抽水蓄能機組聯(lián)跳滅磁開關(guān)的硬回路設(shè)計

王宗收，吳 妍，任 帥，張一波，李 迪

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 前言

目前抽水蓄能電站機組抽水工況啟動可以選擇SFC拖動或背靠背啟動方式。背靠背啟動方式是蓄能機組的特有啟動方式，啟動抽水的目標機組為被拖動機，作為動力的“其他機組”為拖動機，在啟動過程中，是以本電站內(nèi)一臺機組發(fā)電啟動作為啟動源，提供頻率逐漸升高的電流，拖動另外一臺機組抽水啟動至額定轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)機組抽水啟動的目的。例如1、2號機組背靠背工況運行，1號機組作為拖動機運行，2號機組作為被拖動機，磁場建立后通過1號機組拖動刀閘GDS與2號機組被拖動刀閘MDS建立拖動關(guān)系，2號機組在1號機組電磁力的作用下轉(zhuǎn)速逐漸升高，當2號機組滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)，1號機組出口開關(guān)分閘，1號機組拖動刀閘GDS與2號機組被拖動刀閘MDS分閘，拖動過程完成，拖動機停機，被拖動機達到抽水穩(wěn)態(tài)，背靠背抽水啟動成功。

當機組采用背靠背方式啟動抽水時，被拖動機組出現(xiàn)保護動作時，需要同時跳開拖動機與被拖動機滅磁開關(guān)，保證兩臺機組同時失磁，之后兩臺機組停機。當兩臺機組滅磁開關(guān)分閘不同步時，滅磁開關(guān)后分閘的機組相當于定子繞組三相短路，會對啟動回路拖動刀閘和被拖動刀閘觸頭，甚至發(fā)電機本身造成損害。

2 目前滅磁開關(guān)跳閘控制缺陷

按照國家能源局《水力發(fā)電廠自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)范 NB/T 35004-2013》第5.3.7條的要求，機組背靠背啟動過程中，需要設(shè)置一套獨立的跳閘回路，在電氣和水力機械事故時，保證兩臺機組同時滅磁，再跳斷路器、停機。目前部分抽水蓄能電站設(shè)計是當拖動機或被拖動機組出現(xiàn)保護動作時，保護動作通過硬接線直接跳開本機滅磁開關(guān)；同時保護動作信號會觸發(fā)另一臺機組監(jiān)控系統(tǒng)電氣事故停機，該機組通過順控流程跳開本側(cè)滅磁開關(guān)。該設(shè)計由順控流程動作分滅磁開關(guān)，監(jiān)控系統(tǒng)順控流程執(zhí)行PLC掃描和繼電器動作的時間需要大約100 ms，在100 ms內(nèi)滅磁開關(guān)未分閘的機組定子繞組及其啟動回路相當于三相短路。發(fā)電機三相短路會導(dǎo)致定子線圈端部產(chǎn)生變形或損傷；發(fā)電機可能產(chǎn)生劇烈振動，對發(fā)電機轉(zhuǎn)動部件產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力。此外，較大的短路電流會對被拖動刀和拖動刀的動、靜觸頭產(chǎn)生損傷。以某抽水蓄能電廠為例，該電廠在進行背靠背試驗時，拖動過程中拖動機發(fā)生保護動作，由于拖動機與被拖動機跳開滅磁開關(guān)順序不同，導(dǎo)致被拖動刀閘受損。從受損的A相觸頭來看，靜觸頭表面均勻輕微熔化、灼傷，動觸頭表面灼傷。被拖動刀閘額定運行電流為3 000 A，查故障錄波知，此時A相產(chǎn)生的電流最大約3 600 A，持續(xù)時間約為200 ms，超過被拖動刀閘額定運行電流，造成被拖動刀閘動、靜觸頭發(fā)熱灼傷，長時間多次動作運行后刀閘動、靜觸頭逐漸惡化燒損。

3 滅磁開關(guān)的硬回路設(shè)計

由于機組在背靠背抽水啟動發(fā)生事故時，監(jiān)控系統(tǒng)順控分滅磁開關(guān)存在時間延時的問題，因此在拖動機組與被拖動機組間需要設(shè)置一套獨立的滅磁開關(guān)跳閘硬回路，在電氣和水力機械事故時，保證拖動機組與被拖動機組同時滅磁。

鑒于以上問題，技術(shù)人員仔細分析監(jiān)控系統(tǒng)原理圖，首先通過繼電器搭建出具有拖動關(guān)系機組的橋回路，該橋回路在機組啟動流程前通過監(jiān)控上位機畫面選擇觸發(fā)建立；操作人員只需點擊操作界面上的拖動機組即可選擇，操作界面設(shè)計如圖1所示。

