微機型自動準同期裝置的調(diào)試及維護

沈靜雯

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

將同步發(fā)電機投入電力系統(tǒng)并列運行的操作稱為并網(wǎng)操作，并網(wǎng)操作是電力系統(tǒng)運行中的一項重要操作。隨著電力系統(tǒng)容量以及發(fā)電機組單機容量的不斷增大, 不符合條件的并網(wǎng)操作會帶來極其嚴重的后果：當汽輪發(fā)電機組與系統(tǒng)非同期并列時, 將會產(chǎn)生較大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩。其中，沖擊電流會對發(fā)電機定子端部繞組產(chǎn)生強大的應力，而電磁轉(zhuǎn)矩則會對軸系統(tǒng)產(chǎn)生強大的扭應力，軸系扭振形成疲勞損耗，縮短其有效壽命，嚴重的還會造成大軸斷裂。

為了避免出現(xiàn)上述問題，目前大型機組普遍采用微機型自動準同期裝置，在正確整定的情況下，當發(fā)電機與系統(tǒng)之間的相序、頻率、電壓都相同（簡稱同期）時，可將發(fā)電機組安全、可靠、準確快速地并入電網(wǎng)，從而確保系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟運行和發(fā)電機組的安全[1]。

電廠設(shè)計為兩臺1089MW發(fā)電機組，發(fā)電機出口設(shè)斷路器，以發(fā)電機變壓器組單元接線形式接入500kV電壓等級的變電站。每臺機組的自動準同期裝置柜（GSY011AR）內(nèi)有兩套微機自動準同期裝置和兩套同期裝置選線器，兩套裝置一套工作，另一套作為備用，不設(shè)置手動同期回路。自動準同期裝置采用SID-2CM型發(fā)電機線路復用微機同期裝置，選線裝置采用SID-2X-A型多同期點共用同期裝置自動選線器。設(shè)計有3個同期點，即發(fā)電機出口斷路器（以下簡稱GCB），500kV 5013斷路器（以下簡稱5013）及

500kV 5O12斷路器（以下簡稱5012），如圖1所示。在汽輪發(fā)電機啟動沖轉(zhuǎn)后，通過發(fā)電機出口斷路器GCB來實現(xiàn)正常并網(wǎng)；當機組甩負荷至廠用負荷運行后，通過5013或5012斷路器來重新并網(wǎng)，以上并網(wǎng)兩種方式均屬差頻并網(wǎng)，而500kV斷路器的同頻并網(wǎng)由NCS系統(tǒng)經(jīng)檢同期合閘操作實現(xiàn)。

圖1 同期點示意圖Fig.1 Diagram of concurrent points

圖2 同期并網(wǎng)操作畫面Fig.2 Grid-connected operation screen for the same period

1 同期裝置介紹

1.1 同期裝置原理

微機型自動準同期裝置的工作原理具有一定的智能性，能根據(jù)采集到的電參數(shù)，計算并自動發(fā)出指令，對發(fā)電機的電壓、頻率進行調(diào)節(jié)，一旦準同期條件滿足，則能自動在適當?shù)臅r間發(fā)出合閘脈沖，使同期點斷路器在最佳時機合閘。此時發(fā)電機兩側(cè)電壓差最小，發(fā)電機并網(wǎng)過程中受到的沖擊也最小，對發(fā)電機最為安全。

同期裝置在并網(wǎng)過程中會不斷快速求解該微分方程，獲取當前理想提前合閘角φk。并不斷快速測量當前并列點斷路器兩側(cè)的實際相差φ，當φ=φk時裝置發(fā)出合閘命令，實現(xiàn)精確的零相差并網(wǎng)[2]。

