某水电厂开机并网同期失败原因分析

湖南五凌电力科技有限公司 姜 运

在电力系统中经常进行发电机组和电网、变电站母线和线路间的并列操作，叫同期并网操作[1]。微机准同期装置是实现快速安全实现并网操作的一种自动化设置，它的主要功能是，在符合并网条件时迅速动作并准确无误完成并网操作，并尽可能的减小对发电机组和电网的冲击[2-4]。微机准同期装置的并网方式包括自动准同期并网和手动准同期并网两种方式，自动准同期方式使用较为广泛，且不会受人为判断的影响，可给发电机及电网带来较小危害[5-6]。微机准同期装置采集系统侧电压及待并侧电压，通过对比两个电压的幅值、相位、频率判断并网条件，并网的理想条件是：合闸时刻，电压幅值有效值差为0，相位差为0，频率差为0，此时没有冲击电流产生。而在实际的并网操作过程中，理想的条件难以满足，所以允许电压幅值差、相位差、频率差有一定的偏差[7-8]。发电厂的同期并网电气回路设计，除了自动同期装置检测并网条件外，一般还设置合闸继电器检查并网条件，当两者检查均满足条件后，才能使得合闸令出口，操作断路器合闸，若其中有一个检查未满足条件或者装置/继电器本身发生故障，则可能导致同期合闸失败。

某水电厂机组采用微机自动准同期装置SID-2AF 进行同期并网操作。自动准同期装置运行的逻辑为：当水轮机组转速大于额定转速的90%，励磁系统已投入且机端电压大于额定电压95%时，监控系统给自动准同期装置上电，同期装置根据当前的幅值差、相位差、频率差，下达相应的指令给励磁、调速系统，使得机组调节转速（频率）及机端电压，使同期并网条件得到满足，发出合闸令，同期检查继电器同期满足条件时，断路器合闸线圈得电，实现开关的合闸。

1 事件经过

某水电厂在9月20日和9月24日分别出现同期并网失败情况。9月20日上午7点同期装置启动同期并网两次，第一次并网失败，第二次并网成功。9月24日上午8点同期装置启动同期并网两次，均以失败告终。监控系统现地控制单元（LCU）对20日及24日的开机过程记录如下：

（1）9月20日同期失败监控系统记录

07:18:56水轮机转速＞90%；

07:18:59励磁系统投入；

07:18:59水轮机转速＞95%；

07:19:23同期装置就绪（动作）；

07:19:30同期装置就绪（复归）；

07:19:30同期闭锁（动作）；

07:21:22限时投发电机出口断路器同期失败（动作）；

07:21:22同期闭锁（复归）；

07:21:22限时投发电机出口断路器同期失败（复归）；

07:21:58空载到发电令过程（动作）；

07:22:20同期屏回路失电（动作）；

07:22:20同期屏回路失电（复归）；

07:22:22同期装置就绪（动作）；

07:22:54同期合闸（动作）；

07:22:54发电机断路器805合位置（动作）；

07:22:54同期装置就绪（复归）；

07:22:54同期合闸（复归）。

（2）9月24日同期失败监控系统记录

08:49:16水轮机转速＞90%；

08:49:18励磁系统投入；

08:49:20水轮机转速＞95%；

08:49:21空载状态；

08:49:43同期装置就绪（动作）；

08:50:13同期合闸（动作）；

08:50:13同期装置就绪（复归）；

08:50:13同期合闸（复归）；

08:50:13同期闭锁（动作）；

08:51:42限时投发电机出口断路器同期失败（动作）；

08:51:42同期闭锁（复归）；

08:51:47限时投发电机出口断路器同期失败（复归）；

08:53:09空载到发电令过程（动作）；

08:53:33同期装置就绪（动作）；

08:53:49同期装置就绪（复归）；

08:53:49同期闭锁（动作）；

此后同第一次并网失败流程。

2 现场检查情况

由于同期装置本身无告警及同期录波记录功能，故无法从设备本身获取有效信息。设备间装设有摄像头，在9月20日出现同期并网失败后，将此摄像头对准同期装置拍摄，通过查看摄像头视频回放获取了9月24日上午同期并网过程中同期装置及继电器的工作情况，同期失败的流程为：微机自动准同期装置上电正常，并列点选择继电器动作正常，同期发加速令后，调整合闸角度至0度，微机同期装置合闸指示灯亮，发出合闸令，合闸继电器（HJ）动作，同期检查继电器（TJJ）未动作，此后微机自动准同期装置一直运行，约2分钟后自动断电停止运行。

