開關(guān)變壓器技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)自同期并列上的應(yīng)用

馮卓利 潘政剛 潘家忠

（1.大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163411；2.哈爾濱帕特爾科技股份有限公司，哈爾濱 150090）

發(fā)電機(jī)的并列有兩種方式，即準(zhǔn)同期并列和自同期并列。

1）準(zhǔn)同期并列是將未投入系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，并調(diào)節(jié)其電壓和頻率，當(dāng)滿足并列條件（即電壓和頻率與系統(tǒng)相等，相位相同）時(shí)將發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)。

準(zhǔn)同期并列如果能在理想狀態(tài)下并列，則發(fā)電機(jī)輸出電流為零，不會(huì)產(chǎn)生電流和電磁力矩的沖擊，這是準(zhǔn)同期的最大優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際的并列操作中，很難實(shí)現(xiàn)理想的并列條件，尤其是手動(dòng)操作時(shí)更難達(dá)到，因此電流和電磁力矩沖擊總是存在的。只要沖擊不大，不超過(guò)允許范圍，就是允許的，自動(dòng)準(zhǔn)同期可以達(dá)到較好的效果。

準(zhǔn)同期并列時(shí)必須防止非同期并列，否則會(huì)使發(fā)電機(jī)受到破壞。如果在并列時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓之間存在較大的差別（電壓、頻率、相位），則會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，其中因相位差引起的沖擊較多。最為嚴(yán)重的情況是當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓相位差 180°進(jìn)行非同期并列，此時(shí)發(fā)電機(jī)的沖擊電流將比出口三相短路時(shí)的電流大1倍，產(chǎn)生巨大的電動(dòng)力和電磁力矩，使發(fā)電機(jī)遭到嚴(yán)重的損壞.過(guò)去就發(fā)生過(guò)因非同期并列而使發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣破壞而短路的嚴(yán)重事故。

準(zhǔn)同期并列要求的測(cè)試量較多，測(cè)試裝置比較復(fù)雜；要求二次接線不能出現(xiàn)錯(cuò)誤、同期裝置動(dòng)作要正確、每次維修之后一定要認(rèn)真檢查校核。

準(zhǔn)同期并列對(duì)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)（電網(wǎng)不穩(wěn)）需要緊急投入備用機(jī)組的情況無(wú)能為力。

2）自同期并列是將未勵(lì)磁而轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)，并立即（或經(jīng)一短暫延時(shí)）加上勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)被自動(dòng)拉入同步。

自同期并列是在發(fā)電機(jī)無(wú)勵(lì)磁時(shí)投入系統(tǒng)，在機(jī)械力矩、異步力矩及投入勵(lì)磁后的同步力矩的共同作用下迅速拉入同步，因此它從根本上消除了非同期并列的可能性，同時(shí)它并列操作簡(jiǎn)單，不存在調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)電壓和相位問(wèn)題，只需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。此外，自同期并列時(shí)間短，采用自動(dòng)自同期并列的發(fā)電機(jī)，從發(fā)出開機(jī)命令到發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)一般只要 20～40s甚至更短的時(shí)間。自同期并列的這一優(yōu)點(diǎn)，為在電力系統(tǒng)發(fā)生事故而出現(xiàn)低頻率低電壓時(shí)起動(dòng)備用機(jī)組創(chuàng)造了很好的條件，這對(duì)于防止系統(tǒng)瓦解和事故擴(kuò)大，以及較快地恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作起著重要的作用。

自同期并列時(shí)，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)，因此伴隨有短時(shí)間的電流沖擊，并使系統(tǒng)電壓下降（相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，但沖擊電流要小些），沖擊電流引起的電動(dòng)力可能對(duì)定子繞組絕緣和定子繞組端都產(chǎn)生不良影響；沖擊電磁力矩也將使機(jī)組大軸產(chǎn)生扭矩和振動(dòng)，這些不良影響雖然遠(yuǎn)較發(fā)電機(jī)出口三相短路時(shí)的影響小、發(fā)電機(jī)能夠承受，但是如果并列操作要經(jīng)常進(jìn)行，則其積累效應(yīng)也是不能忽視的，它將影響發(fā)電機(jī)的使用壽命，因此現(xiàn)在一般都是把自同期并列作為事故狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的應(yīng)急起動(dòng)并列，而正常的并列則用自動(dòng)準(zhǔn)同期并列。

1 發(fā)生非同期并列的可能性及其防止

由于發(fā)電機(jī)制造和投運(yùn)的年代不同，所以準(zhǔn)同期并列的方法也分為自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)三種方法。一般來(lái)說(shuō)如果自動(dòng)同期裝置正常，自動(dòng)準(zhǔn)同期法不會(huì)發(fā)生非同期并列事故；而其他二種方法則難免會(huì)發(fā)生非同期并列事故。例如：