1.2 同期并網(wǎng)操作方法

同期系統(tǒng)的外部接口主要有DCS、GRE、GEW、GEX等系統(tǒng)，并網(wǎng)的主要操作均在DCS上完成，操作畫面見圖2。

下面以GCB并網(wǎng)為例，介紹并網(wǎng)的操作步驟（認為已滿足并網(wǎng)條件，且并網(wǎng)過程沒有任何故障）：

1）同期裝置上電

DCS畫面點選031KG→SUPLLY POWER，此時同期裝置柜內(nèi)選線器上電，并進行自檢，自檢完畢后處于待命狀態(tài)。

2）選擇同期點

DCS畫面點選033KG→GSY001JA，此時同期裝置柜內(nèi)選線器啟動#4并列點（發(fā)電機出口斷路器），判斷是唯一且有效的同期點后，DCS畫面107EY亮，表示GSY001JA同期點被選擇，選線器接通相應的多路開關(guān)，同時給同期裝置上電。同期裝置上電4s后完成自檢，若自檢無誤向DCS發(fā)出同期裝置準備就緒信號，DCS畫面546KS亮。

3）請求同期

DCS畫面點選032KG→START，DCS會向調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出請求調(diào)速信號，調(diào)速系統(tǒng)準備好后向DCS發(fā)出允許調(diào)速的信號，DCS畫面050KS亮。正常情況下，AVR系統(tǒng)沒有故障時，DCS畫面051KS亮。

4）啟動同期

DCS畫面點選035KG→START，發(fā)出啟動同期工作命令，同期裝置進入同期檢測，條件滿足時發(fā)出合閘命令，選線器10s后退出同期裝置電源并重新進入待命狀態(tài)，可以進行下一同期點操作。

5）同期裝置斷電

DCS畫面點選036KG→STOP，同期操作完成后，DCS發(fā)出選線器退出信號。

在啟動同期命令發(fā)出后，同期裝置會根據(jù)系統(tǒng)側(cè)及待并側(cè)輸入的電壓量，判斷兩側(cè)壓差、頻差、相位差是否滿足合閘并網(wǎng)的條件，裝置正面顯示面板上會顯示“并列點代號”“系統(tǒng)側(cè)頻率”“待并側(cè)頻率”“系統(tǒng)側(cè)電壓”“待并側(cè)電壓”等信息，在面板下為同步指示器，指示待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓在并網(wǎng)過程中的相位差。面板示意圖見圖3。

若此時不滿足合閘條件，在顯示面板上可能會出現(xiàn)以下提示：

圖3 同期裝置面板示意圖Fig.3 Diagram of device panel for concurrent period

圖4 0GEW120JA同期點被選擇邏輯簡圖Fig.4 0GEW120JA Simultaneous point selected logic sketch

a）電壓高或電壓低：允許壓差的定值為±5%，在出現(xiàn)以上兩種提示時，裝置會向勵磁系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機升壓或降壓指令。

b）頻率高或頻率低：允許頻差的定值為±0.15Hz，在出現(xiàn)以上兩種提示時，裝置會向汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出汽輪機加速或減速指令。但如果發(fā)電機頻率小于49Hz或大于51Hz時，顯示屏顯示頻率低或頻率高，但同期裝置不進行調(diào)頻控制。

c）同頻：指差頻并網(wǎng)時待并側(cè)的頻率與系統(tǒng)側(cè)的頻率一致或極相近。這種情況下控制器自動將待并側(cè)頻率調(diào)高，破壞這一僵持狀態(tài)。

d）待并側(cè)或系統(tǒng)側(cè)低壓閉鎖：待并側(cè)或系統(tǒng)側(cè)電壓低于閉鎖電壓引起控制器閉鎖。

e）發(fā)電機過電壓：當發(fā)電機電壓超過120%，此時控制器持續(xù)進行降壓控制。

f）功角大：同頻并網(wǎng)時功角超過允許功角16°，不滿足并網(wǎng)條件。

g）壓差大：同頻并網(wǎng)時壓差超過允許壓差5%，不滿足并網(wǎng)條件。

當壓差、頻差滿足條件時，裝置將不斷檢測計算合適的合閘時刻，并提前tk時間自動發(fā)出合閘命令[3]。

2 調(diào)試介紹

2.1 調(diào)試試驗項目

同期系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試主要涉及試驗項目有：外部接口回路檢查、同期屏工作通道試驗、同期屏備用通道試驗、24kV發(fā)電機出口斷路器同期試驗、500kV側(cè)邊斷路器（0GEW130JA）同期試驗、500kV側(cè)中斷路器（0GEW120JA）同期試驗等。動態(tài)試驗有核相試驗、假同期試驗及同期并網(wǎng)試驗等內(nèi)容。

