發(fā)電機(jī)組同期合閘失敗原因分析及解決措施

閆紅軍，鄭 霜，王選凡

（華能瀾滄江水電股份有限公司糯扎渡水電廠，云南 普洱 665005）

水輪發(fā)電機(jī)組的同期是將未投入電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，并調(diào)節(jié)其電壓和頻率，在滿足電壓、頻率、相位在允許范圍之內(nèi)的并列條件時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)系統(tǒng)。同期失敗或者同期并網(wǎng)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)電機(jī)不能及時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，可能造成電力系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷缺口，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同期失敗的原因多種多樣，分析同期失敗的原因并不復(fù)雜，主要是要有數(shù)據(jù)支撐，包括電壓、頻率、同期參數(shù)等，才能快速精準(zhǔn)定位同期失敗原因，找出解決對(duì)策。

1 同期裝置基本原理

1.1 發(fā)電機(jī)同期系統(tǒng)定義及作用

同步發(fā)電機(jī)投入電力系統(tǒng)參加并列運(yùn)行的操作稱為并列操作或是同期操作。用于完成并列操作的裝置稱之為同期裝置。為了發(fā)電機(jī)自身的安全，同時(shí)也是為了對(duì)電力系統(tǒng)造成盡可能小的沖擊，發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)時(shí)必須有同期裝置，否則可能造成很嚴(yán)重的事故。

1.1.1 發(fā)電機(jī)并入電力系統(tǒng)必須要滿足的條件

相序必須一致；發(fā)電機(jī)頻率、電壓與系統(tǒng)頻率、電壓相同或差值在允許的范圍之內(nèi)；發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的相角差不為零或差值在允許范圍之內(nèi)[1]。同期條件不滿足的情況下嚴(yán)禁并網(wǎng)，否則有可能產(chǎn)生很大的沖擊電流而燒毀發(fā)電機(jī)或使電網(wǎng)穩(wěn)定性遭到破壞甚至瓦解。一定要將堅(jiān)決防止發(fā)電機(jī)的非同期并列。

1.1.2 發(fā)電機(jī)同期分類

發(fā)電機(jī)組的并列方式有2 種：準(zhǔn)同期和自同期。準(zhǔn)同期是指將還未投入系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，并調(diào)節(jié)其電壓和頻率使其滿足同期并網(wǎng)的條件，將發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)。自同期是將未勵(lì)磁而轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)，并加上勵(lì)磁。

1.2 發(fā)電機(jī)同期試驗(yàn)

1.2.1 發(fā)電機(jī)同期要求

根據(jù)國(guó)家能源局印發(fā)的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2023 版）》（簡(jiǎn)稱《二十五項(xiàng)反措（2023版）》），微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置應(yīng)安裝獨(dú)立的同期檢定閉鎖繼電器，同期閉鎖繼電器應(yīng)同時(shí)具備壓差、頻差、角差檢查閉鎖功能。對(duì)于新建或改造的同期裝置，宜選擇雙通道相互閉鎖的同期裝置。新投產(chǎn)、大修機(jī)組及同期回路（包括交流電壓回路、直流控制回路、整步表、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置及同期把手等）發(fā)生改動(dòng)或設(shè)備更換的機(jī)組，在第一次并網(wǎng)前應(yīng)進(jìn)行以下工作：對(duì)裝置及同期回路進(jìn)行全面的校核、傳動(dòng)；利用發(fā)變組帶空載母線升壓試驗(yàn)，校核同期電壓檢測(cè)二次回路的正確性，并對(duì)整步表及同期檢定繼電器進(jìn)行實(shí)際校核；進(jìn)行機(jī)組假同期試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)包括斷路器的手動(dòng)準(zhǔn)同期及自動(dòng)準(zhǔn)同期合閘試驗(yàn)、同期（繼電器）閉鎖等內(nèi)容。

1.2.2 發(fā)電機(jī)同期試驗(yàn)方法

同期試驗(yàn)的原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是待并網(wǎng)側(cè)（發(fā)電機(jī)）和系統(tǒng)側(cè)（電網(wǎng)）在并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)的電壓、頻率、相角差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，合上開關(guān)。通過(guò)同期試驗(yàn)可以檢查同期回路接線的正確性，檢驗(yàn)同期裝置和監(jiān)控、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)之間的調(diào)節(jié)是否正確，防止非同期并列。

