抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)中跳閘技術(shù)改造方案

常永亮，張兵海，王 勇，何忠華

（1.河北省電力研究院，河北 石家莊 050021；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 井陘 050300）

0 引言

水泵工況啟動(dòng)是可逆式抽水蓄能機(jī)組重要的工況轉(zhuǎn)換過程，而背靠背啟動(dòng)方式是抽水蓄能機(jī)組水泵啟動(dòng)的重要啟動(dòng)方式之一，該方式涉及拖動(dòng)設(shè)備的選擇、拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的流程控制、勵(lì)磁、調(diào)速器以及保護(hù)配合等相關(guān)設(shè)備的聯(lián)合控制，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電協(xié)調(diào)控制過程，背靠背啟動(dòng)成功與否直接關(guān)系到抽水蓄能機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，在國內(nèi)多個(gè)抽水蓄能電站調(diào)試階段，發(fā)生過抽水蓄能機(jī)組在背靠背啟動(dòng)過程中，由于拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁切除配合問題而導(dǎo)致的事故，有的引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作導(dǎo)致背靠背啟動(dòng)失敗，有的嚴(yán)重時(shí)燒毀電氣設(shè)備，所以在背靠背啟動(dòng)過程要采取必要的預(yù)防措施，以避免發(fā)生類似事件而影響主設(shè)備的正常運(yùn)行。

1 背靠背啟動(dòng)介紹

1.1 背靠背啟動(dòng)流程

背靠背啟動(dòng)過程中，拖動(dòng)機(jī)組及被拖動(dòng)機(jī)組通過啟動(dòng)母線形成的電氣軸傳遞拖動(dòng)力矩。背靠背啟動(dòng)的主要步驟如下：

（1）建立一次設(shè)備的連接。拖動(dòng)機(jī)組拉開中性點(diǎn)刀閘，合上拖動(dòng)刀閘，合上機(jī)組出口開關(guān)；被拖動(dòng)機(jī)組將換相刀閘合向抽水方向，合上被拖動(dòng)刀閘。

（2）投入拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的勵(lì)磁。建立電氣軸并維持恒定勵(lì)磁電流。

（3）根據(jù)設(shè)定開度打開拖動(dòng)機(jī)組導(dǎo)葉。當(dāng)導(dǎo)葉達(dá)到一定開度能夠克服水輪機(jī)啟動(dòng)的阻力矩時(shí)，拖動(dòng)機(jī)組開始緩慢啟動(dòng)。由于兩機(jī)組間預(yù)先通入勵(lì)磁電流，拖動(dòng)機(jī)組必然會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，使定子上產(chǎn)生的低頻電流通過啟動(dòng)母線流向被拖動(dòng)機(jī)組定子。被拖動(dòng)機(jī)組在勵(lì)磁作用下產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于啟動(dòng)阻力矩時(shí)，被拖動(dòng)機(jī)組開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）被拖動(dòng)機(jī)組同期裝置啟動(dòng)。根據(jù)被拖動(dòng)機(jī)組與電網(wǎng)的頻差和壓差，通過調(diào)節(jié)拖動(dòng)機(jī)組調(diào)速器和勵(lì)磁裝置，滿足同期條件后發(fā)出被拖動(dòng)機(jī)組開關(guān)合閘命令，同時(shí)發(fā)出拖動(dòng)機(jī)組開關(guān)分閘命令，解除拖動(dòng)電氣軸。

（5）被拖動(dòng)機(jī)組根據(jù)設(shè)定至抽水調(diào)相或抽水工況運(yùn)行。

（6）拖動(dòng)機(jī)組根據(jù)設(shè)定至停機(jī)或發(fā)電工況運(yùn)行。

1.2 監(jiān)控跳機(jī)流程

監(jiān)控流程是有許多子程序組成的，由兩個(gè)總調(diào)用程序?qū)崟r(shí)統(tǒng)一管理調(diào)用：其中，一個(gè)總調(diào)用程序使機(jī)組實(shí)時(shí)根據(jù)不同命令選擇相應(yīng)的子程序，從而在相應(yīng)的工況之間進(jìn)行正常轉(zhuǎn)換；另一個(gè)總調(diào)用程序使機(jī)組實(shí)時(shí)根據(jù)不同的跳機(jī)條件選擇相應(yīng)的跳機(jī)子程序，來實(shí)現(xiàn)不同的跳機(jī)功能。注意只要機(jī)組得電投入備用，這兩個(gè)總程序就實(shí)時(shí)地對子程序進(jìn)行管理調(diào)用。

