淺析發(fā)電機(jī)并網(wǎng)失敗的原因分析及處理

黃信培

0 引言

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是通過斷路器的合閘，把發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)聯(lián)接起來，讓電能源源不斷地輸送出去。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是發(fā)電廠最頻繁的一項(xiàng)操作，并網(wǎng)是否快速、可靠直接影響到電廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)影響電廠和電網(wǎng)的安全性。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)有四個(gè)條件：發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的相序必須相同、發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的頻率應(yīng)相等或在允許偏差的范圍內(nèi)、發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的電壓應(yīng)相等或在允許偏差范圍內(nèi)、發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的電壓相位角應(yīng)相等。其中相序相同是絕對(duì)條件，其他三個(gè)條件都是相對(duì)的，允許有一些偏差。如條件滿足即可操作發(fā)電機(jī)合閘并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)不會(huì)受到或受到很小的電流沖擊，可以順利并入系統(tǒng)運(yùn)行。如其中一個(gè)條件不滿足，操作發(fā)電機(jī)合閘并網(wǎng)屬于非同期并列，會(huì)引起很大的沖擊電流，嚴(yán)重的非同期并列可能使機(jī)組大軸扭曲及發(fā)電機(jī)的繞組變形、撕裂、絕緣損壞，甚至引發(fā)電網(wǎng)擴(kuò)大事故。因此電力系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)列為一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，目前普遍采用的是自動(dòng)準(zhǔn)同期方式。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置（以下簡稱同期裝置）已基本取代模擬電路構(gòu)成的電路同期裝置。同期裝置的測量精度高、運(yùn)算速度快、參數(shù)整定方便、接線簡單，能夠選擇更合適的導(dǎo)前時(shí)間發(fā)出合閘脈沖，實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)，以減少對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的沖擊，其準(zhǔn)確性、可靠性及安全性得到了很大提高。同期裝置的可靠性雖然已有較大提高，但在日常使用過程中也會(huì)因?yàn)橥鈬泳€、參數(shù)設(shè)定、調(diào)試不到位或其它方面原因造成并網(wǎng)失敗。本文針對(duì)三起水電廠機(jī)組并網(wǎng)失敗的處理過程、原因分析及改進(jìn)措施進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 故障分析

1.1 同期裝置參數(shù)設(shè)置不合理

在國家能源局頒布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確規(guī)定，新投產(chǎn)的同期回路（包括同期有關(guān)的交流電壓回路、直流控制回路、整步表、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置及同期把手等裝置）應(yīng)進(jìn)行全面的校核、傳動(dòng)試驗(yàn)，并進(jìn)行機(jī)組假同期試驗(yàn)［1］。

電廠改造的同期裝置為國內(nèi)廣泛應(yīng)用的國立智能SID-2AS 同期裝置［2］，其充分考慮了發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的頻差以及斷路器固有合閘時(shí)間，通過不斷求解并網(wǎng)時(shí)微分方程獲取理想提前合閘角，同時(shí)不斷快速測量當(dāng)前并列點(diǎn)斷路器兩側(cè)實(shí)際相角差，當(dāng)理想提前合閘角和實(shí)際相角差兩者相等時(shí)裝置發(fā)出合閘指令，實(shí)現(xiàn)零角差并網(wǎng)［3］。新的同期裝置和同步表的參數(shù)設(shè)定正確和同期回路傳動(dòng)試驗(yàn)正常情況下，將機(jī)組開機(jī)至空載狀態(tài)，出口開關(guān)拉到“試驗(yàn)”位置，在自動(dòng)方式進(jìn)行假同期試驗(yàn)，從監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)機(jī)組的并網(wǎng)指令，現(xiàn)場觀察同期裝置和同步表均已啟動(dòng)工作，同期裝置所顯示機(jī)組和系統(tǒng)的電壓和頻率，所檢測的壓差和頻差在允許范圍以內(nèi)，同期條件已滿足，同期裝置的合閘指示燈點(diǎn)亮，但出口開關(guān)沒有動(dòng)作合閘，一定時(shí)間后監(jiān)控系統(tǒng)顯示“同期合閘失敗”“同期并網(wǎng)流程退出”，進(jìn)而發(fā)電機(jī)并網(wǎng)失敗。