同期試驗(yàn)分為假同期試驗(yàn)和真同期試驗(yàn)，假同期試驗(yàn)是指在隔離刀閘斷開的狀態(tài)下，使用同期裝置進(jìn)行模擬并網(wǎng)，合上開關(guān)，因?yàn)橛懈綦x刀閘作為明顯的斷開點(diǎn)，實(shí)際上未并網(wǎng)；真同期試驗(yàn)就是利用同期裝置真正地讓發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，也就是開關(guān)在熱備用狀態(tài)，一經(jīng)合閘即可并網(wǎng)。先要做假同期試驗(yàn)，再做真同期試驗(yàn)。機(jī)組同期裝置可以通過(guò)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)并網(wǎng)，也可以通過(guò)主變高壓側(cè)開關(guān)并網(wǎng)，因此這2 個(gè)開關(guān)都要做真假同期并網(wǎng)試驗(yàn)。同期試驗(yàn)中會(huì)用到便攜式錄波儀，作用是記錄電壓、電流波形和開關(guān)狀態(tài)。

試驗(yàn)接線：①?gòu)耐谘b置待并側(cè)PT 的取電壓信號(hào)連接至錄波儀輸入端U1；②從同期裝置系統(tǒng)側(cè)PT 的取電壓信號(hào)連接至錄波儀輸入端U2；③將發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘位置節(jié)點(diǎn)和主變高壓側(cè)開關(guān)合閘位置節(jié)點(diǎn)接入錄波儀。

試驗(yàn)步驟：①開展主變高壓側(cè)開關(guān)假同期試驗(yàn)，將主變高壓側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)為冷備用，解除主變高壓側(cè)開關(guān)合閘位置至調(diào)速器的接線，避免發(fā)電機(jī)出口合閘后調(diào)速器進(jìn)入負(fù)載態(tài)。在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將主變高壓側(cè)隔離刀閘強(qiáng)制為合位，以滿足并網(wǎng)條件。開展發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓試驗(yàn)，主變帶額定電壓后，上位機(jī)發(fā)出機(jī)組以主變高壓側(cè)開關(guān)發(fā)電令，檢查主變高壓側(cè)開關(guān)合閘，分析錄波儀波形圖，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導(dǎo)前時(shí)間是否滿足要求。將主變高壓側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)為熱備用，恢復(fù)主變高壓側(cè)開關(guān)合閘位置至調(diào)速器的接線，開展真同期試驗(yàn)，上位機(jī)發(fā)出機(jī)組以主變高壓側(cè)開關(guān)發(fā)電令，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導(dǎo)前時(shí)間是否滿足要求。②此時(shí)主變已帶電，接著開展發(fā)電機(jī)出口開關(guān)假同期試驗(yàn)，斷開發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)將發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘強(qiáng)制為合位，滿足開機(jī)至并網(wǎng)條件，解除發(fā)電機(jī)出口合閘位置至調(diào)速器的接線，避免發(fā)電機(jī)出口合閘后調(diào)速器進(jìn)入負(fù)載態(tài)。將發(fā)電機(jī)以發(fā)電出口開關(guān)并網(wǎng)發(fā)電，檢查發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導(dǎo)前時(shí)間是否滿足要求。斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，合上發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘，恢復(fù)發(fā)電機(jī)出口合閘位置至調(diào)速器的接線，開展發(fā)電機(jī)真同期試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在熱備用狀態(tài)下同期合上開關(guān)。

2 同期失敗原因分析

2.1 同期并列條件不滿足

發(fā)電機(jī)同期并列有3 個(gè)條件，如果任意一個(gè)條件不滿足則不能并網(wǎng)，否則有可能產(chǎn)生很大的沖擊電流。發(fā)電機(jī)同期合閘失敗多數(shù)原因就是并列條件不滿足要求，現(xiàn)用案例進(jìn)行分析。

2.1.1 案例一

某水電站發(fā)電機(jī)組設(shè)置有2 套ABB SYN 5201 型數(shù)字式同期裝置，2 套互為備用。機(jī)組開機(jī)后，A 套同期裝置啟動(dòng)后超過(guò)120 s 未成功并網(wǎng)，等待180 s 后，啟動(dòng)B 套同期裝置，超過(guò)120 s 未成功并網(wǎng)，造成同期失敗。通過(guò)分析待并網(wǎng)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的電壓、頻率曲線，電壓差小于2 V，頻率差小于0.1 Hz，滿足要求。角差的定值為5°，但角差無(wú)法直接測(cè)得。

