設置不合適，將會影響勵磁系統電壓調節響應速度或造成超調。根據2017年勵磁系統復核性試驗結果可知，電壓調節脈沖周期和寬度是合適的。

2.3.3 機端電壓和系統電壓壓差的分析

壓差的存在主要會引起無功沖擊，機端電壓小于系統電壓時，吸收無功；機端電壓大于系統電壓時，機組發出無功；偏差越大，無功沖擊越大。從監控歷史曲線可以看出，并網時機端電壓只有17.76?kV，而系統電壓為 18.18?kV。

根據文獻[4]，當待并機組和系統側只有電壓幅值不同時，機組出口斷路器合閘時，流過發電機的沖擊電流標幺值為：

根據文獻[5]，沖擊電流最大瞬時值為：

沖擊電流ICJ為感性電流，故可計算得最大無功功率：

上式中，10.713是發電機額定電流有名值，單位kA，18是發電機額定電壓有名值，單位kV。根據上述公式計算出來的無功值與監控歷史記錄值非常接近。

綜上所述，此次進相深度過深是由于并網時的電壓偏差過大導致。機組在升壓過程中，同期裝置檢測到壓差、頻差在限定值范圍內，又恰好捕捉到了第一個并網時機，所以機組快速并網了。從監控歷史記錄可知，從發出投入勵磁系統命令到機組同期并網時間只有5?s，機端電壓升到額定值需要4.65?s，即正在升壓過程中，機組就并網了。由于機端電壓小于系統電壓，并網瞬間產生了無功沖擊，該無功沖擊電流對發電機起助磁作用，對系統起去磁作用。

3 故障處置

根據以往的運行情況統計，只出現過2次并網瞬間機組吸收大量無功的情況。且都是在勵磁系統投入后幾秒鐘之內快速并網。

機組并網瞬間，雖然機組進相深度沒有達到勵磁低勵限制動作值-131?Mvar，但定子繞組端部機械強度最弱，這種沖擊日積月累會對發電機造成致命傷害，應采取措施減小沖擊電流對其造成的危害。

為了減少并網瞬間的無功沖擊，又不影響并網速度，對壓差范圍重新設置，將壓差范圍改為±4?%。這樣既能避免上述極端情況的發生，又能減少機組受到的沖擊。通過觀察發現，重新修改同期裝置壓差參數后，機組并網時吸收的無功明顯減少，最低降到了-5.8?Mvar。