金永琪，尹月紅

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州311231；2.嵊州市南山水庫電站，浙江 嵊州312467）

1 研究綜述

據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，浙江省大多數(shù)農(nóng)村小水電建造于20世紀(jì)90年代，為了節(jié)省投資，許多小水電釆用手動(dòng)方式進(jìn)行并網(wǎng)操作。尤其是單機(jī)容量小于100 kW的電站，有的釆用主回路接觸器作為并列開關(guān)，同期并列裝置大多采用燈光旋轉(zhuǎn)法，沒有防止非同期并網(wǎng)的電氣閉鎖裝置，裝置極為簡單，極易發(fā)生非同期誤操作的事故。

由于農(nóng)村小水電值班運(yùn)行人員普遍缺乏專業(yè)知識，同時(shí)值班運(yùn)行人員因?yàn)槌邪叩淖儞Q而頻繁變換，且年齡較大文化程度普遍低，技術(shù)熟練程度差，相對來說發(fā)電機(jī)并網(wǎng)操作仍然是一項(xiàng)技術(shù)要求較高的操作任務(wù)，尤其是低水頭的軸流式機(jī)組，其空載轉(zhuǎn)速波動(dòng)劇烈，捕捉同期點(diǎn)比較困難，并網(wǎng)時(shí)間很長，稍有不慎，就有可能發(fā)生非同期操作，輕者跳閘，重者可能損壞設(shè)備，燒毀發(fā)電機(jī)出口斷路器，損壞整流元件或聯(lián)軸器等。

徐功勤、蔣明鑫[1-2]提出了有關(guān)防止小型水電站發(fā)電機(jī)非同期并列的技術(shù)，但改造接線比較復(fù)雜，投資相對較大。袁志剛[3]提出了小型水電站非同期并網(wǎng)事故的分析及處理，分別從不同的接線方式與事故分析處理獲得了有益的經(jīng)驗(yàn)，但經(jīng)濟(jì)性不是很好。為此，本人結(jié)合從事小水電工作的多年教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了防止小水電站非同期并網(wǎng)的技術(shù)方案，該方案的特點(diǎn)是接線簡單，投資省，值班員操作方便，較好地克服了燈光旋轉(zhuǎn)法同期并網(wǎng)的缺點(diǎn)，有效地避免了同期誤操作。

2 技術(shù)改造措施

2.1 總體解決方案及步驟

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)需要滿足頻率相等、電壓相等、相位相同，值班員在并網(wǎng)時(shí)需要控制和調(diào)整的參數(shù)是發(fā)電機(jī)的頻率、電壓，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相位差在0～360°范圍內(nèi)進(jìn)行變化，當(dāng)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相位差接近零時(shí)迅速投入發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。因此電氣值班員在具體并網(wǎng)操作時(shí)主要控制發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相位差在一定的允許范圍內(nèi)，當(dāng)相位差小于設(shè)定值時(shí)才允許發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘，根據(jù)發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，為防止非同期合閘，一般在同期的自動(dòng)、手動(dòng)回路中安裝有同步檢查繼電器（相位差整定值為20°～40°），而100 kW以下的小電站為了節(jié)省投資，一般情況下沒有裝設(shè)同期閉鎖裝置，針對小水電站的實(shí)際情況，考慮到既能節(jié)省投資，又能方便實(shí)現(xiàn)同期閉鎖改造，經(jīng)過綜合分析比較考慮，認(rèn)為設(shè)定相位差為Φ=30°是比較合理可行的。

具體技術(shù)改造方案是在原來發(fā)電機(jī)同期接線的基礎(chǔ)上增設(shè)同期閉鎖裝置，增加一只額定電壓為380 V的同期閉鎖小接觸器，線圈跨接在發(fā)電機(jī)的B相和電網(wǎng)的C'相上，把它的輔助常開觸點(diǎn)串接在合閘控制回路中，其動(dòng)作電壓為380×0.85=323 V。通過分析得知，在并網(wǎng)前其線圈兩端的電壓隨著發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)相位差的變化在0～400 V范圍變化，當(dāng)相位差＞30°時(shí)線圈兩端的電壓＜323 V，閉鎖小接觸器欠壓而不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開，切斷了發(fā)電機(jī)的合閘回路，防止非同期并網(wǎng)；當(dāng)相位差＜30°時(shí)線圈兩端的電壓＞323 V，閉鎖小接觸器動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)閉合，為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

2.2 接線改造

同期并網(wǎng)技術(shù)改造接線如圖1所示，該控制回路的主要原理為：在原有的同期接線基礎(chǔ)上，增加一只額定電壓為380 V的同期閉鎖小接觸器（簡稱同期閉鎖繼電器2K），把2K的輔助常開觸點(diǎn)串接在合閘控制回路中。同時(shí)把并網(wǎng)接觸器1KM的線圈跨接在發(fā)電機(jī)的C相和電網(wǎng)的B'相上，1KM的動(dòng)作電壓為380×0.85=323 V。通過技術(shù)改造接線后，可以把同期并網(wǎng)的相位差控制在30°以內(nèi)，這樣可達(dá)到技術(shù)改造費(fèi)用省、接線簡單，又能有效防止非同期并網(wǎng)的目的。

圖1 具有同期閉鎖的小水電發(fā)電機(jī)手動(dòng)并網(wǎng)技術(shù)改造接線圖

要使1KM能夠動(dòng)作使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并列，需滿足以下4個(gè)條件：投入同期開關(guān)、2K動(dòng)作、1KM線圈兩端電壓達(dá)到323 V以上、按下合閘按鈕。