工況轉(zhuǎn)換可以分解成若干步驟，且每一步都有定義許可的時(shí)間。在自動(dòng)模式下，在許可時(shí)間內(nèi)必須完成每一步定義對轉(zhuǎn)換設(shè)備操作并收到相應(yīng)的反饋狀態(tài)信號；否則，機(jī)組工況轉(zhuǎn)換失敗，啟動(dòng)停機(jī)程序，若停機(jī)過程轉(zhuǎn)換時(shí)間過長，將啟動(dòng)跳機(jī)程序。

1.3 背靠背方式故障情況下的跳機(jī)

以國內(nèi)某抽水蓄能電站為例。上述信號傳輸?shù)姆椒ㄊ羌夹g(shù)改造前，在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置公共就地控制單元 （LCU），由其進(jìn)行機(jī)組的狀態(tài)判斷和跳閘信號的關(guān)聯(lián)發(fā)送，這可配合各機(jī)組順序控制流程。其優(yōu)點(diǎn)是減少了機(jī)組二次接線，便于功能組態(tài)和修改；缺點(diǎn)是計(jì)算機(jī)運(yùn)算和信號傳輸間存在的時(shí)延可能導(dǎo)致動(dòng)作異常，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致?lián)p毀設(shè)備事故的發(fā)生。

本文提出的技術(shù)改造方案是，機(jī)組狀態(tài)的判斷取自計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，但其信號的傳輸獨(dú)立于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置硬布線回路，在機(jī)組背靠背拖動(dòng)過程中形成拖動(dòng)和被拖動(dòng)機(jī)組的關(guān)聯(lián)跳閘回路，各機(jī)組的繼電保護(hù)動(dòng)作后引出跳相關(guān)機(jī)組的信號，通過上述硬布線回路直接跳拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速，缺點(diǎn)是增加了接線和維護(hù)量。

2 技術(shù)改造方案

2.1 技術(shù)改造必要性

背靠背啟動(dòng)升速過程中，由于被拖動(dòng)機(jī)組的原因造成啟動(dòng)失敗，被拖動(dòng)和拖動(dòng)機(jī)組需分別執(zhí)行緊急停機(jī)流程，此時(shí)要保證拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的勵(lì)磁切除時(shí)間的配合。假如被拖動(dòng)機(jī)組的勵(lì)磁先切除，拖動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁后切除，在這段配合時(shí)間內(nèi)，被拖動(dòng)機(jī)組將處于失磁狀態(tài)，由于該機(jī)組的電樞反應(yīng)消除，電磁制動(dòng)力矩也將消失，其電機(jī)定子繞組阻抗將呈現(xiàn)非常低的狀態(tài)，拖動(dòng)機(jī)組的定子三相電流在被拖動(dòng)機(jī)組定子中三相短路，會在啟動(dòng)回路產(chǎn)生大的短路電流。該電流遠(yuǎn)大于啟動(dòng)回路額定電流，會引起主變大差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)將燒毀啟動(dòng)回路相關(guān)設(shè)備。例如，國內(nèi)某大型抽水蓄能電站調(diào)試階段，背靠背拖動(dòng)時(shí)曾發(fā)生過損毀電氣設(shè)備的情況，事故后查看故障錄波儀得知，其跳開拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)滅磁開關(guān)的時(shí)間差高達(dá)400 ms之久，是造成損毀設(shè)備的直接原因，所以對其進(jìn)行技術(shù)改造很有必要。

2.2 技術(shù)改造方案

通過在機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)中添加 “跳相鄰機(jī)組單元”接點(diǎn)，使其與 “跳本機(jī)組”接點(diǎn)同時(shí)動(dòng)作。若背靠背啟動(dòng)過程中機(jī)組出現(xiàn)電氣或機(jī)械故障跳機(jī)時(shí)，跳本機(jī)的滅磁開關(guān) （以下簡稱 “FCB”），同時(shí)發(fā)出相鄰機(jī)組的FCB令。跳相鄰機(jī)組令是通過硬布線送至另一機(jī)組，可以達(dá)到同時(shí)跳拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)滅磁開關(guān)的目的，其時(shí)間差很小 （見模擬試驗(yàn)表1），可以忽略。背靠背跳閘技術(shù)改造示意圖見圖1所示。

