发电机组同期合闸失败原因分析及解决措施.pdf

2023 年 26 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application发电机组同期合闸失败原因分析及解决措施闫红军，郑霜，王选凡（华能澜沧江水电股份有限公司糯扎渡水电厂，云南 普洱 665005）水轮发电机组的同期是将未投入电力系统的发电机加上励磁，并调节其电压和频率，在满足电压、频率、相位在允许范围之内的并列条件时，将发电机投入电网系统。同期失败或者同期并网时间长，发电机不能及时并网发电，可能造成电力系统出现负荷缺口，影响电力系统安全稳定运行。同期失败的原因多种多样，分析同期失败的原因并不复杂，主要是要有数据支撑，包括电压、频率、同期参数等，才能快速精准定位同期失败原因，找出解决对策。1同期装置基本原理1.1发电机同期系统定义及作用同步发电机投入电力系统参加并列运行的操作称为并列操作或是同期操作。用于完成并列操作的装置称之为同期装置。为了发电机自身的安全，同时也是为了对电力系统造成尽可能小的冲击，发电机并入系统时必须有同期装置，否则可能造成很严重的事故。1.1.1发电机并入电力系统必须要满足的条件相序必须一致；发电机频率、电压与系统频率、电压相同或差值在允许的范围之内；发电机与系统的相角差不为零或差值在允许范围之内1。同期条件不满足的情况下严禁并网，否则有可能产生很大的冲击电流而烧毁发电机或使电网稳定性遭到破坏甚至瓦解。一定要将坚决防止发电机的非同期并列。1.1.2发电机同期分类发电机组的并列方式有 2 种：准同期和自同期。准同期是指将还未投入系统的发电机加上励磁，并调节其电压和频率使其满足同期并网的条件，将发电机并入系统。自同期是将未励磁而转速接近同步转速的发电机并入系统，并加上励磁。1.2发电机同期试验1.2.1发电机同期要求根据国家能源局印发的 防止电力生产事故的二十摘要：发电机依靠同期装置实现快速并网，并网过程中不能对电网造成冲击。发电机组同期合闸失败，不能并网发电，可能造成电力系统出现负荷缺口，影响系统安全稳定运行。该文介绍同期装置的原理，举例分析同期失败的常见原因及解决措施，主要有并列条件不满足、同期装置及回路故障。通过监控系统数据分析，就可以找出同期失败的原因，归结起来就是系统原因和设备原因，提出有针对性的解决办法，提高同期合闸成功率。关键词：同期装置；并列条件；同期试验；同期失败；转差率中图分类号院TM31文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0140-04Abstract:The generator relies on the synchronization device to achieve rapid grid connection,which can not impact thepower grid in the process of grid connection.The generator sets fail to close at the same time and cannot be connected to thegrid,which may cause a load gap in the power system and affect the safe and stable operation of the system.This paperintroduces the principle of the synchronization device,and gives examples to analyze the common causes and solving measures ofthe synchronization failure,which mainly include the unsatisfied juxtaposition condition,the synchronization device and the circuitfault.Through the data analysis of the monitoring system,we can find out the reasons for the failure in the same period,whichboils down to the reasons of the system and equipment,and put forward targeted solutions to improve the success rate of closingin the same period.Keywords:synchronization device;juxtaposition condition;synchronization test;synchronization failure;slip rate第一作者简介：闫红军（1986-），男，高级工程师。