機(jī)組并網(wǎng)相角差表達(dá)式為（2πf1t+Φ1）-（2πf2t+Φ2）→2πt（f1-f2）+（Φ1-Φ2），理論上當(dāng)f1 與f2 相等時(shí)，相角差為一個(gè)定值，若大于5°，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組同期并網(wǎng)條件一直不滿足。本次同期失敗的直接原因是角差不滿足[2]，進(jìn)一步對(duì)角差不滿足的原因進(jìn)行分析，在分析之前，先對(duì)ABB 同期裝置的頻率調(diào)節(jié)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

轉(zhuǎn)差率s 的定義

式中：f1 為系統(tǒng)頻率，f2 為待并網(wǎng)側(cè)頻率，fn 為額定頻率。s>0 表明待并網(wǎng)側(cè)頻率比系統(tǒng)頻率低，發(fā)電機(jī)處于欠同步狀態(tài)；s<0 表明待并網(wǎng)側(cè)頻率比系統(tǒng)頻率高，發(fā)電機(jī)處于過(guò)同步狀態(tài)。

當(dāng)角差不滿足要求時(shí)，同期裝置頻率匹配器會(huì)給調(diào)速器發(fā)增頻或減頻指令，該指令長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)差率成正比，與頻度調(diào)節(jié)特性df/dt 成反比，頻度調(diào)節(jié)特性值可在同期裝置中進(jìn)行設(shè)置修改，頻度調(diào)節(jié)特性值越小，說(shuō)明指令長(zhǎng)度越長(zhǎng)，調(diào)速器調(diào)節(jié)幅度也就越大。頻率匹配器的任務(wù)是把當(dāng)前轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)到轉(zhuǎn)差率極限值（上、下極限值中較小的那個(gè)極限值）與0 的差值的中間值，調(diào)節(jié)指令的長(zhǎng)度tpf可根據(jù)下式計(jì)算得到

如圖1 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)差率位于轉(zhuǎn)差率極限值smax的1/3到2/3 這個(gè)區(qū)間內(nèi)時(shí)，不需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)合閘脈沖時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)前時(shí)間（從發(fā)出合閘命令到開關(guān)合上的時(shí)間）的存在，開關(guān)合閘時(shí)，2 個(gè)并列之間的相位一致，對(duì)系統(tǒng)的沖擊最小。一旦轉(zhuǎn)差率為0，調(diào)節(jié)脈沖就會(huì)立即停止。調(diào)節(jié)指令長(zhǎng)度不應(yīng)低于一個(gè)可設(shè)定的最小值。發(fā)出調(diào)節(jié)指令后，系統(tǒng)會(huì)等待一段設(shè)定的脈沖間隔時(shí)間tsf，使實(shí)際轉(zhuǎn)差率能夠逐漸穩(wěn)定到新的設(shè)定值。

圖1 頻率匹配器調(diào)節(jié)圖

通過(guò)分析待并網(wǎng)側(cè)頻率曲線和系統(tǒng)側(cè)頻率曲線，發(fā)現(xiàn)同期裝置向調(diào)速器發(fā)出增頻脈沖指令進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，此時(shí)調(diào)速器在導(dǎo)葉自動(dòng)增頻調(diào)節(jié)過(guò)程中疊加同期調(diào)節(jié)指令，又出現(xiàn)頻率超調(diào)現(xiàn)象，因此在同期裝置每間隔20 s 發(fā)1 次的調(diào)節(jié)過(guò)程中，出現(xiàn)頻率周期性的波動(dòng)，導(dǎo)致頻率不滿足同期合閘條件。說(shuō)明調(diào)速器自身的調(diào)節(jié)和同期裝置的頻率調(diào)節(jié)配合上出現(xiàn)了問(wèn)題。