2.3 并網(wǎng)操作時(shí)相位分析

下面分析在各種不同相位差時(shí)，2K和1KM線圈兩端電壓變化情況，發(fā)電機(jī)電壓用，電網(wǎng)電壓用表示。

（1）相位差Φ=180°時(shí)，相量圖如圖2（a）所示。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相電壓都為230 V；通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=230 V，小于動(dòng)作電壓323 V，1KM不動(dòng)作；2K線圈電壓為UBC'=230 V，小于動(dòng)作電壓323 V，2K不動(dòng)作，此時(shí)即使值班員誤操作按下合閘按鈕，2K和1KM都不動(dòng)作，從而有效防止了非同期并網(wǎng)的發(fā)生。

（2）相 位 差Φ=150°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（b）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為小于動(dòng)作電壓，1KM不具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為UBC'=2×230×sin15°=119 V，小于動(dòng)作電壓，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開，切斷了1KM的合閘回路，避免了非同期并網(wǎng)。

（3）相 位 差Φ=120°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（c）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為大于動(dòng)作電壓，1KM具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為UBC'=0 V，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開，切斷了1KM的合閘回路，即使值班員誤操作按下合閘按鈕，1KM也不會(huì)動(dòng)作。

（4）相 位 差Φ=90°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（d）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230×cos15°=444 V，大 于 動(dòng) 作 電 壓，1KM具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為UBC'=2×230×cos15°=119 V，小于動(dòng)作電壓，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開合閘控制回路，1KM不動(dòng)作，起到閉鎖作用。

（5）相 位 差Φ=60°時(shí)，相 量 圖 如 圖2（e）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230=460 V；2K線圈電壓為UBC'=230 V，小于動(dòng)作電壓，2K不動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)斷開合閘控制回路，起到閉鎖作用。

（6）相位差Φ=30°時(shí)，相量圖如圖2（f）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230×cos15°=444 V，大于動(dòng)作電壓，具備動(dòng)作條件；2K線圈電壓為大于動(dòng)作電壓，2K動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)閉合，若此時(shí)按下合閘按鈕，1KM動(dòng)作。假如由于值班人員水平較差，在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓存在30°的相位差的瞬間合閘，雖然有較大的沖擊電流，但發(fā)電機(jī)會(huì)被系統(tǒng)強(qiáng)行拉入同步，也不會(huì)造成嚴(yán)重的非同期并網(wǎng)。

（7）相位差Φ=0°時(shí)，相量圖如圖2（g）所示。通過相量圖分析計(jì)算可知，1KM線圈電壓為UCB'=線 圈 電 壓 為400 V，2K動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)閉合，若此時(shí)按下合閘按鈕，1KM動(dòng)作，其主觸頭閉合，發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)完全同步，并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流接近于0。

圖2 相量分析圖

通過相位分析可知，值班人員進(jìn)行并網(wǎng)操作時(shí)，首先投入同期開關(guān)，然后調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓與頻率，當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)滿足同期條件時(shí)按下合閘按鈕，此時(shí)2K和1KM線圈上電壓都接近400 V，2K先動(dòng)作其輔助常開觸點(diǎn)閉合，然后1KM動(dòng)作，使發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。否則只要2K線圈兩端電壓低于動(dòng)作電壓，其輔助常開觸點(diǎn)斷開始終切斷合閘控制回路，從而達(dá)到同期閉鎖的作用。

3 應(yīng)用案例

防止小水電發(fā)電機(jī)非同期并網(wǎng)的技術(shù)改造，只需增加一只單相交流接觸器，并將合閘按鈕由一常開觸點(diǎn)一常閉觸點(diǎn)改為二常開觸點(diǎn)，導(dǎo)線若干米，改造成本大概220元人民幣左右，將1KM、2K的線圈跨接在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)兩側(cè)，接線較簡單，可在半天內(nèi)改線完成。將1KM線圈跨接發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)兩端電源的接法，還有一個(gè)好處是在電網(wǎng)無電情況下，1KM無法合閘，可避免本站開機(jī)盲目向外送電的危險(xiǎn)情況發(fā)生。目前已在裝機(jī)容量75 kW的南山水庫電站試用，電氣值班人員反映使用情況良好。

4 結(jié)語

農(nóng)村小水電往往裝機(jī)容量較小，大多是鄉(xiāng)村集體經(jīng)濟(jì)的重要來源，運(yùn)行了幾十年，農(nóng)村小水電站能否安全運(yùn)行直接關(guān)系到貧困山區(qū)的脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，今年是脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的最后1年。為了確保小水電站安全運(yùn)行，①要加強(qiáng)農(nóng)村小水電標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，著力提升小水電站的管理水平；②要加強(qiáng)對農(nóng)村小水電運(yùn)行人員的技術(shù)培訓(xùn)，著力提升小水電站運(yùn)行人的專業(yè)能力和業(yè)務(wù)水平；③要通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造措施，在技術(shù)層面防止誤操作的發(fā)生。如在同期系統(tǒng)中增設(shè)簡單可靠的同期閉鎖裝置，試運(yùn)行證明，該技改方案可在全省及全國其他無同期閉鎖裝置的小水電站中推廣應(yīng)用，以防止非同期誤操作事故的發(fā)生。