2.2 斷路器合閘時間整定

根據(jù)微機型自動準同期的原理不難看出，獲得精確的斷路器合閘時間tk是非常重要的。SID-2CM同期裝置中此時間參數(shù)在“各通道參數(shù)整定”菜單第一頁中顯示的“合閘時間”中整定，要求整定為斷路器合閘回路動作總時間（即斷路器合閘的導前時間）?？刹扇∠率龇椒ㄖ粚嗦菲骱祥l時間進行初始設(shè)定：

1）按下式整定：

合閘時間(ms)=裝置內(nèi)部繼電器動作時間(7ms)+裝置外部合閘回路繼電器動作時間(ms)+斷路器合閘時間(ms)

2）用同期裝置帶斷路器進行合閘聯(lián)動試驗所測得的斷路器合閘時間Tc整定。

由于SID-2CM準同期裝置中具有實測合閘時間的功能，所以在調(diào)試時對合閘時間進行初始設(shè)定采用第二種方式較為簡單。實測合閘時間Tc的值可在每次并網(wǎng)斷路器輔助接點變位后，在裝置面板上顯示，也可試驗完成后在裝置中查詢。此測量值假定輔助接點動作與主觸頭同步，已包括同期裝置發(fā)出合閘指令到斷路器完成的全部時間。

電廠工作通道及備用通道同期裝置內(nèi)的“合閘時間”初始整定為80ms。為得到更為準確的合閘時間，在假同期試驗時，根據(jù)裝置實測合閘時間結(jié)合并網(wǎng)時所錄波形進行分析，將5013開關(guān)“合閘時間”整定為77ms，5012開關(guān)“合閘時間”整定為78ms，GCB開關(guān)“合閘時間”整定為100ms，并在實際并網(wǎng)試驗時進行驗證。

圖5 選線器電源示意圖Fig.5 Wire selector power diagram

3 調(diào)試及運行期間發(fā)現(xiàn)問題及處理

3.1 在DCS上無法選中500kV同期點

在模擬5012，5013斷路器合閘并網(wǎng)試驗時發(fā)現(xiàn)，無法選中5012或5013作為同期點，無法完成并網(wǎng)操作。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是“NCS允許斷路器0GEW120JA/0GEW130JA由DCS控制”信號無法保持的原因，以下以5012斷路器為例進行分析。

500kV斷路器在包括同頻并網(wǎng)等大多數(shù)情況下的操作均在NCS系統(tǒng)上完成，只有在差頻并網(wǎng)操作時，NCS授權(quán)給DCS才能在DCS上進行操作，此時需由NCS發(fā)出“NCS允許斷路器0GEW120JA/0GEW130JA由DCS控制”的命令，再配合DCS畫面點選033KG→0GEW120JA及其他聯(lián)鎖條件滿足的邏輯，0GEW120JA才能被選擇成為同期點。操作步驟參考本文1.1中的描述，0GEW120JA同期點被選擇邏輯簡圖見圖4，而“NCS允許斷路器0GEW120JA由DCS控制”信號是個短脈沖信號，無法保持到操作人員在畫面上進行并網(wǎng)第二步選擇同期點（即點選033KG）的操作。

找到問題原因后，提出兩種解決方案：

1）“NCS允許斷路器0GEW120JA由DCS控制”信號改為保持信號，當0GEW120JA變位后或操作人員手動復位該信號。此方案需在NCS測控屏內(nèi)增加繼電器，增加NCS送DCS信號，且需要修改DCS內(nèi)部控制邏輯。

2）“NCS允許斷路器0GEW120JA由DCS控制”信號改為長脈沖信號。

NCS系統(tǒng)中該信號脈寬最長能保持320s，考慮到在其他聯(lián)鎖條件滿足的情況下，發(fā)出此命令后，只要在320s內(nèi)操作人員點選033KG→0GEW120JA，“0GEW120JA被選擇”信號在DCS內(nèi)部會由RS觸發(fā)器保持，正常情況下操作人員是可以完成的，所以該方案也可行。

