發電機同期電壓回路雙重化的必要性分析

田志鵬

（山西京能呂臨發電有限公司，山西 呂梁 033000）

發電機同期回路是發電廠二次部分非常重要的一部分。同期回路的完整、正確是發電廠正確并網的前提。隨著電力系統的不斷發展，發電機單機容量越來越大，發生非同期并網時，電網與轉子軸系機械系統發生的電磁共振的危害也越來越大。另外，巨大的電動力還會損傷發電機和主變壓器的繞組，甚至導致報廢。而近年來由于同期電壓回路的誤接線導致的發電機非同期并列屢見不鮮，所以通過同期回路的改進避免此類事件的發生很有必要。

1 參考事件

2007年12月，某電廠1#機組大修完畢，電氣試驗完畢，假同期試驗完畢，經中調同意后進行并網操作。發電機并網后機組跳閘。經檢查分析，檢修人員在同期裝置檢查時拆除了引入同期裝置的系統電壓、發電機機端電壓的四根外接線，在恢復二次回路接線時由于工作失誤造成了誤接線，導致發電機非同期并網。

2014年6月，天津某電廠2#機組B修后并網。并網瞬間發電機開關、滅磁開關跳閘。主變差動、發電機差動、定子接地、主變重瓦斯、主變壓力釋放等保護動作，主變噴油。事故原因為，工作負責人執行措施不當且拆線時未核對圖紙，未做標記，造成接線錯誤。

2019年04月，安徽某電廠3#機組并網操作。發電機開關合閘后即跳閘，滅磁開關跳閘。發變組保護柜報“主變差動速斷”“主變比率差動”“發變組比率差動”“發變組差動速斷”，發變組保護C柜報“主變重瓦斯”“主變輕瓦斯”“主變壓力釋放”。就地檢查發現主變本體撕裂漏油，本體向外冒煙。現場檢查確認，事故原因為發變組保護C柜端子排接線錯誤，由升壓站引至該柜的二次電壓回路接線順序錯誤，極性接反。當3#機組并網時導致同期裝置的系統側電壓相位反了180度。

2 發電機非同期并列的危害

非同期并列時，會產生很大的合閘沖擊電流，過電流對發電機與變壓器繞組及發電機軸系造成嚴重損害，發電機將發出劇烈的振動，使發電機與變壓器繞組變形，絕緣崩裂，定子繞組絕緣護套熔化，甚至將繞組燒毀，即使沒有立即損壞，也會造成嚴重的缺陷,對于整個電力系統來講,如果一臺大型發電機發生非同期并列，將會造成很大的沖擊電流，并造成電網大量有功轉移，引起電網震蕩，嚴重時甚至會造成電網解列。嚴重影響整個電網系統的穩定運行。同期并網的三要素為待并側與電網側電壓相等、頻率相等、相位相同。非同期并列按不同的原因分為三種具體情況。

2.1 電壓不等的情況

發電機投入勵磁建立機端電壓后，要將待并電壓調節至與系統側電壓基本相同。如果并列時兩側電壓不相同則會產生較大沖擊電流，其周期分量有效值為Iim=|△U|/X”d。

當發電機電壓大于系統電壓時，沖擊電流對發電機起去磁作用，并網后發電機滯相運行，當發電機電壓小于系統電壓時，沖擊電流對發電機起助磁作用，并網后發電機進相運行，如果電壓差相差很大，則沖擊電流過大，將會使發電機定子繞組發熱受損，或在電動力作用下將繞組與絕緣損壞。

2.2 電壓相位不相同的情況

發電機電壓與系統側電壓相位不一致時，相當于兩端有電壓差，在并列瞬間出現沖擊電流（大小與相位差有關）,其周期分量有效值為Iim=△U/Xd=2U/Xd sin(δ/2)。

當發電機電壓相位超前系統電壓相位時，沖擊電流主要成分為與發電機同相位的有功分量，發并網后發電機立即帶有功功率，沖擊電流對發電機有減速作用。當發電機電壓相位滯后系統電壓相位時，發并網后發電機吸收有功功率，沖擊電流對發電機有增速作用。通過公式我們可以看出，Iim的大小與相位差δ有很大關系，當δ在180°時，斷路器兩端電壓為2倍機端電壓，產生的電流比機端短路電流還要大。如此大的沖擊電流很容易將發電機定子繞組與變壓器燒損，強大的電動力足以將端部繞組扭斷。參考之前發生的180°非同期并網事故，發電機與變壓器幾乎報廢，損失巨大。

2.3 頻率不相等的情況

發電機電壓與系統電壓頻率不同時并網會使并網后發電機立即帶上正（負）有功功率，原理參考電壓相位不相同時的情況。發電機轉子會產生震蕩，定子繞組中出現沖擊電流。

綜上所述，在不同的非同期并列情況下尤其以相位相差180°時危害最大。

3 同期回路分析

以目前大部分發電廠同期回路（圖1）為例分析，自動準同期裝置與同步檢查繼電器所引入電壓均來自同一組待并側PT（C623、B623）與系統側PT（C601、N601）。在回路完整正確的前提下，自動準同期裝置與同步檢查繼電器能夠正常工作，發電機和系統電壓達到準同期條件時，準同期裝置發出合閘指令。自動準同期裝置與同步繼電器出口信號串聯只能防止同期裝置故障或同步檢查繼電器損壞。但是，在電壓采樣回路出現問題是此設計方法并不能及時發現，也就防止不了誤接線時的非同期并網事故。在實際生產過程中，檢修同期裝置與裝置定期檢驗中經常會做解開電壓線的安全措施，檢修完畢在恢復電壓線的過程中很容易因工作麻痹大意造成兩根電壓線接反。當電壓回路其中一組PT發生誤接線而并網時，恰恰是非同期事故中最嚴重的相位差180°的并網。這種將發電機變壓器等重大設備的安全只寄托在兩根線的正確接線上顯然是不安全的，如圖1。

圖1

可以發現，待并側PT（C623、B623）與系統側PT（C601、N601）這四根線任意接錯兩根，就會導致機組的非同期并列。由近幾年的非同期并列事故也可以看出，這類事故發生的并不罕見。可見發電廠同期回路的一個接線錯誤就會直接導致發電機非同期并列，損傷發電機、主變等主要設備甚至報廢，顯然是不太合理的。

4 改進措施

受《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施》（15.2.2.1兩套保護裝置的交流電壓應分別取自電壓互感器互相獨立的繞組）啟發，如果將自動準同期裝置與同步檢查繼電器的電壓回路分別從兩個電壓互感器互相獨立的繞組引入，使得兩個裝置電壓回路分別獨立，如圖2。

圖2

自動準同期裝置與同步檢查繼電器所引入電壓均分別來自兩組待并側PT（C623、B623）（C633、B633）與系統側PT（C601、N601）（C611、N601）。在檢修過程中，任意接錯其中一組電壓線都會使并網時，自動準同期裝置與同步檢查繼電器不能同時滿足條件，起到相互閉鎖的作用。這樣從設計上就大大降低了同期回路因誤接線引起非同期并網的可能性。

另外，將電壓回路端子改為電流端子，避免裝置檢修校驗中拆線，可保證不發生接線錯誤。增加同期回路的可靠性。

5 結語

對發電機同期電壓回路進行改進，將自動校準同期裝置與同步檢查繼電器的電壓回路，分別從兩個電壓互感器互相獨立的繞組引入，使得兩個裝置電壓回路分別獨立，實現同期電壓回路的雙重化。可以大大降低誤接線導致非同期并網的可能性。