研究方向为水力发电。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.032140-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期五项重点要求（2023 版）（简称 二十五项反措（2023版），微机自动准同期装置应安装独立的同期检定闭锁继电器，同期闭锁继电器应同时具备压差、频差、角差检查闭锁功能。对于新建或改造的同期装置，宜选择双通道相互闭锁的同期装置。新投产、大修机组及同期回路（包括交流电压回路、直流控制回路、整步表、自动准同期装置及同期把手等）发生改动或设备更换的机组，在第一次并网前应进行以下工作：对装置及同期回路进行全面的校核、传动；利用发变组带空载母线升压试验，校核同期电压检测二次回路的正确性，并对整步表及同期检定继电器进行实际校核；进行机组假同期试验，试验应包括断路器的手动准同期及自动准同期合闸试验、同期（继电器）闭锁等内容。1.2.2发电机同期试验方法同期试验的原理简单来说就是待并网侧（发电机）和系统侧（电网）在并网开关两侧的电压、频率、相角差在允许范围之内时，合上开关。通过同期试验可以检查同期回路接线的正确性，检验同期装置和监控、调速器、励磁系统之间的调节是否正确，防止非同期并列。同期试验分为假同期试验和真同期试验，假同期试验是指在隔离刀闸断开的状态下，使用同期装置进行模拟并网，合上开关，因为有隔离刀闸作为明显的断开点，实际上未并网；真同期试验就是利用同期装置真正地让发电机并网，也就是开关在热备用状态，一经合闸即可并网。先要做假同期试验，再做真同期试验。机组同期装置可以通过发电机出口开关并网，也可以通过主变高压侧开关并网，因此这 2 个开关都要做真假同期并网试验。同期试验中会用到便携式录波仪，作用是记录电压、电流波形和开关状态。试验接线：淤从同期装置待并侧 PT 的取电压信号连接至录波仪输入端 U1；于从同期装置系统侧 PT 的取电压信号连接至录波仪输入端 U2；盂将发电机出口开关合闸位置节点和主变高压侧开关合闸位置节点接入录波仪。试验步骤：淤开展主变高压侧开关假同期试验，将主变高压侧开关转为冷备用，解除主变高压侧开关合闸位置至调速器的接线，避免发电机出口合闸后调速器进入负载态。在计算机监控系统将主变高压侧隔离刀闸强制为合位，以满足并网条件。开展发电机带主变零起升压试验，主变带额定电压后，上位机发出机组以主变高压侧开关发电令，检查主变高压侧开关合闸，分析录波仪波形图，检查合闸瞬间的压差、频差、导前时间是否满足要求。将主变高压侧开关转为热备用，恢复主变高压侧开关合闸位置至调速器的接线，开展真同期试验，上位机发出机组以主变高压侧开关发电令，检查合闸瞬间的压差、频差、导前时间是否满足要求。于此时主变已带电，接着开展发电机出口开关假同期试验，断开发电机出口隔离刀闸，在计算机监控系统上位机将发电机出口隔离刀闸强制为合位，满足开机至并网条件，解除发电机出口合闸位置至调速器的接线，避免发电机出口合闸后调速器进入负载态。将发电机以发电出口开关并网发电，检查发电机出口开关合闸，检查合闸瞬间的压差、频差、导前时间是否满足要求。断开发电机出口开关，合上发电机出口隔离刀闸，恢复发电机出口合闸位置至调速器的接线，开展发电机真同期试验，发电机出口开关在热备用状态下同期合上开关。2同期失败原因分析2.1同期并列条件不满足发电机同期并列有 3 个条件，如果任意一个条件不满足则不能并网，否则有可能产生很大的冲击电流。发电机同期合闸失败多数原因就是并列条件不满足要求，现用案例进行分析。2.1.1案例一某水电站发电机组设置有 2 套 ABB SYN 5201 型数字式同期装置，2 套互为备用。机组开机后，A 套同期装置启动后超过 120 s 未成功并网，等待 180 s 后，启动B 套同期装置，超过 120s 未成功并网，造成同期失败。