本次背靠背跳閘技術(shù)改造涉及監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)部分的修改。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，為將故障機(jī)組保護(hù)跳閘信號和相鄰機(jī)組的勵(lì)磁FCB跳閘線圈相連，在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置機(jī)組選擇邏輯。即將對應(yīng)拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)的保護(hù)和勵(lì)磁相連，見圖2所示。在保護(hù)系統(tǒng)中，添加 “跳相鄰機(jī)組單元”功能，用于跳相鄰機(jī)組FCB。在保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)間敷設(shè)電纜，并修改程序。即在FCB跳閘回路中引入4臺機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的跳閘信號，見圖3所示。在勵(lì)磁系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)跳閘信號要引入勵(lì)磁系統(tǒng)的FCB跳閘線圈，需敷設(shè)控制電纜，用于跳有關(guān)機(jī)組的FCB。

圖1 背靠背跳閘技術(shù)改造示意

圖2 背靠背跳閘回路監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組選擇邏輯示意

圖3 背靠背跳閘回路監(jiān)控系統(tǒng)修改示意

3 技術(shù)改造后試驗(yàn)

3.1 技術(shù)改造后背靠背模擬試驗(yàn)

國內(nèi)某大型抽水蓄能機(jī)組背靠背跳閘技術(shù)改造后，在4臺機(jī)組兩兩背靠背拖動(dòng)過程中現(xiàn)場分別模擬電氣故障和機(jī)械故障跳機(jī)，測量跳開拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組滅磁開關(guān)的時(shí)間差，結(jié)果見表1。

現(xiàn)場試驗(yàn) （包括現(xiàn)地單步流程方式和主控室自動(dòng)方式）表明，4臺機(jī)組相互間的背靠背流程正確，功能正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 模擬故障跳機(jī)時(shí)跳開機(jī)組滅磁開關(guān)的時(shí)間差ms

3.2 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題及建議

在4號機(jī)組拖動(dòng)1、2號機(jī)組過程中在被拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到220 r/min時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障跳開拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的滅磁開關(guān)，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。檢查分析其因?yàn)椋?號機(jī)組在監(jiān)控發(fā)出打開小導(dǎo)葉命令后，由于4號機(jī)組本身的機(jī)械特性使打開小導(dǎo)葉時(shí)間超時(shí)。增加相應(yīng)延時(shí)后，問題得到解決，系統(tǒng)功能正常。

由于機(jī)組機(jī)械特性間的個(gè)性差異，使被拖動(dòng)機(jī)組在初始投入勵(lì)磁到機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)起來的時(shí)間存在差異，但時(shí)間差應(yīng)控制在30 s之內(nèi)。因?yàn)?，若在被拖?dòng)機(jī)組投入勵(lì)磁后，機(jī)組轉(zhuǎn)子長時(shí)間拖動(dòng)不起來，會對機(jī)組造成損壞。建議在監(jiān)控中增加相應(yīng)保護(hù)邏輯，使該種情況下跳開拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的滅磁開關(guān)，有效保護(hù)機(jī)組的安全。

4 結(jié)論

國內(nèi)某大型抽水蓄能機(jī)組背靠背跳閘的技術(shù)改造，解決了由于背靠背方式下發(fā)生電氣或機(jī)械故障時(shí)不能同時(shí)跳開拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組滅磁開關(guān)而引起保護(hù)誤動(dòng)或損毀設(shè)備的問題，現(xiàn)場模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)改造方案的正確性和有效性。

［1］ 劉書玉，朱軍，宋男.張河灣電站計(jì)算機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水電廠自動(dòng)化， 2010（5）:14-17.

［2］ 李建光，馮文帥.ELIN DRS微機(jī)保護(hù)裝置 “跳閘回路監(jiān)視”問題分析及改進(jìn)措施［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008（10）:44-47.

［3］ 邵宜祥,呂宏水，馮勇.抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)規(guī)律的仿真［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測， 2008（4）:5-9.

［4］ 陳賢明，朱曉東，王偉．水輪發(fā)電機(jī)空載滅磁仿真研究［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2005，29（3）:40-42.

［5］ 駱林，馬志云．抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組背靠背啟動(dòng)過程仿真研究［J］. 大電機(jī)技術(shù)， 2005（6）:11-14．