发电机组准同期的探讨

张建军，高 娃

（中盐青海昆仑碱业，青海德令哈 817000）

发电机组准同期的探讨

张建军，高 娃

（中盐青海昆仑碱业，青海德令哈 817000）

发电机组的同期系统是发电厂电气二次部分的一个十分重要的环节。本文从同期并列的条件出发，结合乌斯太热电厂2X30MW机组工程，阐述中小型发电机组准同期系统的基本原理及控制方式，介绍同期点及同期方式的设置、同期电压的引入、手动准同期装置的工作原理及接线和自动准同期装置的特点。最后为了说明同期操作的重要性，本文按照压差、频差、角差条件为例对非同期并列操作的危害进行了探讨。

手动准同期；自动准同期；同期并列操作

在发电厂和变电站中，通常把反映同期装置和同期电压连接关系的回路称为同期系统。发电机并入系统、两个不同系统并列，或一个系统分解为两个部分通过输电线路再连接等，所实施的操作叫同期并列操作。发电机在并入系统前与其他发电机组和电力系统是不同步的，存在着电压差、频率差和相角差。通过同期操作，将发电机组安全、可靠、准确快速地投入，从而确保系统的可靠、经济运行和发电机组的安全。

1 同期点及同期方式的设置

发电厂（或变电站）中每个有可能进行同期操作的断路器，称为同期点。也就是说当断路器两侧有可能出现非同一系统电源时，此断路器是同期点。乌斯太热电厂2X30MW机组共设了7个同期点，同期系统如图1所示。

1.1 同期点的设置

2个发电机出口断路器；2个三绕组变压器的高压侧；2个110kV系统联络线的线路断路器；110 kV母联断路器。

1.2 同步方式

本项目的7个同期点按照运行方式来分析得到如下结论：2个发电机出口断路器、主变高压侧断路器的同期点为差频并网点，而其余3个同期点既可能是差频并网点，也有可能是同频并网点。比如对于1＃进线断路器来说，当2＃进线和上一级两个进线及母联断路器都处于合闸位置时，此时1＃进线同期点就为同频并网点；而2＃进线和上一级两个进线及母联断路器中其中有一个断开时为差频并网点。

图1 乌斯太热电厂2X30MW机组同期系统图

1.3 同期电压的引入

在准同期操作时，需要检测同期电压是否满足其并列的几个条件。同期电压，即同期点（断路器）两侧经过电压互感器变换的二次侧交流电压。由于全厂（站）配用一套同期装置，所以需要把同期电压引至同期电压小母线上。所以，通常把同期电压小母线上的二次电压称为同期电压。同期电压的引入方式（即同期电压小母线的数目）与同期系统采用的接线方式有关。

目前，同步装置均为单相接线，交流输入电压多为100V，100／V。因此乌斯太热电厂2X30MW机组工程选取单相电压作为此系统的同期电压。而各个同期点选取的电压如下：

2个发电机出口断路器：两侧均采用CB相电压作为同期电压进行比较。

2个三绕组变压器的高压侧：主变高压侧电压经过转角变压器后取CB电压与主变低压侧电压进行比较。

2个110kV系统联络线的线路断路器：两侧均采用C相电压作为同期电压进行比较。

110kV母联断路器：两侧均采用C相电压作为同期电压进行比较。

2 手／自动准同期装置原理与接线

2.1 手动准同期的任务

1）通过频差表（或2只频率表）检测发电机与其要并入的系统之间的频率差，然后利用调速或调频开关来调整发电机的频率，使其频率接近要并入的系统频率。

2）通过压差表（或2只电压表）检测发电机与其要并入的系统之间的电压差值，再调整发电机的励磁，使发电机的电压接近要并入的系统电压值。

3）由运行人员来根据频差表和压差表指示的数值，判别发电机与其要并入系统的频率和电压是否满足准同期并列条件。当条件符合并列条件时，再根据同期表的指示，在打出必要的时间裕量（此时间裕量约等于断路器的合闸时间）后发出合闸脉冲，以确保同期点断路器合闸时，其两侧电压之间的相角差等于零或被控制在允许范围内。