解決措施：一是修改調(diào)速器頻率調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，減小空載模式下調(diào)速器頻率調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，水輪機(jī)導(dǎo)葉動(dòng)作開度就會(huì)相應(yīng)減小，頻率變化幅度就不會(huì)那么大了。二是修改同期裝置頻率匹配器參數(shù)，將頻度調(diào)節(jié)特性df/dt 設(shè)大，就可以縮短同期裝置指令長(zhǎng)度，調(diào)速器自然就調(diào)節(jié)少了。三是將原來(lái)的20 s 調(diào)節(jié)脈沖時(shí)間間隔調(diào)長(zhǎng)，就可以等頻率穩(wěn)定了再發(fā)調(diào)節(jié)脈沖，不至于超調(diào)。延長(zhǎng)調(diào)節(jié)脈沖間隔時(shí)間，建議同步修改同期超時(shí)判斷時(shí)間，這樣同期裝置就可以多調(diào)節(jié)幾次，提高同期成功率。

2.1.2 案例二

如果測(cè)得的頻率不穩(wěn)定，也有可能造成同期條件不滿足。某水電站輸電線路為110 kV，由于近期當(dāng)?shù)匾M(jìn)了一些冶煉企業(yè)（如電弧爐、電解鋁裝置），導(dǎo)致110 kV系統(tǒng)存在大量非線性負(fù)載（主要是晶閘管整流設(shè)備、三相負(fù)荷不平衡等引起），引起電網(wǎng)電流畸變，大量高次諧波導(dǎo)致電網(wǎng)諧波“污染”[3]，造成頻率測(cè)量不準(zhǔn)。

解決措施：一是在測(cè)頻回路中加裝諧波濾波器。二是將測(cè)頻設(shè)備更換為抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)備。

2.1.3 案例三

如果發(fā)電機(jī)組有出口開關(guān)，同期的電壓信號(hào)從發(fā)電機(jī)出口PT 和發(fā)電機(jī)出口開關(guān)內(nèi)的PT 取得，相角基本無(wú)誤差。如果在主變高壓側(cè)同期，就得取母線PT 和發(fā)電機(jī)出口PT 的電壓信號(hào)，發(fā)電機(jī)出口PT 取得的電壓信號(hào)，與實(shí)際的同期電壓相差了一個(gè)主變壓器的相角。這需要對(duì)同期裝置或同期鑒定閉鎖繼電器每個(gè)并列點(diǎn)的系統(tǒng)側(cè)電壓?jiǎn)为?dú)設(shè)置轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正。

解決措施：這種問(wèn)題一般是新投產(chǎn)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)可能遇到的問(wèn)題，同期裝置設(shè)置好了后續(xù)啟機(jī)就不會(huì)有同期失敗的問(wèn)題了。

這里對(duì)ABB 同期裝置的電壓調(diào)節(jié)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。如圖2 所示，由同期裝置電壓匹配器發(fā)出調(diào)節(jié)指令（脈沖），該指令長(zhǎng)度與當(dāng)前系統(tǒng)側(cè)電壓和待并網(wǎng)側(cè)電壓差成正比，比例因子dU/dt 的大小可根據(jù)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整、設(shè)置。電壓匹配器的任務(wù)是把電壓差調(diào)節(jié)到設(shè)定公差帶的中間位置，調(diào)節(jié)指令的長(zhǎng)度tpU 可根據(jù)下式計(jì)算得到。

圖2 電壓匹配器調(diào)節(jié)原理

一旦電壓差被調(diào)節(jié)到目標(biāo)值，調(diào)節(jié)脈沖就會(huì)停止。調(diào)節(jié)指令長(zhǎng)度不應(yīng)低于一個(gè)可設(shè)定的最小值。發(fā)出調(diào)節(jié)指令后，系統(tǒng)會(huì)等待一段設(shè)定的脈沖間隔時(shí)間tsU，脈沖間隔時(shí)間1~20 s 可調(diào)，使實(shí)際電壓值能夠逐漸穩(wěn)定到新的設(shè)定電壓值。

2.2 同期裝置故障及回路問(wèn)題

一般大型機(jī)組同期裝置為雙套配置，一套同期失敗后可自動(dòng)切至另外一套，可靠性高。同期裝置回路包含的主要設(shè)備有：同期裝置、同期鑒定閉鎖繼電器、電壓互感器和電纜等，任意一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題都會(huì)造成同期失敗。主要包括裝置故障和回路故障，這些故障就不一一陳述了，列舉幾個(gè)典型問(wèn)題進(jìn)行描述。還有就是與同期有關(guān)的調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)速器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)頻率，勵(lì)磁負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電壓，如果這2 個(gè)系統(tǒng)出問(wèn)題了，也會(huì)導(dǎo)致同期失敗。