通过分析待并网侧和系统侧的电压、频率曲线，电压差小于2V，频率差小于 0.1Hz，满足要求。角差的定值为 5毅，但角差无法直接测得。机组并网相角差表达式为（2仔f1t+椎1）-（2仔f2t+椎2）寅2仔t（f1-f2）+（椎1-椎2），理论上当 f1 与 f2 相等时，相角差为一个定值，若大于 5毅，则会导致机组同期并网条件一直不满足。本次同期失败的直接原因是角差不满足2，进一步对角差不满足的原因进行分析，在分析之前，先对 ABB 同期装置的频率调节原理进行简单说明。转差率 s 的定义s=f1-f 2fn，141-2023 年 26 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application式中：f1 为系统频率，f2 为待并网侧频率，fn 为额定频率。s0 表明待并网侧频率比系统频率低，发电机处于欠同步状态；s0 表明待并网侧频率比系统频率高，发电机处于过同步状态。当角差不满足要求时，同期装置频率匹配器会给调速器发增频或减频指令，该指令长度与转差率成正比，与频度调节特性 df/dt 成反比，频度调节特性值可在同期装置中进行设置修改，频度调节特性值越小，说明指令长度越长，调速器调节幅度也就越大。频率匹配器的任务是把当前转差率调节到转差率极限值（上、下极限值中较小的那个极限值）与 0 的差值的中间值，调节指令的长度 tpf可根据下式计算得到如图 1 所示，当转差率位于转差率极限值 smax的 1/3到 2/3 这个区间内时，不需要对其进行调节，在这个区域内发合闸脉冲时，因为导前时间（从发出合闸命令到开关合上的时间）的存在，开关合闸时，2 个并列之间的相位一致，对系统的冲击最小。一旦转差率为 0，调节脉冲就会立即停止。调节指令长度不应低于一个可设定的最小值。发出调节指令后，系统会等待一段设定的脉冲间隔时间 tsf，使实际转差率能够逐渐稳定到新的设定值。图 1频率匹配器调节图通过分析待并网侧频率曲线和系统侧频率曲线，发现同期装置向调速器发出增频脉冲指令进行频率调节，此时调速器在导叶自动增频调节过程中叠加同期调节指令，又出现频率超调现象，因此在同期装置每间隔20s发 1 次的调节过程中，出现频率周期性的波动，导致频率不满足同期合闸条件。说明调速器自身的调节和同期装置的频率调节配合上出现了问题。解决措施：一是修改调速器频率调节步长，减小空载模式下调速器频率调节步长，水轮机导叶动作开度就会相应减小，频率变化幅度就不会那么大了。二是修改同期装置频率匹配器参数，将频度调节特性 df/dt 设大，就可以缩短同期装置指令长度，调速器自然就调节少了。三是将原来的 20s 调节脉冲时间间隔调长，就可以等频率稳定了再发调节脉冲，不至于超调。延长调节脉冲间隔时间，建议同步修改同期超时判断时间，这样同期装置就可以多调节几次，提高同期成功率。2.1.2案例二如果测得的频率不稳定，也有可能造成同期条件不满足。某水电站输电线路为 110 kV，由于近期当地引进了一些冶炼企业（如电弧炉、电解铝装置），导致 110 kV系统存在大量非线性负载（主要是晶闸管整流设备、三相负荷不平衡等引起），引起电网电流畸变，大量高次谐波导致电网谐波“污染”3，造成频率测量不准。解决措施：一是在测频回路中加装谐波滤波器。二是将测频设备更换为抗干扰能力强的设备。2.1.3案例三如果发电机组有出口开关，同期的电压信号从发电机出口 PT 和发电机出口开关内的 PT 取得，相角基本无误差。如果在主变高压侧同期，就得取母线 PT 和发电机出口 PT 的电压信号，发电机出口 PT 取得的电压信号，与实际的同期电压相差了一个主变压器的相角。这需要对同期装置或同期鉴定闭锁继电器每个并列点的系统侧电压单独设置转角进行修正。解决措施：这种问题一般是新投产机组启动试验时可能遇到的问题，同期装置设置好了后续启机就不会有同期失败的问题了。这里对 ABB 同期装置的电压调节原理进行简单说明。如图 2 所示，由同期装置电压匹配器发出调节指令（脉冲），该指令长度与当前系统侧电压和待并网侧电压差成正比，比例因子 dU/dt 的大小可根据电压调节器进行调整、设置。电压匹配器的任务是把电压差调节到设定公差带的中间位置，调节指令的长度 tpU 可根据下式计算得到。一旦电压差被调节到目标值，调节脉冲就会停止。调节指令长度不应低于一个可设定的最小值。