乌斯太热电厂2X30MW机组工程的手动准同期主要部分接线原理如图2所示，图中未画出同期开关部分的接线。

2.2 手动准同期装置或元件的作用

2.2.1 MZ－10型组合式同期表

此项目使用的为单相组合式同期表MZ－10，此表由电压差表P1、频率差表P2和同期表P3组成，正面如图3所示。

图2 乌斯太热电厂2X30MW机组手动准同期接线示意图

图3 MZ－10组合式同期表正面图

1）电压差表P1的测量机构为磁电式微安表。当待并发电机电压大于系统电压，即ΔU（ΔU＝UG－US）大于零时，微安表指针向正方向偏转；反之，指针向负方向偏转。

2）频率差表P2的测量机构为直流流比计。当待并发电机与系统的频率相同，即ΔF（ΔF＝FGFS）等于零时，作用在流比计指针上的总力矩等于零，则指针不偏转，而停留在零（水平））位置上。当待并发电机频率大于系统频率，即ΔF（ΔF＝FGFS）大于零时，指针向正方向偏转；反之，指针向负方向偏转。

3）同期表P3，当待并系统的电压或者频率高于运行系统的电压或者频率时指针向快的方向旋转；反之向慢的方向旋转。只有压差、频差、角差都相等时，指针才指向红线的位置。

2.2.2 同期开关TK

为了避免由于不同同期电压回路之间的混乱而引起系统非同期并列，在并列操作时，同期电压小母线只能存在待并断路器两侧的同期电压。因此，每个同期点的断路器均应装设TK同期开关，并共用一个可抽出的手柄，此手柄只有在TK同期开关处于“断开”位置时才能抽出。这样做的目的是以保证在同一时间内，只有一台同期点断路器进行并列操作。

2.2.3 同期检查继电器KY

为了防止在不允许的相角差下误合闸，通常在手动准同期合闸回路中装设闭锁误合闸的同期检查继电器。同期检查继电器平时不工作，SSM1处于“断开”位置，只有在手动准同期时将SSM1（粗调／细调开关）置于“细调”位置，KY才接于运行系统电压和待并系统电压。当运行系统与待并发电机电压的相角差大于KY的动作整定值时，其常闭触点断开，不允许发出合闸脉冲，这就防止了在允许相差角范围之外断路器误合闸。此项目所有同期点共用一只同期检查继电器。

2.2.4 粗调／细调开关SSM1

此开关是为了配合MZ－10同期表使用的，当开关选择“粗调”同期时，只接入MZ－10同期表的电压差和频率差表。规定当待并系统频率和运行系统频率差＜±5%时，选择开关打到“细调”同期时，接入同步指示器。因为当频率差过大时，同步表转针转速过快容易引起振动或停止不动的情况，所以，应避免频差过大时接入同步指示器。

2.2.5 SSM解除手动准同期开关

图3中，SSM为解除手动准同期开关，平时此开关触点是断开的，在不需要同期操作的情况下，如系统无压或电厂停发系统倒供厂用电等情况，将SSM投入；SSM触点短接KY触点，就解除了同期闭锁，同时只要将SSM置于“精确”位置，断路器就能合闸。

乌斯太热电厂2X30MW机组工程项目采用的自动准同期装置是北京紫光测控公司生产的DCAP－3518装置。DCAP－3518自动准同期装置基于32位高性能DSP（数字信号处理器）和高速以太网络通信技术设计。装置最多可控制8个同期点，采用插件式结构，根据同期点的数量配备相应数量的同期插件。

2.3 自动准同期装置的任务

自动监视电压差和频率差，同时设有自动调节电压和频率单元，在压差和频差不合格时发出控制脉冲，直到压差、频差满足要求。然后选择最理想的时间发出合闸脉冲（导前时间），使断路器在零相角差时合闸，完成同步操作的全部过程。

2.4 自动准同期装置的接线

相比于手动准同期接线，自动准同期接线就要简单得多，许多需要人为控制的因素都被自动准同期装置取代了，并且控制结果也比手动准同期更加准确了。自动准同期的接线如图4所示。

图4 自动准同期接线示意图

2.4.1 电压采样

只需经过同期开关引入同期装置，并且可以设置运行系统电压与待并系统电压间的角差，无需引入转角变。并且装置可以设置无压合闸的模式，即检测运行与待并系统若有一侧无压也可进行合闸，并且此功能在装置上可以进行投退。

