开关变压器技术在水轮发电机自同期并列上的应用

2012-06-22冯卓利潘政刚潘家忠

电气技术 2012年1期

冯卓利潘政刚潘家忠

（1.大庆油田有限责任公司天然气分公司，黑龙江大庆 163411；2.哈尔滨帕特尔科技股份有限公司，哈尔滨 150090）

发电机的并列有两种方式，即准同期并列和自同期并列。

1）准同期并列是将未投入系统的发电机加上励磁，并调节其电压和频率，当满足并列条件（即电压和频率与系统相等，相位相同）时将发电机投入系统。

准同期并列如果能在理想状态下并列，则发电机输出电流为零，不会产生电流和电磁力矩的冲击，这是准同期的最大优点。但在实际的并列操作中，很难实现理想的并列条件，尤其是手动操作时更难达到，因此电流和电磁力矩冲击总是存在的。只要冲击不大，不超过允许范围，就是允许的，自动准同期可以达到较好的效果。

准同期并列时必须防止非同期并列，否则会使发电机受到破坏。如果在并列时，发电机电压和系统电压之间存在较大的差别（电压、频率、相位），则会产生较大的冲击，其中因相位差引起的冲击较多。最为严重的情况是当发电机电压与系统电压相位差 180°进行非同期并列，此时发电机的冲击电流将比出口三相短路时的电流大1倍，产生巨大的电动力和电磁力矩，使发电机遭到严重的损坏.过去就发生过因非同期并列而使发电机定子绕组绝缘破坏而短路的严重事故。

准同期并列要求的测试量较多，测试装置比较复杂；要求二次接线不能出现错误、同期装置动作要正确、每次维修之后一定要认真检查校核。

准同期并列对当系统发生事故时（电网不稳）需要紧急投入备用机组的情况无能为力。

2）自同期并列是将未励磁而转速接近同步转速的发电机投入系统，并立即（或经一短暂延时）加上励磁，发电机在短时间内被自动拉入同步。

自同期并列是在发电机无励磁时投入系统，在机械力矩、异步力矩及投入励磁后的同步力矩的共同作用下迅速拉入同步，因此它从根本上消除了非同期并列的可能性，同时它并列操作简单，不存在调节和校准电压和相位问题，只需调节发电机转速，易于实现自动化操作。此外，自同期并列时间短，采用自动自同期并列的发电机，从发出开机命令到发电机并入系统一般只要 20～40s甚至更短的时间。自同期并列的这一优点，为在电力系统发生事故而出现低频率低电压时起动备用机组创造了很好的条件，这对于防止系统瓦解和事故扩大，以及较快地恢复系统的正常工作起着重要的作用。

自同期并列时，发电机相当于异步电动机，因此伴随有短时间的电流冲击，并使系统电压下降（相当于异步电动机的起动，但冲击电流要小些），冲击电流引起的电动力可能对定子绕组绝缘和定子绕组端都产生不良影响；冲击电磁力矩也将使机组大轴产生扭矩和振动，这些不良影响虽然远较发电机出口三相短路时的影响小、发电机能够承受，但是如果并列操作要经常进行，则其积累效应也是不能忽视的，它将影响发电机的使用寿命，因此现在一般都是把自同期并列作为事故状态下发电机的应急起动并列，而正常的并列则用自动准同期并列。

1 发生非同期并列的可能性及其防止

由于发电机制造和投运的年代不同，所以准同期并列的方法也分为自动、半自动和手动三种方法。一般来说如果自动同期装置正常，自动准同期法不会发生非同期并列事故；而其他二种方法则难免会发生非同期并列事故。例如：

1）某发电厂，发电机电压互感器大修后二次接线首尾接反，由于未进行定相试验，所以该错误未被发现，造成该机并网时发生了 180°相位差的非同期并列，发电机及原动机受到严重损伤。

2）某发电厂，1号高压厂用变压器检修将低压侧 6kV电缆的 a、c相接反，送电后未定相，与 2号高压厂用变压器并列时造成a、c相短路，2号高压厂用变压器着火烧毁。

3）某发电厂，人员误操作，多次发生非同期并列事故。

为防止非同期并列事故的发生，当前的主要方法是严格规章制度和保证同期设备的完好。

2 开关变压器技术用于自同期并列技术方案

从前面的叙述可见，两种并列方式各有优缺点。从方便使用、实现自动化方面来看，自同期并列的优点要多些。至于电流冲击问题，两者都有，只是由于自动准同期技术的进步，使其冲击电流降得较小，因而正常情况下的并列方式都选自动准同期操作。那么，如果我们能把自同期并列时的电流冲击控制得较小，它惟一的缺点就被克服了，其优越性不是更突出了吗？

开关变压器技术可以解决这个问题。

2.1 系统结构与控制原理

图1 开关变压式自同期并网接线示意图

采用开关变压器（TK）技术的自同期并列系统结构图如图1所示。当控制装置接到起动命令时，调节水轮机调速器使电动发电机（DF）加速，当控制装置检测达到一定转速时，发出K3、K2的合闸命令，这时开关变压器式软起动装置（TK）接入电网与发电机（DF）之间（经升压变压器），由于此时可控硅（SCR）尚未开通，故TK中仅流过一个小于其空载电流的电流，此电流很小，不会对DF和电网造成冲击，之后，控制装置逐步调节SCR的导通角，使电流逐渐加大直至设定值，在此设定值下作恒流控制.当电动发电机DF转速达到同步转速的98%左右时，K1合闸、投励、断开K2、K3电动发电机DF继续加速直至同步。

当 TK兼作电动运行时的软起动应用时，只要在 K2上并接一个断路器，且在接线上做一个换相以保证DF反向运转即可。

在开关变压器接入电网与发电机之间、可控硅尚未开通时，使晶闸管延时几秒钟开通，控制装置对两端电压（发电机磁场剩磁会产生一定的电压）进行检测，看是否有错相发生，如果有错则停止可控硅开通、发出报警，这样便可以防止非同期并列事故的发生。

2.2 技术优势

开关变压器技术用于自同期并列之后，自同期并列的应用范围可以扩展到正常的发电机并列操作，使发电机的控制简单化，完全免除了非同期并列，对发电机的安全生产具有重要意义。

对于占系统容量比例很大的发电机，由于自同期并列时会有较大的电压降落，故大型发电机的自同期并列操作受到了一定限制，这对电网的事故快速处理有一定的影响。采用开关变压器技术后，冲击电流被消除，电压降落减小，大型发电机在电网发生事故（或正常操作情况）时也可采用自同期并列，这无疑对电网的安全稳定运行具有重要意义。