同步調相機繼電保護裝置的動模試驗

吳思圓，韓士杰

（1.國網浙江省電力有限公司臨海市供電公司，浙江 臨海317000；2.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京210000）

近年來，隨著直流輸電、新能源、大電網、特高壓等技術的發展以及電力電子設備大量被應用，電網運行特性變化很大，交流與直流、送端與受端相互影響，影響著電壓和頻率穩定性、電網的安全運行。系統所需無功日漸增多，需解決電網的無功與電壓問題，提升無功功率補償及調節能力。

調相機又稱同步補償機，實質是接在電網上的一種空載運行的同步電動機，它僅從電網吸收少量的有功功率來維持運行時的空載損耗（機械損耗、銅耗和鐵耗），專門用來補償系統無功的不足和吸收系統多余的無功，改善系統功率因數，降低網絡中的損耗，對調整電網電壓和保證電網運行的穩定性具有較好的作用。

大型同步調相機即將在特高壓、直流系統、大電網系統中獲得應用，國家電網公司規劃“十三五”期間投運一批大型調相機組[1]。如下。

1 系統模型

隨著調相機的現場應用及調相機繼電保護裝置的開發，迫切需要建立調相機繼電保護裝置的物理測試平臺進行測試、驗證。

參照電力行業標準GB/T 26864電力系統繼電保護產品動模試驗以及扎魯特換流站和青州換流站的實際情況，擬定了電壓等級為20 kV、容量為300 MVA的調變機組測試方案，如圖1所示。

圖1 系統主接線圖

模擬的保護對象為20 kV、300 MVA的調相機組，調相機機端經500 kV、360 MVA升壓變接入無窮大系統。SFC裝置經6 MVA隔離變接入10 kV母線。

2 平臺搭建

實驗室在原有同步發電機測試平臺的基礎上進行改造、增加設備以滿足同步調相機的測試。重要工作

2.1 同步發電機改造

利用同步電機運行的可逆性原理把同步發電機改造為試驗用調相機。

同步電機運行的可逆性原理：同步電機的運行是可逆的，即可以由轉子輸入機械能，經過電磁作用，轉變為電能，從定子輸出；也可以由定子輸入電能，經過電磁作用，轉變為機械能，從轉子輸出。

若同步電機不用原動機來拖動，在軸上又不帶任何機械負載，而是接在電網上空載運轉，專門用它來調整系統的無功功率，這種運行方式的同步電機稱為同步調相機。

將同步發電機改造為同步調相機，具體步驟如下：①把原動機與發電機分離。改造后的發電機不帶任何機械負載。②同步發電機的機組慣量較小，同期有效時間過短，不能捕捉同期點。在原勵磁機位置上增加飛輪盤以增大動模發電機的轉動慣量值。機組原慣量J=mR2/2=1/2×19 kg×0.3752=1.336×6片=8.016 kg·m2。新增加慣量J=mR2/2=1/2×23.5 kg×0.322=1.2×10片=12 kg·m2。

同步發電機改造前后分別如圖2和圖3所示。

圖2 同步發電機改造前

圖3 同步發電機改造后

2.2 變頻啟動設備SFC

靜止變頻器系統包括進線斷路器、啟動變、12脈整流橋、6脈逆變橋、平波電抗器、切換刀閘、隔離刀閘、控制保護系統等。SFC系統原理如圖4所示。

圖4 SFC系統原理圖

SFC通過變頻軟起的方式將同步調相機起動到105%轉速后退出運行；當調相機頻率、相位和電壓幅值由同期裝置檢測到與電網電壓一致后，調相機投入電網，掛網運行。

起動流程描述如下：①調相機的起動由變頻器（SFC）控制，并網由同期裝置控制；②在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合進線側與變頻變壓器相連的斷路器，然后SFC按照事先調整好的加速轉矩曲線給電機加速，直至大約105%的額定轉速；③達到105%轉速后，輸出斷路器斷開，SFC退出運行；④勵磁裝置、同期裝置開始運行；⑤一旦調相機相位、頻率和電壓幅值被監測到與電網電壓一致，同期裝置向并網斷路器發出合閘命令；⑥電機工頻運行。

2.3 勵磁系統的改造

勵磁系統是調相機中極為重要的部件，直接關系到調相機對電力系統的無功補償運行特性。調相機勵磁分為啟動勵磁和主勵磁。動作過程中，啟動勵磁受SFC控制。達到105%轉速后，輸出斷路器斷開，SFC退出運行，主勵磁工作，啟動勵磁退出。

同時，完善短路控制設備以達到精確控制短路時間、角度等目的；增加DCS設備，對調相機機組啟、停機及運行過程進行自動控制。

3 重點測試項目

按照同步發電機的測試項目，實驗室對調相機在不同工況下進行多種試驗項目。但調相機比同容量、同類型發電機的運行工況復雜，其保護也不盡相同，要保證調相機保護的可靠運行，特別關注的試驗項目有啟動過程對保護的影響、失磁保護。

3.1 啟動過程

調相機變頻啟動過程中機端電壓的頻率為0～52.5 Hz，而常規保護是針對工頻的保護，因此啟動過程中是調相機繼電保護的測試重點。

調相機啟動過程細分為：低頻階段（3～10 Hz）、中頻階段（10～20 Hz）、高頻階段（30～52.5 Hz）、同期并網墮機階段、同期失敗，調相機快速再重啟階段。

圖5為調相機啟動低頻35 Hz時，變壓器高壓側區內ABCN短路時波形。可以看出，電壓、電流波形畸變嚴重。繼電保護裝置需要考慮頻率、諧波、幅值等因素，以提高動作正確率。

圖5 調相機啟動低頻35 Hz，變壓器高壓側區內ABCN短路

3.2 失磁保護

調相機失磁的性質不同于同步發電機失磁，其性質只屬于欠勵范疇[2]。

調相機勵磁系統故障分為低勵和失磁。低勵表示電機的勵磁電流低于維持靜穩極限所對應的勵磁電流，也稱部分失磁。失磁則表示電機完全失去勵磁，主要分為勵磁電壓完全降為0的短路失磁和勵磁電流降為0的開路失磁[3]。勵磁電壓完全降為0的短路失磁波形如圖6所示。

圖6 勵磁電壓完全降為零的短路失磁

同步調相機運行時通過調節勵磁電流從而調節系統電壓。調相機的無勵磁運行實為欠勵磁運行的極限，其吸收無功功率的能力達到最大值。同步調相機的欠勵磁運行狀態和低勵故障狀態區別特征在母線電壓水平。

圖7為勵磁電壓降為20%時母線電壓情況。實際運行時部分失磁對母線電壓的影響和系統大小方式有很大關系，如何設置定值需要進一步研究和探討。

圖7 勵磁電壓降為20%的部分失磁

4 結語

動模實驗系統是繼電保護裝置的重要驗證平臺。實驗室通過改造、增加設備搭建了同步調相機繼電保護裝置的測試平臺。根據調相機與發電機不同之處，特別關注了啟動過程對繼電保護的影響和失磁保護，有效促進了同步調相機繼電保護水平的提高。