上述运行流程与监控系统告警动作流程一致，通过分析比对，可初步判断：微机自动准同期装置判断同期条件已达到，且已发合闸令，但由于TJJ同期检查继电器未正确动作，导致同期装置自动并网失败。

同时发现信号丢失，监控系统下位机在第二次同期过中程丢失“同期合闸（动作）”信号，检查9月25合闸过程告警信号，也有类似问题。

3 原因分析

同期装置合闸继电器回路示意图如图1所示，同期合闸回路如图2所示。当微机自动准同期装置（SID-2AF）检测到待并电压与系统电压符合同期要求，开出板件JK4的角度闭锁接点9、11（小于20°时闭合）和同期条件闭锁接点18、20（符合同期条件则闭合），两组接点闭合，合闸继电器（HJ）得电动作。同期装置合闸回路（图2）中串联了合闸继电器（HJ）的常开接点1、9和2、10及同期检查继电器（TJJ）的常开接点1、3，只有当合闸继电器（HJ）和同期检查继电器（TJJ）都动作，才能使合闸回路接通，合闸线圈得电，线圈驱动断路器合闸。只要合闸继电器（HJ）和同期检查继电器（TJJ）中的某一个继电器未动作，均会导致合闸线圈不能得电，断路器将不会合闸。

图1 同期装置合闸继电器回路示意图

图2 同期装置合闸回路图

9月24日的两次自动同期并网过程，微机自动准同期装置均发了合闸令，合闸继电器（HJ）均动作亮红灯，但同期检查继电器（TJJ）未动作。用万用表测量，发现同期检查继电器（TJJ）的系统侧电压采集通道损坏，电阻值为无穷大（正常电阻约为0.9kΩ）。用继电保护测试仪检测该继电器，模拟开机并网过程，在系统侧通道和待并侧通道加同一电压10s，共进行10次重复测试，继电器6次正确动作，4次未正确动作。因此可推测：9月20日及9月24日并网失败，是由于继电器接触不良导致合闸瞬间同期继电器TJJ 未正确动作导致。

监测系统下位机“同期合闸（动作）”告警信号丢失的原因分析。根据监控系统报文，9月24日的第二次并网失败、9月25日的并网成功，监控系统均未报“同期合闸（动作）”信号。由信号输出回路去监控系统的“同期合闸（动作）”回路串联了由合闸继电器（HJ）的3、13常开触点，微机同期装置的合闸时间整定值为200ms，即合闸继电器（HJ）的得电时间为200ms，用继电保护测试仪，测量合闸继电器（HJ）的3、13常开触点的实际闭合时间为177ms。此接点信号由监控系统下位机扫查，每秒扫查1次，因此HJ 继电器动作极有可能在两次扫查的间隔中，其信号完全有可能不被监控系统捕获，即监控系统并未扫查到此信号，最终结果表现为：监控系统没有该告警信号。

综上，同期继电器特性改变是导致同期失败的直接原因。将换下的同期继电器已返厂进行检测，厂家给出检测报告显示，由于继电器中的小变压器有生锈的情况，导致电压采集回路接触不良，间歇性出现二次侧无电压输出的情况。并由此导致同期检查继电器TJJ 未能动作，图1中的合闸回路中TJJ的1、3触点未闭合，断路器合闸线圈未得电，最终导致同期失败。分析其间接原因，继电器备品存放时间将近3年，因为长期未上电，导致元器件的锈蚀，影响正常使用。建议对设备备品定期进行检查，以保证更换时其功能正常。备品的储存年限尽量不要超过3年。

监控系统下位机扫查量的扫查间隔过长导致告警信号未报出，拟将“同期合闸（动作）”信号接至下位机的中断量（扫查周期为1ms），解决此问题。

已将同期检查继电器（TJJ）更换为同一年生产的已校验合格同型号继电器。

同期装置无告警记录及录波功能，当同期失败时，其故障查找及原因分析缺少直观有力的分析依据，给事故处理带来难题，今后改造应选用配备录波功能的微机自动准同期装置。