某電廠自動(dòng)同期合閘原理如圖1 所示，其控制流程為在自動(dòng)方式下，監(jiān)控上位機(jī)（或現(xiàn)地單元）發(fā)出并網(wǎng)指令，啟動(dòng)選線繼電器動(dòng)作，同時(shí)給同期裝置和同步表上電，5s 后啟動(dòng)同期命令，同期裝置對(duì)機(jī)端和系統(tǒng)的電壓、頻率及相位角進(jìn)行檢測，在滿足同期條件下發(fā)出合閘命令，驅(qū)動(dòng)合閘繼電器HJ 動(dòng)作，如同步表也在滿足條件下驅(qū)動(dòng)繼電器ZDBS 動(dòng)作，兩個(gè)繼電器ZDBS、HJ的常開觸點(diǎn)和自動(dòng)方式繼電器25AX 的位置觸點(diǎn)串聯(lián)后去驅(qū)動(dòng)繼電器25CX 執(zhí)行動(dòng)作，由25CX常開觸點(diǎn)啟動(dòng)出口開關(guān)的合閘。

同步表集同步電壓表和同期閉鎖繼電器于一體，用于手動(dòng)同期相位角指示、手動(dòng)同期和自動(dòng)同期閉鎖功能，可設(shè)置允許范圍內(nèi)的壓差、頻差和閉鎖角［4］。當(dāng)壓差、頻差或閉鎖角超過允許值時(shí)，閉鎖繼電器自動(dòng)閉鎖合閘回路。同期裝置能夠自動(dòng)檢測電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的壓差、頻差和相位角差，并對(duì)發(fā)電機(jī)的頻率及電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置允許壓差、頻差、角度及開關(guān)合閘時(shí)間等參數(shù)，確保在差頻并網(wǎng)時(shí)捕捉到第一次出現(xiàn)的零相角差瞬間，進(jìn)行無沖擊合閘并網(wǎng)。可見同期裝置和同步表在壓差、頻差和相位同時(shí)滿足的條件下，控制回路才可以正式啟動(dòng)出口開關(guān)合閘，即同期“雙保險(xiǎn)”，從技術(shù)上可以防止非同期合閘。但也要求同期裝置與同步表間配合默契，否則當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)條件滿足另一個(gè)條件不滿足時(shí)，造成自動(dòng)同期失敗，這種情況時(shí)有發(fā)生。

針對(duì)所出現(xiàn)的故障現(xiàn)象并結(jié)合同期的靜態(tài)試驗(yàn)情況進(jìn)行綜合性分析并查找故障原因，電壓信號(hào)輸入、開關(guān)量輸入、同步表同期點(diǎn)選線點(diǎn)以及開關(guān)合閘回路等接線均正確，只要壓差、頻差和閉鎖角條件滿足，同步表對(duì)合閘回路的閉鎖也會(huì)解除。實(shí)際上同期裝置條件已滿足，同步表很可能沒有解除閉鎖，可能是同步表對(duì)實(shí)際引入動(dòng)態(tài)電壓信號(hào)與模擬加入靜態(tài)電壓信號(hào)檢測有不同的結(jié)果。再檢查同步表與同期裝置的參數(shù)設(shè)置，兩者的允許壓差、允許頻差均相同，分別為±5%和±0.25Hz，同期裝置的導(dǎo)前時(shí)間Tq 為200ms、合閘脈沖時(shí)間Td 為60ms，同步表閉鎖角=1.5°，很可能是由于同期裝置在判斷電壓信號(hào)過零點(diǎn)前200ms 就發(fā)合閘脈沖，但在合閘脈沖終止時(shí)，電壓相位角差Δ 尚未等于或小于閉鎖角，因此閉鎖未解除，并網(wǎng)就失敗。下面通過計(jì)算分析機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓在轉(zhuǎn)角度差的速度下在導(dǎo)前時(shí)間內(nèi)所旋轉(zhuǎn)的角度與閉鎖角的匹配是否合理：

1）已知發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=375（r/min）、額定轉(zhuǎn)速fn=50Hz，電網(wǎng)頻率fs=50Hz；Td=60ms。

