水电机组手动准同期回路优化探讨

中国水利水电第十六工程局有限公司 陈剑青

众所周知，发电机并列是发电站日常运行、机组启动操作实现并网过程的一项重要步骤，其同期操作过程的可靠性、平稳性和安全性，考验了机组设备的性能和操作人员的水平。下面结合水电机组并网调试经验，分析探讨非同期合闸可能导致的严重后果，重点介绍同期回路优化方案，提出防范非同期合闸的具体措施,以提高发电机并网时手动准同期回路工作的可靠性、平稳性及安全性。首先简单谈谈非同期并列的危害，非同期并列操作会产生较大的冲击电流，对机组和系统不利，因此须采取有效措施加以规避[1-2]。

下面通过一个案例介绍手动准同期回路的优化改进过程，分析探讨该优化方案的合理性及必要性，以避免可能发生的非同期误合闸操作，化解潜在的安全事故隐患风险：国外某水电站安装有两台单机容量150MW 的水轮发电机组，该水电机组的同期装置采用自动准同期为主、手动准同期为辅的工作方式[3]。其手动准同期装置布置在地面控制室模拟屏上，手动准同期装置包括：PT 隔离变压器3GB和4GB、整步表（M2）、同步检查继电器（TJJ2)、同期选择开（K2-SYN)、合闸选择开关（K2-CE）、无压选择开关（K2-NV）、GCB 合闸开关（K2-CL）、励磁增减开关（K2-V0）及调速器增减开关（K2-SP）等。

1 手动准同期装置正常运行操作方法与回路分析

机组自动准同期的必要条件：机组正常并网运行时是采用自动准同期并列方式的。自动准同期并列时须全部满足以下前提条件才能操作同期点断路器合闸、完成并网操作：待并发电机组的电压相序与电力系统的电压相序要相同；待并发电机组的电压值与电力系统的电压值相等，电压差通常不要超5V；待并发电机组的频率与电力系统的频率要基本相等，频差通常不超0.2Hz；合闸瞬间发电机组的电压相位与电力系统的电压相位要相同，相位角差通常不超10度[4-5]。

手动准同期回路：因该国电力系统稳定性较差，电网的系统电压、频率不稳定，自动同期装置时常无法完成断路器同期合闸，容易造成并网失败，为此需手动同期合闸并列，作为实现并网的补充手段。

手动准同期装置正常运行操作方法：首先将无压选择开关（K2-NV）切至有压选择位置；投同期选择开关（K2-SYN）；此时将分别投入系统电压小母线，机端电压小母线，整步表（M2），同步检查继电器（TJJ2）；操作K2-V0进行增励磁↑或减励磁↓调节；观察整步表（M2）的电压差；操作K2-SP 进行增速↑或减速↓调节；观察整步表（M2）的频率差以及相角差指示；条件满足时将合闸选择开关（K2-CE）解锁并投入；在条件满足时刻合机组的GCB 合闸开关（K2-CL）；机组的GCB合闸成功。

手动准同期装置正常操作存在的缺陷分析。上述手动准同期装置在调试过程中发现，该手动准同期合闸控制回路存在严重缺陷，一旦操作错误将会造成断路器（GCB）的非同期合闸，引发严重的后果，可能造成设备及人身事故：手动准同期合闸控制回路中没有串接同期选择开关（K2-SYN）的常开闭锁接点。在误操作合闸选择（K2-SYN）并合闸时将会造成非同期合闸事故；准同期合闸控制回路中串接了同步检查继电器（TJJ2）的常闭接点，会存在一些问题，若PT 没有切入或断线时、或当同步检查继电器（TJJ2）的线圈断线时，该常闭接点就起不到闭锁的作用，因此只要操作合闸选择（K2-SYN）并同时合闸，同样会造成非同期合闸事故；手动准同期合闸控制的回路中的无压选择（K2-NV）过于简单，完全依靠操作人员的个人主观意识来决定或判断是否无压，安全可靠性不高。若当系统侧有压时，误操作投入了无压选择开关（K2-NV），此时一旦操作了合闸选择（K2-SYN）并合闸，同样会造成非同期合闸事故。

2 手动准同期控制回路的优化改造说明

手动同期合闸线路优化分析与改造。根据以上分析可以判定，该电厂手动准同期控制回路存在重大的安全事故隐患，必须优化改造。

图1 改造后的同期原理图

图2 改造后的同期合闸控制回路图

在手动准同期合闸控制回路中串接同期选择开关（K2-SYN）的常开闭锁接点，其优点是操作人员如忘记投入手动同期选择开关（K2-SYN）而进行手动同期操作，则控制回路会因常开接点的闭锁而使合闸回路未接通，从而使机组的GCB 无法合闸，可避免非同期合闸事故发生。

国内设计单位在选用国内同步检查继电器（TJJ2）时，通常会采用同步检查继电器的常闭接点作为控制回路的闭锁条件，也因此易造成非预期非同期并列的可能。所以为安全起见现场更换了同步检查继电器（TJJ2），采用DEIF 的Check Synchroscope Type CSQ-3同步检查继电器，利用其常开接点用于闭锁合闸回路。这样替换的优点是，在PT 没有切入或断线时，或即使CSQ-3的电压输入回路损坏时，因为是常开接点闭锁控制回路，使得机组的GCB 无法合闸，从而避免非同期合闸事故发生。

由于CSQ-3继电器具有系统～机端电压差整定和系统～机端相位角差整定的功能，因此将电压差整定为5V，相位角差整定为10度，这样就增加了手动准同期的稳定性和可靠性，可进一步避免非同期合闸事故发生的可能。

在系统电压小母线上固定并接一只低电压继电器（＊JY)用于检查系统侧是否有压，并采用其常开接点用于闭锁无压合闸。优点是即使错误合闸无压选择开关（K2-W)，当系统侧有压时控制回路被闭锁使得机组的GCB 无法合闸，从而可避免非同期合闸断路器造成对机组的冲击事故，此时若要合闸机组的GCB 开关须经过CSQ-3继电器支路，通过手动同期方式操作机组的GCB 合闸，如此可避免非同期合闸事故的发生。

该水电站另一台机组的手动准同期控制回路也参照做了同样的优化改造，两台发电机组经两年多时间的多次运行操作，验证了改造后的手动准同期装置具有更高的可靠性、平稳性和安全性，有效减少了发电机组非同期并列操作事故发生的可能、减少了对机组和系统可能造成的冲击损害。对同期回路的优化改进，也可进一步提高试验人员及相关技术人员对手动同期装置原理的认识，为今后同类产品的设计、调试工作的开展提供借鉴，为调试及运行人员分析此类问题提供思路参考[6]。