2.2.1 案例一

某水電站機(jī)組在同期并網(wǎng)過(guò)程中，同期裝置發(fā)出“增速”和“減速”令至調(diào)速器[3-4]，調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉開度。在調(diào)速器收到“減速”令時(shí)，調(diào)速器將導(dǎo)葉回關(guān)，此時(shí)由于主用水輪機(jī)導(dǎo)葉位移傳感器滑塊連接螺釘脫落，導(dǎo)葉反饋值未變化，調(diào)速器判斷導(dǎo)葉未回關(guān)，即反饋值未到達(dá)給定值，造成導(dǎo)葉繼續(xù)回關(guān)。隨后頻率降低至勵(lì)磁系統(tǒng)V/F 限制動(dòng)作值，勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)警，頻率繼續(xù)降低至45 Hz 時(shí)，勵(lì)磁滅磁開關(guān)跳閘。

解決措施：這是由于調(diào)速器故障導(dǎo)致的同期失敗，建議對(duì)導(dǎo)葉位移傳感器滑塊進(jìn)行加固處理。如果有條件，可以安裝3 個(gè)導(dǎo)葉位移傳感器，采用“三選二”判斷邏輯。

2.2.2 案例二

某水電站機(jī)組同期失敗，通過(guò)查詢監(jiān)控曲線，同期裝置開始運(yùn)行時(shí)機(jī)組頻率為50.11 Hz，機(jī)組進(jìn)入空載至同期裝置開始運(yùn)行的90 s 內(nèi)，調(diào)速器未能將機(jī)組調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)速器A、B 套空載擾動(dòng)試驗(yàn)[5]，機(jī)組A、B 套空載擾動(dòng)均超調(diào)60%，由擾動(dòng)開始到調(diào)節(jié)穩(wěn)定為止的調(diào)節(jié)時(shí)間（±0.05 Hz 擾動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)間為80～90 s）均超過(guò)25 s。不滿足頻率最大超調(diào)量不得超過(guò)擾動(dòng)量的35%及由擾動(dòng)開始到調(diào)節(jié)穩(wěn)定為止的調(diào)節(jié)時(shí)間不得超過(guò)25 s 的要求。經(jīng)過(guò)分析，機(jī)組調(diào)速器PID 參數(shù)是在機(jī)組投產(chǎn)初期低水頭情況下確定的，在當(dāng)前高水頭運(yùn)行方式下，機(jī)組空載時(shí)的超調(diào)量大，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。同期失敗的原因歸結(jié)為調(diào)速器PID 參數(shù)不合理。

解決措施：一是在額定水頭時(shí)開展調(diào)速器空載擾動(dòng)試驗(yàn)，選取的PID 參數(shù)可兼顧低水頭和高水頭的運(yùn)行工況。二是條件允許，可以設(shè)置多組PID 參數(shù)，以適應(yīng)不同水頭。

2.2.3 案例三

某水電站機(jī)組開機(jī)過(guò)程中報(bào)發(fā)電超時(shí)，開機(jī)流程退出。檢查同期裝置顯示“對(duì)象側(cè)頻率過(guò)低”。同期失敗的原因是同期裝置報(bào)出“對(duì)象側(cè)頻率過(guò)低”，同期頻差過(guò)大，此信號(hào)只有在機(jī)端頻率低于44 Hz 時(shí)報(bào)出，而監(jiān)控系統(tǒng)曲線顯示機(jī)端頻率在此時(shí)間內(nèi)均在50 Hz 左右，故判斷同期裝置PT 回路可能有瞬時(shí)干擾或者同期裝置瞬時(shí)故障。

解決措施：這種情況屬于偶發(fā)故障，故障原因分析較困難，因此建議檢查回路及PT 回路電纜屏蔽接地情況，對(duì)同期裝置進(jìn)行校驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

同期失敗的原因很多，或者是設(shè)備原因，或者是系統(tǒng)原因，要將失敗原因分析清楚，最重要的是數(shù)據(jù)采集和分析，包括采集電壓、頻率、設(shè)備故障和事件記錄等，通過(guò)這些數(shù)據(jù)分析才能將同期失敗原因分析清楚。如果在同期失敗分析過(guò)程中修改了同期參數(shù)或者動(dòng)了回路，建議在并網(wǎng)之前，開展同期試驗(yàn)，避免出現(xiàn)非同期并網(wǎng)，造成嚴(yán)重后果。