2.4.2 开关量输入

同期启动信号输入：可由后台遥控或DCS自动控制，同期装置只有接到此命令后才启动自动准同期，进行合闸操作。

PT断线信号输入：用于闭锁同期合闸。

断路器合闸位置输入：装置可通过此接点主要是判断同期合闸是否成功。

2.4.3 控制输出

根据交流电压的采样，当频差不满足同期要求时，系统将自动调节原动机转速来改变发电机的频率，即通过控制原动机的调速器（DEH）来实现自动准同期。当压差不满足要求时，自动调节发电机的电压使其趋向于其要并入系统的电压，即通过发电机励磁调整装置（AVR）来实现。直至发电机的频率和电压均满足同期要求时，同期合闸信号输出。

2.5 自动准同期装置的特点

1）高可靠性：采用先进、可靠的微机装置，在软件及硬件上具有很大的冗余度，确保没有误动的可能。

2）高精度：自动测量导前时间，保证零相角差时完成并网操作。

3）高速度：快速平稳的把发电机的电压和频率调整到给定值，并能捕捉第一次出现的零相角差时将发电机平滑地并入电网。

4）能融入分布式控制系统（DCS）：通过与上位机的通讯完成开机过程的全盘自动化。同时上位机也需求获得同步装置的静态定值、动态参数及并网过程状况的信息。

5）操作简单、方便，有清晰的人及界面。

6）二次接线设计简单清晰。

3 同期合闸的基本注意事项

1）频率不能完全相同（频率完全相同可能永远也找不到相角差为零的时刻）。

2）合闸时刻相角最好为零（导前时间）。

3）各同期点投入同期的同期开关其操作手柄应为可取出（因运行中只留1个手柄，以免误操作）。

4）手动准同期时合闸控制回路必须用同步检查继电器的接点闭锁。

5）当经不同接线方式的变压器供电时，手动同期装置的同期电压必须经转角变压器修正。

6）手动同期装置使用的电压互感器，其二次侧接地方式应统一，否则应加装隔离变。

4 非同期并列的危害

发电机的电压、相位及频率与系统不符合实际并列条件的并列，被称为非同期并列。

4.1 频率不等

假如发电机的电压、相位与系统完全相同，只有频率不一致，在这种情况下并列，则相位不同时所产生的后果相类似，会产生有功冲击电流。频率相差越大，产生的冲击电流也越大，这会导致发电机要经过很长一段时间才能与系统同期，甚至无法达到同期。

4.2 电压不等

假设发电机与系统的频率、相位完全相同。只有电压不一致，则并列之前发电机并网开关主触头之间就已经存在电压差，则并列时会产生无功冲击电流。它们之间的电压差越大，冲击电流也会越大，由电压差产生的电动力将损坏发电机及其相关的电气设备。

4.3 相位不等

假若发电机的频率、电压与系统的频率、电压完全相同，只有发电机电压与系统的电压相位不一致。因相位差的存在，在系统并列之前发电机开关主触头间就已经有电位差的存在。在这种条件之下并列，将会产生有功冲击电流。这样的其后果是：若发电机的电压相位滞后于系统，则导致发电机突然加速；若发电机电压相位超前于系统，则会使发电机突然减速。而发电机无论是加速还是减速，都会产生不良的后果，如发电机短时间抖动，严重的则使其主轴扭伤，损坏其转子。

5 结 语

随着计算机技术，通信技术和电力电子技术的发展，同期装置的微机化、智能化是发展趋势，加之现代控制理论在同期装置上的应用，新一代微机型自动准同期装置已经在电力系统得到了广泛的应用，积累了丰富的运行经验，并取得了良好的经济效益和社会效益。而手动准同期装置由于接线复杂、存在重大的安全隐患、延误并网时间等缺点逐步被自动准同期装置所取代。随着同步过程中的理论研究的不断深入，一批先进的新型自动准同步装置将会不断地推出，它必将为高速发展的电力系统并网同期操作提供更加高效、可靠、安全的有力保障。

TM 311

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1005－8370（2012）01－41－04

2011－12－10

张建军，电气工程师。原为中盐吉盐化集团热电事业部热电厂电气工程师，现为中盐青海昆仑碱业有限公司热电厂主任。