改进的同步发电机分闸保护系统

摘 要：当并网的同步发电机需要根据指令或由于系统出现故障需要停机时，控制器向断路器发出分闸指令，断路器断开，使同步发电机与电网隔离。但当控制器、断路器或连接断路器的保护元件出现失效时，则会出现分闸失败故障。如发动机停止点火，此时发电机将被电网拖住，由发电状态直接转换为电动状态，拖动发动机继续旋转，造成重大的设备损坏，酿成安全事故。因此，本文对传统的发电机分闸方法进行系统优化改进，并提出了一种安全可靠性更高的分闸控制保护系统，实现同步发电机的可靠分闸。

关键词：同步发电机；分闸失败；分闸保护

随着分布式能源的不断发展，采用同步发电机的小型电站得到了广泛的应用。该类小型电站多采用无人值守的自动运行方式，发电机的准同期，运行控制、保护等均通过系统控制器进行自动控制。当计划性停机或因故障造成非计划停机时，如果因保护回路、断路器、控制器等故障失效而不能正常分闸，将导致发电机被电网拖住，无法与电网解列，造成分闸失败[1]。发电机在旋转系统的惯性下，发电机将从电网吸收功率转变为电动机，拖动发动机继续旋转。因电路主回路系统无瞬间短路、过流故障，断路器不会自动脱扣跳闸。

在该故障模式下，如果无外力介入，系统将无法停止，一直旋转下去。机器长时间非正常运行，因散热不良，机体温度逐渐升高，造成机油、防冻液高温喷出，旋转部件将缺乏保护将造成严重损坏。机体附着线束软化，变形，严重将导致着火，甚至造成严重的安全事故和人身伤害。

因此，研究安全可靠的同步发电机分闸保护系统有着重要的理论价值和实际意义。

1 简单分闸保护系统工作原理

同步发电机与电网连接点采用带电动分合闸的断路器。发电机启动运行后，控制器实时采集断路器两端的电压、频率，在满足同步发电机同期条件后，控制器发出合闸信号，合闸继电器得电，驱动断路器闭合。同步发电机被接入至电网中，开始工作。

当系统出现异常时（如发电机油压低、发动机水温高或发电机过流时）或接收到外部要求的停机指令后，控制器发出分闸信号，分闸继电器得电。驱动断路器断开，以实现同步发电机与电网的隔离。

断路器的电动操作电源一般通过熔断器或断路器进行保护。

这种结构的分闸保护系统结构较为简单，但存在着安全性和可靠性较差的问题，当保护元件或控制器、断路器任何一个部件出现问题，系统将无法正常进行分闸操作，导致发电机进入倒拖[2]，变成电动机，不断从电网吸收有功功率和無功功率，造成发电机的损坏和电网的安全事故。

2 改进的分闸保护系统结构

基于简单分闸保护系统可靠性较差的弊端，对系统进行优化和改进，在原有的分闸保护系统基础上添加冗余保护装置，增强其工作的安全性和可靠性。改进的分闸保护系统整体结构如图1所示。

系统结构上，在主回路上增加一台带分励脱扣的冗余断路器QF2，其作用在于当断路器QF1无法分断时，由QF2完成分断隔离功能。

在控制箱内增加一台逆功率保护器[2]，逆功率保护器控制输出中间继电器KA4，当系统从电网吸收有功功率时，逆功率保护器动作，驱动KA4得电。

与常规系统相同，发电机控制器输出中间继电器KA1，用于发电机同期时的合闸控制。

与常规系统相同，发电机控制器输出中间继电器KA2，用于发电机同期时的分闸控制。

在发电机控制器上增加一个中间继电器KA3，其作用为控制器发出分闸指令，但未收到在QF1分闸信号，控制器输出分闸失败信号，驱动中间继电器KA3得电。

KA4的辅助触点与继电器KA3的触点并联，用于控制冗余断路器QF2的分励线圈，当KA4或KA3得电时，QF2将断开。

3 改进的分闸保护系统工作流程

改进的同步发电机分闸保护系统在正常工作时，控制系统实时采集发电机侧和电网侧的电压、电流和频率进行处理运算，判断并网系统的实时运行状态。当系统中出现故障需要断开时或接收到外部停机指令后，系统发出分闸指令，进行同步发电机分闸操作。若系统控制器和断路器均正常工作，则主断路器QF1正常断开，实现系统分闸。

若系统控制器正常工作，而断路器由于本身故障或其控制电源侧的熔断器出现故障，导致主断路器QF1不能正常断开。此时，控制器控制分闸失败继电器KA3得电，使冗余断路器QF2断开，完成系统分闸。若控制器不能正常工作，此时系统处于失控状态，控制器无法输出分闸继电器或分闸失败继电器，主断路器QF1无法正常断开。此时，发电机从电网侧吸收功率，当吸收功率达到逆功率保护器设置的阀值并达到延时时间时，逆功率保护器工作，使继电器KA4得电，冗余断路器QF2断开，实现同步发电机的分闸操作。

因此，在原有的同步发电机分闸保护系统的基础上，增加逆功率保护器和冗余断路器可以在系统出现控制器失灵或断路器拒动的情况下完成分闸操作。这种电气结构和控制方法提高了分闸保护系统的安全性和可靠性，也增大了系统的冗余性和容错率。

4 具体实施案例

本单位开发的热电联产机组，发电机组控制器采用深海8620控制器，在实际使用中，因保护断路器跳闸，导致发电机控制器失电，无法工作，致使发动机停止运行，因控制器失效，未发出分闸指令，导致发电机未及时与电网脱开，造成了机组长达4个多小时逆功率运行。造成机组防冻剂和机油喷出，所有的旋转部件均严重磨损，缸体变形，给企业重大经济损失，该事故差点酿成火灾。

我们将改进的同步发电机分闸保护系统应用于150kw热电联产机组中，主断路器采用带电动操作机构的塑壳断路器，冗余断路器采用带分励脱扣的普通断路器。机组正常由发电机控制器来控制自动启动、同期、运行和停止。在机组控制器失效时，由冗余保护系统提供保护。

采用改进后的发电机分闸保护系统后，能够在系统出现故障后快速进行分闸操作。目前，采用该分闸保护系统已平稳运行数千小时，现已通过审批该项专利[3]。

5 结论

本文对传统的同步发电机分闸保护系统进行了优化改进，在发电机侧增加逆功率保护器，在电网侧增加冗余断路器，使分闸保护系统能在控制器失灵或主断路器拒动的情况下，能够正常完成分闸操作。通过系统结构的改进和控制方法的优化，分别在理论上和实际工程中验证了改进后分闸保护系统的可行性和正确性。

参考文献

[1]陈亦平，洪军.巴西“11.10”大停电原因分析及对我国南方电网的启示[J].电网技术，2010，34（5）：77-82.

[2]杨益平，钱敏.浅谈膨胀机异步发电机的逆功率保护[J].电气传动自动化，2016，38（2）：58-60.

[3]武海滨，杨向阳，李文乐，等.一种同步发电机离网时分闸失败保护系统[P].中国专利：CN201721239270.3，2018-06-05.