圖1 拖動機組選擇操作畫面

然后將機組發(fā)生事故時的保護跳閘信號用事故擴展繼電器擴展，同時把信號送到拖動機組與被拖動機組的滅磁開關(guān)分閘線圈，這樣保證拖動機組與被拖動機組的滅磁開關(guān)同時分閘，具體設(shè)計見圖2。

圖2 聯(lián)跳滅磁開關(guān)設(shè)計方案一

在圖2中，本機為被拖動機組，當被拖動機組出現(xiàn)保護動作時，會觸發(fā)事故擴展信號勵磁，機組保護通過該擴展信號跳開本機滅磁開關(guān)，同時機組保護跳閘繼電器擴展的另外一路信號會通過已搭建好的聯(lián)跳橋回路跳開相應(yīng)拖動機組的滅磁開關(guān)，這樣保證了拖動機組與被拖動機組滅磁開關(guān)的同時動作。以2號機拖動1號機為例，首先操作人員通過上位機操作使3KA4繼電器勵磁，此時聯(lián)跳的橋回路搭建完成。如果1號機組發(fā)生保護跳閘時，3KA1繼電器勵磁，這時存在拖動關(guān)系的機組就會通過已搭建好的橋回路跳開本機及相關(guān)機組的滅磁開關(guān)。

這種設(shè)計思路雖然實現(xiàn)了拖動機組與被拖動機組同時跳滅磁開關(guān)的目的，但是由于繼電器動作存在時間延時，導(dǎo)致當被拖動機組發(fā)生保護動作時，拖動機組與被拖動機組跳開滅磁開關(guān)的響應(yīng)速度較慢，這樣同樣對機組存在影響。技術(shù)人員繼續(xù)優(yōu)化，通過查閱相關(guān)保護的資料發(fā)現(xiàn)保護動作跳滅磁開關(guān)存在兩路出口，因此對該回路進行了進一步的優(yōu)化設(shè)計。在拖動過程中，當被拖動機組發(fā)生故障時，直接通過保護動作的一路出口，跳開本機滅磁開關(guān)。同時保護的另一路出口通過之前的設(shè)計思想跳開其他機組滅磁開關(guān)，硬回路設(shè)計見圖3。

圖3 聯(lián)跳滅磁開關(guān)設(shè)計方案二

通過分析，該種設(shè)計思路可以實現(xiàn)無延時跳開拖動機組與被拖動機組滅磁開關(guān)的目的，但仔細研究該硬件回路，發(fā)現(xiàn)該回路存在一定缺陷，由于跳開拖動機組滅磁開關(guān)的回路是并聯(lián)設(shè)計，不同機組的跳閘回路采用的是不同的電源，所以有出現(xiàn)電源串源情況的可能。

設(shè)計人員鑒于以上問題繼續(xù)優(yōu)化，在聯(lián)跳回路中增加一路橋回路，該橋回路與拖動關(guān)系的橋回路一樣，也是在上位機開機前進行選擇，但是通過增加該回路，避免了不同機組間的跳閘回路電源串源的現(xiàn)象，設(shè)計出的硬件回路原理圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)跳拖動機組滅磁開關(guān)設(shè)計方案二優(yōu)化

采用該種設(shè)計回路時，以2號機組拖動1號機組為例，在機組啟動前首先通過上位機選擇，將3KA4繼電器觸發(fā)，此時繼電器的接點導(dǎo)通，兩側(cè)聯(lián)跳橋回路搭建成功。之后2號機組拖動1號機組流程啟動。當1號機組出現(xiàn)保護動作時，保護一路出口會直接跳開本機滅磁開關(guān)，同時保護另一路出口通過已經(jīng)搭建好的橋回路跳開2號機組滅磁開關(guān)，從而達到同時跳開滅磁開關(guān)的目的。

4 應(yīng)用

在張河灣監(jiān)控系統(tǒng)改造中，搭建該硬回路，然后進行信號測試。靜態(tài)測試時通過短接模擬被拖動機保護動作，讀取上位機報文，檢查發(fā)現(xiàn)本機與所選拖動機滅磁開關(guān)同時跳開。動態(tài)測試2號機組拖動1號機組啟動，觸發(fā)1號機組保護動作，1、2號機組滅磁開關(guān)同時跳開，滅磁開關(guān)分閘響應(yīng)速度同步。

本廠采用該硬件回路進行設(shè)計，經(jīng)過試驗效果良好，達到了同時跳開滅磁開關(guān)的目的。采用該種硬回路聯(lián)跳其他機組滅磁開關(guān)，保證了滅磁開關(guān)分閘動作的同步性，避免了因不同步跳滅磁開關(guān)而發(fā)生的發(fā)電機三相短路的相關(guān)故障，在抽水蓄能電站具有很大的推廣意義。