发出调节指令后，系统会等待一段设定的脉冲间隔时间 tsU，脉冲间隔时间 120s 可调，使实际电压值能够逐渐稳定到新max2ddsstpfft 。maxmax2ddUUUtpUUt。需要缩短脉冲持续时间的区域不需要调节脉冲的过同步区域需要延长脉冲持续时间的区域需要缩短脉冲持续时间的区域不需要调节脉冲的欠同步区域需要延长脉冲持续时间的区域-smax2/3伊（-smax）1/3伊（-smax）s=01/3伊（+smax）2/3伊（+smax）+smax142-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期的设定电压值。图 2电压匹配器调节原理2.2同期装置故障及回路问题一般大型机组同期装置为双套配置，一套同期失败后可自动切至另外一套，可靠性高。同期装置回路包含的主要设备有：同期装置、同期鉴定闭锁继电器、电压互感器和电缆等，任意一个环节出问题都会造成同期失败。主要包括装置故障和回路故障，这些故障就不一一陈述了，列举几个典型问题进行描述。还有就是与同期有关的调速器和励磁系统，调速器负责调节频率，励磁负责调节电压，如果这 2 个系统出问题了，也会导致同期失败。2.2.1案例一某水电站机组在同期并网过程中，同期装置发出“增速”和“减速”令至调速器3-4，调节水轮机导叶开度。在调速器收到“减速”令时，调速器将导叶回关，此时由于主用水轮机导叶位移传感器滑块连接螺钉脱落，导叶反馈值未变化，调速器判断导叶未回关，即反馈值未到达给定值，造成导叶继续回关。随后频率降低至励磁系统 V/F 限制动作值，励磁系统报警，频率继续降低至 45 Hz 时，励磁灭磁开关跳闸。解决措施：这是由于调速器故障导致的同期失败，建议对导叶位移传感器滑块进行加固处理。如果有条件，可以安装 3 个导叶位移传感器，采用“三选二”判断逻辑。2.2.2案例二某水电站机组同期失败，通过查询监控曲线，同期装置开始运行时机组频率为 50.11Hz，机组进入空载至同期装置开始运行的 90s 内，调速器未能将机组调节至稳定状态。对机组进行调速器 A、B 套空载扰动试验5，机组 A、B 套空载扰动均超调 60%，由扰动开始到调节稳定为止的调节时间（依0.05 Hz 扰动，稳定时间为 80耀90 s）均超过 25 s。不满足频率最大超调量不得超过扰动量的35%及由扰动开始到调节稳定为止的调节时间不得超过25s 的要求。经过分析，机组调速器 PID 参数是在机组投产初期低水头情况下确定的，在当前高水头运行方式下，机组空载时的超调量大，调节稳定时间长。同期失败的原因归结为调速器 PID 参数不合理。解决措施：一是在额定水头时开展调速器空载扰动试验，选取的 PID 参数可兼顾低水头和高水头的运行工况。二是条件允许，可以设置多组 PID 参数，以适应不同水头。2.2.3案例三某水电站机组开机过程中报发电超时，开机流程退出。检查同期装置显示“对象侧频率过低”。同期失败的原因是同期装置报出“对象侧频率过低”，同期频差过大，此信号只有在机端频率低于 44Hz 时报出，而监控系统曲线显示机端频率在此时间内均在 50 Hz 左右，故判断同期装置 PT 回路可能有瞬时干扰或者同期装置瞬时故障。解决措施：这种情况属于偶发故障，故障原因分析较困难，因此建议检查回路及 PT 回路电缆屏蔽接地情况，对同期装置进行校验。3结束语同期失败的原因很多，或者是设备原因，或者是系统原因，要将失败原因分析清楚，最重要的是数据采集和分析，包括采集电压、频率、设备故障和事件记录等，通过这些数据分析才能将同期失败原因分析清楚。如果在同期失败分析过程中修改了同期参数或者动了回路，建议在并网之前，开展同期试验，避免出现非同期并网，造成严重后果。参考文献院1马金存.发电机非同期并列案例分析J.冶金动力，2019（8）：23-25.2彭金宁，宋玲芳，牛利涛，等.发电机准同期合闸相角差整定分析J.电力科学与工程，2013，29（4）：40-44.3陈方.石塘水电站机组并网困难原因分析及对策C/浙江省水力发电工程学会.2008 南方十三省水电学会联络会暨学术交流会论文集，2008：22-24.4纪正堂，王远洪.小湾电厂机组同期失败原因分析及处理J.科技创新与应用，2015（2）：54-55.5周博闻，何宏江，李银斌.白鹤滩水电站机组自动同期试验失败原因分析J.人民长江，2022，53（S1）：130-133.驻U-驻Umax0+驻UmaxdUdttpUtsUt143-