兩種方案均能解決問題，綜合考慮分析，第二種方案涉及修改的范圍小，現(xiàn)場按第二種方案進行修改，并已經(jīng)假同期并網(wǎng)試驗驗證。考慮實際操作時，在發(fā)出“NCS允許斷路器0GEW120JA由DCS控制”信號后，由于其他聯(lián)鎖條件不滿足，有可能選同期點時已超過320s，此時需要重新發(fā)出“NCS允許斷路器0GEW120JA由DCS控制”信號。建議在運行人員的操作規(guī)程中將此情況進行備注說明。

3.2 選線裝置無法上電

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)DCS發(fā)出的同期裝置選線器斷電（即裝置退出）命令是常開接點，而裝置內(nèi)部要求為常閉接點，導致選線器始終無法上電，示意圖見圖5。

現(xiàn)修改方案為在DCS內(nèi)軟件中取反，這導致DCS一層該信號繼電器將一直得電。由于同期裝置平時是不帶電的，只有在進行同期操作時才會上電，該信號的繼電器損壞無法知曉。因此，若出現(xiàn)選線器無法上電的情況時，建議在同期屏內(nèi)測量此接點（102BN：13，14）的通斷情況，排除該故障因素。

3.3 并網(wǎng)操作時工作通道故障

電廠首次大修后并網(wǎng)時，用工作通道進行并網(wǎng)，選擇GCB作為同期點后，工作通道同期裝置不上電，同時主控室發(fā)“同期裝置故障報警”（102SY），后切換至備用通道并網(wǎng)成功。后續(xù)對同期屏進行檢查，確認是工作通道選線器電源板（GD板）故障，更換GD板后，故障消除，并網(wǎng)操作正確。

4 裝置維護時需注意的問題

4.1 同期檢查繼電器校驗

同期檢查繼電器的常閉接點串接在合閘回路中，防止同期裝置在不滿足功角條件時誤發(fā)合閘命令，造成發(fā)電機非同期并網(wǎng)。但當并列條件滿足時，裝置開放出口，但是繼電器接點動作不正確，會造成機組無法正常并網(wǎng)。維護時應確保同期檢查繼電器動作正常，同時還應測試其出口接點的電阻，防止接點粘連或者電阻過大，保證對回路有效閉鎖和開放。在第二次大修時就發(fā)現(xiàn)同期檢查繼電器常閉接點電阻為60Ω，經(jīng)處理后電阻降為1Ω，保證了合閘回路的可靠動作。

4.2 同期裝置定值校驗

1）在選擇同期點給同期裝置上電之前，應首先給相應的同期電壓回路加入電壓量，否則同期裝置在10s后會斷電，需重新上電。

2）校驗電壓定值時，為避免滿足合閘條件后，同期裝置發(fā)出合閘命令后自動斷電，可將系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)電壓頻率均輸入為50Hz，此時裝置顯示“同頻”，即使電壓條件滿足，裝置也不會發(fā)合閘命令，裝置不會斷電；同理，校驗頻差定值時，可輸入壓差大于5V，裝置顯示“電壓高”或“電壓低”。

3）校驗功角定值時，定值設(shè)為在“差頻”時，同頻條件下，無法顯示功角大，也無法滿足并網(wǎng)條件，無法校驗功角定值，此時需將定值設(shè)置為“同頻”，系統(tǒng)側(cè)及待并側(cè)均輸入50Hz電壓，逐步改變功角差，直至裝置上“功角大”顯示消失，方能校驗出功角定值。

5 結(jié)論

本文主要介紹了SID-2CM型微機自動準同期裝置的調(diào)試及維護中一些需關(guān)注的問題，并分析了問題產(chǎn)生的原因及現(xiàn)場處理方法，為后續(xù)機組運行維護提供經(jīng)驗，并對其他同類型機組的同期調(diào)試具有一定的指導意義。