2）并網(wǎng)前，因調(diào)速器的機(jī)頻是跟蹤網(wǎng)頻方式而進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，其轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.5%，設(shè)并網(wǎng)前機(jī)組運(yùn)行于轉(zhuǎn)速死區(qū)邊緣，假設(shè)fg=50+（50×0.5%）=50.25Hz；機(jī)頻與網(wǎng)頻轉(zhuǎn)速差為Δ 。Δ=｛［ne×（fg-fs）/fn］×360｝/60=｛［375×（50.25-50）/50］×360｝/60=11.25（°/s）。

3）同期裝置發(fā)出脈沖寬度所轉(zhuǎn)過角度：d=Δ ×Td=11.25×60/1000=0.675（°）。

4）導(dǎo)前時(shí)間所啟動(dòng)同期合閘的角度：q=Δ ×Tq=11.25×200/1000=2.25（°）。

5）脈沖終止時(shí)刻到過零點(diǎn)的電壓相角度差：Δ=q-d=2.25-0.675=1.575（°）。

可見：Δ ＞=1.5 度，說明同步表的閉鎖尚未解除，同期裝置已終止脈沖了，因此確定并網(wǎng)失敗的原因。

1.2 并網(wǎng)流程時(shí)間偏短

運(yùn)行人員在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)向同期裝置發(fā)出并網(wǎng)合閘指令瞬間，如果剛好錯(cuò)過機(jī)端與電網(wǎng)的電壓從正向負(fù)方向的過零點(diǎn)并網(wǎng)最佳時(shí)機(jī)，同期裝置就要等待下次機(jī)端與電網(wǎng)的電壓該時(shí)間點(diǎn)的出現(xiàn)。因此，最佳并網(wǎng)點(diǎn)重復(fù)出現(xiàn)間隔，應(yīng)該是監(jiān)控系統(tǒng)同期并網(wǎng)流程中時(shí)間設(shè)定的主要參考依據(jù)，如果并網(wǎng)流程時(shí)間設(shè)置偏短會(huì)造成并網(wǎng)失敗。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)電廠采用的勵(lì)磁與調(diào)速系統(tǒng)均有系統(tǒng)電壓跟蹤與系統(tǒng)頻率跟蹤功能，只要?jiǎng)?lì)磁與調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)把系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)頻率校準(zhǔn)，機(jī)端電壓及頻率在并網(wǎng)前的幅值就基本與電網(wǎng)一致，不使用同期裝置的調(diào)壓與調(diào)頻功能，因此同期裝置只能等待在過零點(diǎn)出現(xiàn)前發(fā)合閘命令。以某水電廠發(fā)電機(jī)為例分析最佳并網(wǎng)點(diǎn)重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔T：

1）已知發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=93.8（r/min）、額定轉(zhuǎn)速fn=50Hz，設(shè)電網(wǎng)頻率fs=50Hz；調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.5%。

2）設(shè)并網(wǎng)前機(jī)組運(yùn)行于轉(zhuǎn)速死區(qū)邊緣，機(jī)頻fg=50+（50×0.5%）=50.25Hz，機(jī)頻與網(wǎng)頻轉(zhuǎn)速差為Δ，Δ=｛［ne×（fg-fs）/fn］×360｝/60=｛［93.8×（50.25-50）/50］×360｝/60=2.81（°/s）。

3）假設(shè)機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓從正向負(fù)方向的過零點(diǎn)在定子繞組的正X 方向軸上相遇，那么在空間位置上也是經(jīng)過=360°再次在正X 方向軸上相遇。所以T=/Δ=360/2.81=128（s）。

通過以上計(jì)算分析，該發(fā)電機(jī)最佳并網(wǎng)點(diǎn)理論重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔為128s，因此監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出同期并網(wǎng)指令流程時(shí)間設(shè)置必須長于128s，否則會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)失敗。

1.3 失磁保護(hù)的誤動(dòng)作

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然消失或部分消失，當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至零，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作于發(fā)電機(jī)出口斷路器，使發(fā)電機(jī)脫離電力系統(tǒng)，防止發(fā)電機(jī)損壞和保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行而采取的主設(shè)備繼電保護(hù)［5］。從理論分析上看，似乎發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與發(fā)電機(jī)并網(wǎng)失敗并無關(guān)聯(lián)，然而某水電廠發(fā)生過一起真實(shí)的案例。

