陳昌山, 康曉義, 馬聖恒, 方書博

(河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636)

1 基本概況

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為1?200?MW?(4×300?MW)，承擔(dān)著系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用功能。電氣接線采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，并列點(diǎn)在主變低壓側(cè)。該電站采用ALSTOM公司生產(chǎn)的P320微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器完全雙通道設(shè)計(jì)，2套調(diào)節(jié)器之間通過串口通信進(jìn)行互檢及跟蹤，正常時(shí)一套作為主用調(diào)節(jié)器運(yùn)行，另一套作為備用調(diào)節(jié)器運(yùn)行，當(dāng)主用調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時(shí)，將自動(dòng)切換到備用調(diào)節(jié)器運(yùn)行。

2套調(diào)節(jié)器從軟件到硬件上完全獨(dú)立。在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)模式下，2套調(diào)節(jié)器分別采集不同的機(jī)端PT信號，并將采集到PT信號與電壓設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算二者之間的差值，將差值信號放大后送至不同的脈沖觸發(fā)模塊TTM211，通過TTM211控制可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁電流的控制，從而保持機(jī)端電壓相對恒定。

該電站采用ALTOM公司生產(chǎn)的Alspa?CSR620微機(jī)式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。該裝置由CPU模塊和輸入/輸出模塊組成。同期裝置檢測機(jī)組與系統(tǒng)之間的壓差、頻差和相角差，根據(jù)頻差向調(diào)速器發(fā)出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速命令，根據(jù)壓差向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出增/減磁命令。同期裝置接線如圖1所示。

圖1 同期裝置接線

同期裝置并列點(diǎn)PT配置如表1所示。

表1 并列點(diǎn)PT配置

2 事故現(xiàn)象及原因分析

2.1 事故現(xiàn)象

2019-11-15T06:00，某電站2號機(jī)發(fā)電工況啟機(jī)，機(jī)組并列瞬間，無功功率最高達(dá)-97.22?Mvar，有功負(fù)荷約1.3?MW。

2.2 影響進(jìn)相深度的可能因素

2.2.1 同期條件

發(fā)電機(jī)同期并列的理想條件：UG=UN(發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓幅值相等)，fG=fN(發(fā)電機(jī)頻率等于系統(tǒng)頻率)，δ=0?(發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)相角差為0)。實(shí)際并列過程中，這3個(gè)條件不可能完全滿足，故允許有一定偏差，使機(jī)組既能快速并網(wǎng)，又能減少對系統(tǒng)和機(jī)組的沖擊。該電站同期裝置設(shè)定壓差限值為 ±5?%US，頻差為 ±0.05?Hz，相角差為 4°。

2.2.2 同期合閘導(dǎo)前時(shí)間

當(dāng)頻差和壓差信號小于同期限值設(shè)定時(shí)，同期裝置給機(jī)組GCB發(fā)送同期命令。該命令在機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓相角重合之前發(fā)出，以確保GCB在相角差為零時(shí)同期，該提前時(shí)間約等于GCB合閘時(shí)間和合閘脈沖寬度，即我們所說的導(dǎo)前時(shí)間。該電站同期合閘導(dǎo)前時(shí)間設(shè)定值為200?ms。

2.2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)建壓模式

在自動(dòng)電壓模式下，勵(lì)磁系統(tǒng)建壓模式如圖2所示。

圖2 自動(dòng)電壓模式勵(lì)磁系統(tǒng)建壓示意

圖2中，預(yù)波電壓為額定電壓的70?%；最小電壓為額定電壓的95?%；最大電壓力額定電壓的105?%；機(jī)端電壓從 70?% 上升到額定電壓需 4.29?s；機(jī)端電壓從額定值上升到105?%額定值需要0.65?s，從勵(lì)磁系統(tǒng)投入到機(jī)端電壓達(dá)到額定電壓值需要4.65?s。

2.2.4 電壓調(diào)節(jié)脈沖寬度

并列過程中，同期裝置發(fā)出調(diào)壓脈沖給勵(lì)磁自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)圖2的PCA1曲線斜率調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而控制機(jī)端電壓。該裝置調(diào)壓脈沖寬度為100?ms。

2.3 合閘瞬間無功沖擊具體原因分析

2.3.1 同期合閘導(dǎo)前時(shí)間的分析

若同期合閘導(dǎo)前時(shí)間大于或小于GCB合閘時(shí)間，均會造成同期時(shí)機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓相角差不為零，時(shí)間偏差越大，相角差越大。

