同期并網(wǎng)存在的問題及對策

胡航帆

(哈爾濱電業(yè)局，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

近年來，基于傳統(tǒng)閉鎖斷路器同期合閘回路的同期裝置已廣泛應用于我國發(fā)電廠、變電站的二次回路設計和微機保護測控及自動裝置中。然而由于對同期并網(wǎng)存在認識上的誤區(qū)，導致現(xiàn)有的變電站不能實現(xiàn)線路的自動同期以及雙端有電源的線路自動重合閘，從而使得現(xiàn)有大部分的斷路器仍處于目前的手動控制水平，使得真正意義上的無人值班變電站無法實現(xiàn)，阻礙了變電站綜合自動化水平的進一步提高，成為“調(diào)控一體化模式”推廣的重大障礙［1］。因此，本文從同期并網(wǎng)的概念出發(fā)，澄清了同期并網(wǎng)概念上的誤區(qū)，分析了非不同期并網(wǎng)帶來的危害，提出了新的形勢下同期裝置所應滿足的要求，及調(diào)度控制中心除應承擔電網(wǎng)調(diào)度傳統(tǒng)職責外應加強特殊情況下緊急遙控操作等職責。

1 同期并網(wǎng)概念的由來

在電力系統(tǒng)運行中，經(jīng)常需要把發(fā)電機并到系統(tǒng)中運行，或者通過聯(lián)絡線把兩個解列的系統(tǒng)并列起來，或者將越來越多的環(huán)形網(wǎng)絡開環(huán)點合環(huán)，然后利用同期裝置來檢查兩個待并列系統(tǒng)電壓數(shù)值上是否相等，頻率差是否小于允許值，相位角是否足夠小，使沖擊電流盡可能約等于零，進而保證同期合閘不會給發(fā)電機及系統(tǒng)造成太大的損害，提高電力系統(tǒng)運行的安全性。

同期并列應具備的理想條件:

a.待并系統(tǒng)電壓等于運行系統(tǒng)電壓，允許電壓偏差不大于5%;

b.待并系統(tǒng)頻率等于運行系統(tǒng)頻率，允許頻率偏差不大于0.1 Hz;

c.待并系統(tǒng)電壓相位等于運行系統(tǒng)電壓相位。

2 非同期并網(wǎng)的危害

在圖1所示的兩個獨立電源組成的雙電源網(wǎng)絡中，利用聯(lián)絡線L的斷路器2DL進行同期并網(wǎng)。

a.當電壓不等的情況，并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流，其周期分量的有效值為

圖1 差頻并網(wǎng)單線示意圖

式中:Im為沖擊電流的周期分量的有效值;為待并系統(tǒng)電壓瞬時值;˙u2為運行系統(tǒng)電壓瞬時值;為待并系統(tǒng)次暫態(tài)電抗。

當待并系統(tǒng)電壓U1大于運行系統(tǒng)電壓U2時，im滯后90°，對待并系統(tǒng)發(fā)電機起去磁作用，系統(tǒng)并列后發(fā)電機立即帶無功功率。待并系統(tǒng)電壓U1小于運行系統(tǒng)電壓U2時，im超前˙u190°，對待并系統(tǒng)發(fā)電機起助磁作用，系統(tǒng)并列后發(fā)電機吸收無功功率。當壓差ΔU很大，則沖擊電流im很大，將會使發(fā)電機定子繞組發(fā)熱，使得定子繞組在電動力作用下受損。

b.當相位不一致時，并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流，其周期分量的有效值為

當待并系統(tǒng)電壓˙u1超前運行系統(tǒng)電壓˙u2時，im的主要成分為˙u1同相位的有功分量，待并系統(tǒng)并入系統(tǒng)時，立即帶有功功率，對發(fā)電機起制動作用，有利于將待并系統(tǒng)電壓拉到與系統(tǒng)電壓同相位。當待并系統(tǒng)電壓˙u1滯后運行系統(tǒng)電˙u2時，im的主要成分為˙u1反相位的有功分量，待并系統(tǒng)并入系統(tǒng)時，立即吸收有功功率，對發(fā)電機起加速作用，有利于將待并系統(tǒng)電壓拉到與系統(tǒng)電壓同相位。如果δ很大，則沖擊電流很大，其有功分量在發(fā)電機軸上產(chǎn)生沖擊力矩，使設備燒毀。特別是δ等于180°時，則沖擊電流等于系統(tǒng)首端三相短路電流的兩倍，損害最嚴重。

c.當頻率不等的情況，待并系統(tǒng)電壓˙u1與運行系統(tǒng)電壓˙u2之間具有相對運動，存在頻率差，如果頻率差較大，則在并列合閘后δ在0～360之間周期性變化，當δ=0和δ=360時，電壓差ΔU=0，則Im=0，當 δ=180 時，電壓差 ΔU=2U2=2U1，則 Im最大。待并系統(tǒng)在頻率差較大的情況下并網(wǎng)，立即帶上較多的有功功率，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的力矩，是待并系統(tǒng)發(fā)電機產(chǎn)生機械振動，嚴重時失步，造成并列不成功。如果待并系統(tǒng)頻率低于運行系統(tǒng)頻率，并列后發(fā)電機將會吸收電網(wǎng)有功，其逆功率對汽輪機末級葉片造成損壞。