電廠在機(jī)組檢修結(jié)束后進(jìn)行開機(jī)試驗(yàn)，機(jī)組自動(dòng)開機(jī)到空轉(zhuǎn)、空載狀態(tài)時(shí)均正常，機(jī)組假同期并網(wǎng)也正常，開機(jī)流程來到機(jī)組正式并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上。運(yùn)行人員按常規(guī)開機(jī)流程進(jìn)行操作，先將機(jī)組開到空載狀態(tài)，在各方面并網(wǎng)條件都具備的情況下，下達(dá)機(jī)組自動(dòng)準(zhǔn)同期方式的并網(wǎng)命令，同期裝置從啟動(dòng)、檢測和發(fā)出合閘命令均正常，然而在出口開關(guān)完成合閘后又立即分閘，機(jī)組不但并網(wǎng)未成功還出現(xiàn)事故停機(jī)。

查看監(jiān)控系統(tǒng)歷史記錄，簡報(bào)先出現(xiàn)“出口開關(guān)合閘”，緊接著出現(xiàn)“發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)”動(dòng)作、“出口開關(guān)分閘”動(dòng)作、“滅磁開關(guān)分閘”動(dòng)作、“機(jī)組停機(jī)”等信息。保護(hù)裝置上有“失磁保護(hù)”動(dòng)作出口分閘信息。

通過對(duì)故障現(xiàn)象和故障信息進(jìn)行分析，證明開關(guān)自動(dòng)準(zhǔn)同期方式合閘成功，而立即分閘且事故停機(jī)的原因，易誤判為并網(wǎng)失敗。在機(jī)組正式并網(wǎng)前，已完成了開關(guān)假同期并網(wǎng)試驗(yàn)，可以判斷勵(lì)磁系統(tǒng)建壓和調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速均正常，且機(jī)端和系統(tǒng)的壓差、頻差及相位角差也滿足同期裝置和同步表的要求，出口開關(guān)的機(jī)械性能也正常。判斷是否為非同期并網(wǎng)，上述同期裝置判斷機(jī)端和系統(tǒng)的壓差、頻差及相位角差表面上滿足要求，如果是同期裝置和同步表檢測有誤，從其靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看其檢測正常，最關(guān)鍵是保護(hù)裝置的“失磁保護(hù)”動(dòng)作，不是因非同期合閘產(chǎn)生很大沖擊電流而會(huì)引起過流、速斷或負(fù)序等，因此排除了非同期并網(wǎng)合閘。機(jī)組保護(hù)裝置檢驗(yàn)記錄、保護(hù)定值和相關(guān)出口壓板也是故障原因檢查和分析對(duì)象，經(jīng)檢查保護(hù)裝置在機(jī)組檢修期間也進(jìn)行過全面校驗(yàn)，失磁保護(hù)定值設(shè)置及校驗(yàn)正確。又因該電廠沒有發(fā)電機(jī)故障錄波裝置，所以無法判斷開關(guān)跳閘前后的機(jī)端電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電壓和系統(tǒng)電壓的波形變化情況。

從檢查和分析看，與并網(wǎng)有關(guān)聯(lián)的設(shè)備及參數(shù)均無異常。因此再次開機(jī)建壓至空載狀態(tài)，檢查機(jī)組的電壓、頻率和轉(zhuǎn)子電壓、電流正常，保護(hù)裝置的機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電壓測量值正常，再度進(jìn)行開關(guān)假同期試驗(yàn)，合閘也正常。經(jīng)分析判斷“失磁保護(hù)”誤動(dòng)可能性很大，因此在并網(wǎng)前先將保護(hù)裝置的“失磁保護(hù)”功能壓板退出，再從監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出同期并網(wǎng)指令，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)同期裝置從啟動(dòng)、檢測、發(fā)出合閘命令和開關(guān)合閘等并網(wǎng)流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)至結(jié)束，機(jī)組并網(wǎng)后調(diào)節(jié)有功、無功負(fù)荷均正常。后經(jīng)保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家檢測確認(rèn)，失磁保護(hù)功能硬件回路有元器件老化引起誤動(dòng)出口，可見這是一起保護(hù)裝置誤動(dòng)引起并網(wǎng)失敗案例。