檢查GCB合閘回路，未發(fā)現(xiàn)異常。查看GCB出廠試驗(yàn)報(bào)告，GCB合閘時(shí)間為35.7?ms。

查看2017年GCB試驗(yàn)報(bào)告，GCB合閘時(shí)間為36.7?ms左右，二者合閘時(shí)間如表2所示。對比二者試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，GCB合閘時(shí)間未發(fā)生明顯變化。而合閘脈沖寬度為標(biāo)準(zhǔn)的100?ms，由此可知，同期合閘導(dǎo)前時(shí)間基本不變。根據(jù)機(jī)組長期運(yùn)行積累的數(shù)據(jù)可知，同期合閘導(dǎo)前時(shí)間設(shè)置是合適的。若導(dǎo)前時(shí)間設(shè)置不合適，會導(dǎo)致同期時(shí)相角差偏大，相角差偏大主要會引起有功功率沖擊，使機(jī)組軸系受到?jīng)_擊。從當(dāng)時(shí)機(jī)組同期過程來看，有功功率幾乎為零，機(jī)組振動(dòng)和擺度未發(fā)生明顯變化,因此，可以忽略導(dǎo)前時(shí)間和相角差對機(jī)組進(jìn)相過深的影響。

2.3.2 電壓調(diào)節(jié)脈沖寬度的分析

該電站同期裝置向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)送的電壓調(diào)節(jié)脈沖周期為 3?s，脈沖寬度為 100?ms。

脈沖周期和寬度影響AVR的調(diào)壓效果。當(dāng)同期裝置檢測到機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓存在偏差時(shí)，同期裝置發(fā)出增/減磁命令，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)該命令輸出一個(gè)4～20?mA量給脈沖觸發(fā)模塊TTM211。脈沖觸發(fā)模塊根據(jù)該模擬量控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而控制機(jī)端電壓。若脈沖周期和寬度設(shè)置不合適，將會影響勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)速度或造成超調(diào)。根據(jù)2017年勵(lì)磁系統(tǒng)復(fù)核性試驗(yàn)結(jié)果可知，電壓調(diào)節(jié)脈沖周期和寬度是合適的。

2.3.3 機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓壓差的分析

壓差的存在主要會引起無功沖擊，機(jī)端電壓小于系統(tǒng)電壓時(shí)，吸收無功；機(jī)端電壓大于系統(tǒng)電壓時(shí)，機(jī)組發(fā)出無功；偏差越大，無功沖擊越大。從監(jiān)控歷史曲線可以看出，并網(wǎng)時(shí)機(jī)端電壓只有17.76?kV，而系統(tǒng)電壓為 18.18?kV。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，當(dāng)待并機(jī)組和系統(tǒng)側(cè)只有電壓幅值不同時(shí)，機(jī)組出口斷路器合閘時(shí)，流過發(fā)電機(jī)的沖擊電流標(biāo)幺值為：

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，沖擊電流最大瞬時(shí)值為：

沖擊電流ICJ為感性電流，故可計(jì)算得最大無功功率：

上式中，10.713是發(fā)電機(jī)額定電流有名值，單位kA，18是發(fā)電機(jī)額定電壓有名值，單位kV。根據(jù)上述公式計(jì)算出來的無功值與監(jiān)控歷史記錄值非常接近。

綜上所述，此次進(jìn)相深度過深是由于并網(wǎng)時(shí)的電壓偏差過大導(dǎo)致。機(jī)組在升壓過程中，同期裝置檢測到壓差、頻差在限定值范圍內(nèi)，又恰好捕捉到了第一個(gè)并網(wǎng)時(shí)機(jī)，所以機(jī)組快速并網(wǎng)了。從監(jiān)控歷史記錄可知，從發(fā)出投入勵(lì)磁系統(tǒng)命令到機(jī)組同期并網(wǎng)時(shí)間只有5?s，機(jī)端電壓升到額定值需要4.65?s，即正在升壓過程中，機(jī)組就并網(wǎng)了。由于機(jī)端電壓小于系統(tǒng)電壓，并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生了無功沖擊，該無功沖擊電流對發(fā)電機(jī)起助磁作用，對系統(tǒng)起去磁作用。

3 故障處置

根據(jù)以往的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，只出現(xiàn)過2次并網(wǎng)瞬間機(jī)組吸收大量無功的情況。且都是在勵(lì)磁系統(tǒng)投入后幾秒鐘之內(nèi)快速并網(wǎng)。

機(jī)組并網(wǎng)瞬間，雖然機(jī)組進(jìn)相深度沒有達(dá)到勵(lì)磁低勵(lì)限制動(dòng)作值-131?Mvar，但定子繞組端部機(jī)械強(qiáng)度最弱，這種沖擊日積月累會對發(fā)電機(jī)造成致命傷害，應(yīng)采取措施減小沖擊電流對其造成的危害。

為了減少并網(wǎng)瞬間的無功沖擊，又不影響并網(wǎng)速度，對壓差范圍重新設(shè)置，將壓差范圍改為±4?%。這樣既能避免上述極端情況的發(fā)生，又能減少機(jī)組受到的沖擊。通過觀察發(fā)現(xiàn)，重新修改同期裝置壓差參數(shù)后，機(jī)組并網(wǎng)時(shí)吸收的無功明顯減少，最低降到了-5.8?Mvar。