3 合環(huán)操作的同期分析

隨著電網(wǎng)投資的不斷加大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的更加復雜化，電網(wǎng)連接的緊密程度進一步加深，雙回線路，環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的日益增多，發(fā)電機的投切、聯(lián)絡線路及雙回線路的投入經(jīng)常表現(xiàn)為合環(huán)的形式，我們稱之為同頻并網(wǎng)即并網(wǎng)前開環(huán)點兩端的頻率相同。

下面分析環(huán)網(wǎng)形式下同頻并網(wǎng)的特點。

并網(wǎng)(合環(huán))前開環(huán)點斷路器兩側(cè)是同一個系統(tǒng)。在圖2中的1DL處進行并網(wǎng)即屬同頻并網(wǎng)，開環(huán)點1DL的左側(cè)電壓˙u1和右側(cè)電壓˙u2均為同一頻率，但在其兩側(cè)有電壓差和相角差，此相角差為線路L2、L3構(gòu)成的等值線路的運行功率角δ，如等值線路的傳輸功率為P，電抗為XL，則˙e1(發(fā)電廠等值發(fā)電機的電勢)和˙u2間的功角δ可由下式表述:

式中:Xd∑=Xd+XT+XL，Xd、XT分別為發(fā)電機同步電抗及變壓器電抗;E1為發(fā)電廠等值發(fā)電機電勢的有效值;U2為運行系統(tǒng)電壓的有效值。功角δ與線路傳輸功率P是正弦函數(shù)關系，因此其取值隨著P的增加應在0°～90°范圍。

圖2 合環(huán)并網(wǎng)單線示意圖

如果此時仍按傳統(tǒng)方式，把定值為30°的同期繼電器常閉接點接入合閘回路，那么因線路功角δ很容易達到閉鎖角定值30°，將無法實現(xiàn)合環(huán)操作，這樣一來新線路將會因同期繼電器斷開了合閘回路而無法投運，雖然此時可以通過壓板SSM1閉鎖同期繼電器的接點，然后手動強行合閘。但運行人員此時的操作帶有盲目性，并不知道功角δ到底是多少度。如果在δ很大時，強行合閘就可能誘發(fā)過負荷或失步而再次使線路跳閘，對系統(tǒng)造成不必要的擾動，甚至釀成事故。

為了避免強行手動合閘對系統(tǒng)造成的損害，我們可以通過潮流計算得到各個合環(huán)點在不同運行方式下的允許合環(huán)功角，可以采用不同運行方式下較小的計算值，這比采用一個固定的30°要合理一些，并且不會失去大量的合環(huán)機會。

4 同期并網(wǎng)采取的對策

通過上述分析可知，傳統(tǒng)的檢同期概念對于兩種不同形式的并網(wǎng)已經(jīng)不合時宜了，因此在斷路器的操作回路中不能再簡單的利用同期繼電器來閉鎖合環(huán)操作了?？紤]到現(xiàn)有變電站的硬件裝置和系統(tǒng)管理模式，采取更新同期裝置和繼電保護及測控裝置和加快調(diào)控一體化技術支持系統(tǒng)，完善調(diào)控一體管理制度等措施，使電網(wǎng)調(diào)度運行控制適應電網(wǎng)快速發(fā)展的要求［2］。

a.積極研究主網(wǎng)調(diào)控一體化工作，拓展調(diào)度工作職責，整合電網(wǎng)調(diào)度、設備運行集控功能，實現(xiàn)變電運行工作由有人、多人值班模式和集控模式層面向調(diào)控層面的升級和轉(zhuǎn)化。

調(diào)度運行工作應充分利用先進的技術手段，充分發(fā)揮現(xiàn)有潮流計算和穩(wěn)態(tài)計算的作用，拓寬潮流計算的使用范圍，計算出不同運行方式下合環(huán)點的允許合環(huán)的功角，并把該功角應用到同期合閘回路的設計當中。

b.在完善同期合閘回路二次接線和自動裝置設計的基礎上，制造廠家應加大產(chǎn)品研制力度，生產(chǎn)出具備適應不同形式同期并網(wǎng)方式的繼電保護和自動裝置［3－5］。

線路的自動同期除了能夠適應不同形式的同期方式，實時測量合環(huán)點功角值，在不同系統(tǒng)運行方式下修改閉鎖角定值的功能外，還必須具備向調(diào)度部門上傳各種信息，及時地做出是否合環(huán)的決定，以及在不滿足合環(huán)條件時，調(diào)度管理人員能及時調(diào)整潮流，以便為合環(huán)創(chuàng)造條件。

［1］潘書燕，程利軍，劉維鋒，等.同期功能應用于關于線路保護測控單元［J］.電力自動化設備，2005，25(12):73 －76.

［2］李繼晟，鄭蔚，葉艷軍.一種新型的綜合測控裝置中同期功能的設計實現(xiàn)［J］.繼電器，2005，33(5):56 －58，62.

［3］彭曉濤，王少榮，程時杰.高性能微機自動準同期裝置［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26(9):75 －77.

［4］周斌，魯國剛.具有檢同期合閘功能的變電站測控裝置［J］.電力自動化設備，2004，24(1):91 －93.

［5］郭建，周斌.新型微機自動準同期裝置設計［J］.電力自動化設備，2005，25(8):77 －81.