2 改造措施

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)失敗涉及到多方面的原因，除從發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的四個(gè)條件進(jìn)行分析和查找外，還應(yīng)從同期裝置和同步表的參數(shù)設(shè)置、同期合閘流程、同期合閘回路及相關(guān)的保護(hù)裝置進(jìn)行分析和查找。上述所列舉三起并網(wǎng)失敗是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)四個(gè)條件以外的原因引起的，其改造措施如下：

1）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)具有系統(tǒng)電壓跟蹤功能，在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)應(yīng)處于“投入”狀態(tài)，勵(lì)磁系統(tǒng)采集的機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證待并的發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓保持基本一致，防止出現(xiàn)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)兩側(cè)電壓偏差大于同期裝置設(shè)定值，導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。

2）水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)具有系統(tǒng)頻率跟蹤功能，在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)應(yīng)處于“投入”狀態(tài)，調(diào)速器系統(tǒng)采集的機(jī)組頻率和系統(tǒng)頻率應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)速的轉(zhuǎn)速死區(qū)滿足要求，不能為零值也不能過大，保證待并機(jī)組頻率與系統(tǒng)頻率的偏差在規(guī)定范圍以內(nèi)，防止出現(xiàn)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)兩側(cè)頻率偏差為零或大于同期裝置設(shè)定值導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。

3）設(shè)置合理的同期參數(shù)，同期裝置的參數(shù)包括壓差、頻差、相角差和導(dǎo)前時(shí)間，為了避免出現(xiàn)因同期裝置和同步表參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，除了壓差、頻差、相角差應(yīng)充分考慮同期裝置的導(dǎo)前時(shí)間Tq 及脈沖發(fā)出寬度時(shí)限Td 與同步表閉鎖角度配合，使同期裝置在發(fā)出合閘脈沖期間，同步表的閉鎖應(yīng)處于放開狀態(tài)。如同期裝置設(shè)定的導(dǎo)前時(shí)間Tq 及脈沖發(fā)出寬度時(shí)限Td 所確定的導(dǎo)前角度為2.25°，那么同步表的閉鎖角度設(shè)定應(yīng)大于2.25°，就能保證不會(huì)因?yàn)樵搮?shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。

4）監(jiān)控系統(tǒng)的并網(wǎng)流程是機(jī)組并網(wǎng)成功的關(guān)鍵因素，并網(wǎng)流程應(yīng)充分考慮同期裝置和同步表通電后自檢所需的時(shí)間，還有開關(guān)從分閘到合閘所需的時(shí)間，特別是發(fā)出同期并網(wǎng)指令流程時(shí)間設(shè)置，應(yīng)大于發(fā)電機(jī)最佳并網(wǎng)點(diǎn)理論重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔，否則會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)失敗。

3 結(jié)語

現(xiàn)代社會(huì)不斷發(fā)展，機(jī)組和電網(wǎng)的容量隨之發(fā)展壯大，電網(wǎng)看似越大越安全可靠，但其復(fù)雜程度和不可預(yù)知的安全隱患也在隨之增大，突發(fā)事故可能會(huì)造成電網(wǎng)大面積停電。因此電網(wǎng)容量增大反而對(duì)機(jī)組入網(wǎng)的可靠性和安全性要求更高，特別是大機(jī)組和負(fù)責(zé)電網(wǎng)黑啟動(dòng)的任務(wù)機(jī)組，不允許有非同期并網(wǎng)或并網(wǎng)失敗的現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的測量精度、可靠性和安全性越來越高，機(jī)組并網(wǎng)看似變得容易和簡單，但參數(shù)設(shè)置不合理也會(huì)造成并網(wǎng)失敗甚至非同期并網(wǎng)，技術(shù)人員檢修維護(hù)水平跟不上新技術(shù)需求，故障分析、處理方法不合理，也會(huì)耽誤并網(wǎng)失敗的處理，從而影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益和電網(wǎng)安全性。本文三例水電廠并網(wǎng)失敗的原因分析及處理案例，為其他電廠處理類似問題提供了參考，具有實(shí)際的參考價(jià)值。