1）某發(fā)電廠，發(fā)電機(jī)電壓互感器大修后二次接線首尾接反，由于未進(jìn)行定相試驗(yàn)，所以該錯(cuò)誤未被發(fā)現(xiàn)，造成該機(jī)并網(wǎng)時(shí)發(fā)生了 180°相位差的非同期并列，發(fā)電機(jī)及原動(dòng)機(jī)受到嚴(yán)重?fù)p傷。

2）某發(fā)電廠，1號(hào)高壓廠用變壓器檢修將低壓側(cè) 6kV電纜的 a、c相接反，送電后未定相，與 2號(hào)高壓廠用變壓器并列時(shí)造成a、c相短路，2號(hào)高壓廠用變壓器著火燒毀。

3）某發(fā)電廠，人員誤操作，多次發(fā)生非同期并列事故。

為防止非同期并列事故的發(fā)生，當(dāng)前的主要方法是嚴(yán)格規(guī)章制度和保證同期設(shè)備的完好。

2 開關(guān)變壓器技術(shù)用于自同期并列技術(shù)方案

從前面的敘述可見，兩種并列方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。從方便使用、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方面來(lái)看，自同期并列的優(yōu)點(diǎn)要多些。至于電流沖擊問(wèn)題，兩者都有，只是由于自動(dòng)準(zhǔn)同期技術(shù)的進(jìn)步，使其沖擊電流降得較小，因而正常情況下的并列方式都選自動(dòng)準(zhǔn)同期操作。那么，如果我們能把自同期并列時(shí)的電流沖擊控制得較小，它惟一的缺點(diǎn)就被克服了，其優(yōu)越性不是更突出了嗎？

開關(guān)變壓器技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

圖1 開關(guān)變壓式自同期并網(wǎng)接線示意圖

采用開關(guān)變壓器（TK）技術(shù)的自同期并列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)控制裝置接到起動(dòng)命令時(shí)，調(diào)節(jié)水輪機(jī)調(diào)速器使電動(dòng)發(fā)電機(jī)（DF）加速，當(dāng)控制裝置檢測(cè)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)出K3、K2的合閘命令，這時(shí)開關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置（TK）接入電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)（DF）之間（經(jīng)升壓變壓器），由于此時(shí)可控硅（SCR）尚未開通，故TK中僅流過(guò)一個(gè)小于其空載電流的電流，此電流很小，不會(huì)對(duì)DF和電網(wǎng)造成沖擊，之后，控制裝置逐步調(diào)節(jié)SCR的導(dǎo)通角，使電流逐漸加大直至設(shè)定值，在此設(shè)定值下作恒流控制.當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)DF轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的98%左右時(shí)，K1合閘、投勵(lì)、斷開K2、K3電動(dòng)發(fā)電機(jī)DF繼續(xù)加速直至同步。

當(dāng) TK兼作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的軟起動(dòng)應(yīng)用時(shí)，只要在 K2上并接一個(gè)斷路器，且在接線上做一個(gè)換相以保證DF反向運(yùn)轉(zhuǎn)即可。

在開關(guān)變壓器接入電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間、可控硅尚未開通時(shí)，使晶閘管延時(shí)幾秒鐘開通，控制裝置對(duì)兩端電壓（發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)剩磁會(huì)產(chǎn)生一定的電壓）進(jìn)行檢測(cè)，看是否有錯(cuò)相發(fā)生，如果有錯(cuò)則停止可控硅開通、發(fā)出報(bào)警，這樣便可以防止非同期并列事故的發(fā)生。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

開關(guān)變壓器技術(shù)用于自同期并列之后，自同期并列的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)展到正常的發(fā)電機(jī)并列操作，使發(fā)電機(jī)的控制簡(jiǎn)單化，完全免除了非同期并列，對(duì)發(fā)電機(jī)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

對(duì)于占系統(tǒng)容量比例很大的發(fā)電機(jī)，由于自同期并列時(shí)會(huì)有較大的電壓降落，故大型發(fā)電機(jī)的自同期并列操作受到了一定限制，這對(duì)電網(wǎng)的事故快速處理有一定的影響。采用開關(guān)變壓器技術(shù)后，沖擊電流被消除，電壓降落減小，大型發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)發(fā)生事故（或正常操作情況）時(shí)也可采用自同期并列，這無(wú)疑對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

3 結(jié)論

應(yīng)該說(shuō)，開關(guān)變壓器技術(shù)可以用于任意大小的發(fā)電機(jī)自同期并列，但由于其硬件構(gòu)成的成本使得該裝置費(fèi)用較大，具體應(yīng)用時(shí)要對(duì)造價(jià)和運(yùn)行效果加以權(quán)衡。但是，如果將該技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和自同期并列，則具有性價(jià)比最優(yōu)及事半功倍的效果。

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