核电机组同期并网系统选型及设计探讨

沈晓晖

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

0 引言

某核电厂每台机组的发电机—主变压器均采用单元制接线，经由发电机、离相封闭母线、发电机出口断路器、离相封闭母线、主变压器、引至500 kV 联合升压站。发电机通过20 kV 发电机出口断路器，由同期装置与电网进行并网。如果发电机出口断路器已合上，即由发电机带厂用电负荷运行，此时可以使发电机通过500 kV 断路器并网。

1 概述

准同期装置是用于实现同期并网的重要自动设备，包括自动和手动两种同期方式。其控制原理如图1 所示。

图1 发电机同期并网系统控制原理

自动准同期装置是一套完整的自动调节和控制装置，该厂采用深圳市国立智能电力科技有限公司生产的SID-2CM 型微机同期装置。该装置通过比较采集到的待并侧和系统侧的电压和频率，经软件逻辑运算后，向自动电压调节器AVR 和汽机调速系统DEH 发出增速、减速、升压、降压的调节信号，自动实现调压、调频，直至两侧电压参数符合同期条件时，自动判断合闸时机、发出合闸命令，接通断路器的合闸回路，实现发电机的同期并网。

手动准同期装置作为自动准同期装置的备用，是把电压表、频率表、同步表(采用MZ-10 机械指针式)和全部操作开关如升、降压、增、减速开关、同期点断路器控制开关等汇集在主控室盘台上，运行人员根据电压、频率、同步表的读数，调整待并系统的电压和频率，人工判断合闸时机，操作断路器控制开关使同步点断路器合闸。

2 系统运行现状

该系统虽运行较为稳定，但是依然面临诸多问题，例如：该厂同期系统各元器件已经接近寿期，SID-2CM 型同期装置2014 年已经停产，备件采购难以得到保障。再如：随着电力系统的飞速发展，电网对同期系统的要求也日益苛刻，而SID-2CM 型同期装置技术相对落后，难以满足当今电网对同期系统信息智能化的要求。根据电力行业标准DL/T 587—2006《微机继电保护装置运行管理规程》的规定：微机型继电保护装置的运行年限为12 ～15 年。而深圳国立智能厂家验收技术报告中，提出的使用年限为15 年。可见SID-2CM 型同期装置已接近其寿期末，随着时间的推移，潜在的运行风险加大。

同期系统的健康水平将直接影响机组同期操作和电力系统运行的安全性。机组发生非同期并网时，在断路器合闸瞬间会产生巨大的冲击电流,这种冲击的累积将会给发电机、变压器及系统造成致命的伤害，严重时会使待并发电机绕组变形、绝缘崩裂、轴系扭振，甚至将绕组烧毁，造成机组或系统的事故，安全隐患较大[1-3]。

因此，该厂制定了改造计划，对同期装置进行升级改造，来提高系统及设备的可靠性，确保机组的安全、稳定运行。

3 发电机同期系统行业动态

3.1 国外品牌同期系统在国内的应用情况

就国外品牌而言，ABB，SIEMENS 等品牌在国内的石化行业还有少量的应用，在火电、核电、水电等领域已基本上找不到国外品牌的应用业绩。

3.2 国内品牌同期系统在国内的应用情况

相对于国际品牌，国内品牌及生产厂家随着市场环境的变化而更新换代速度很快，且大多的应用集中在中小容量水电、火电机组，累计工程项目数量较大。近年来，随着自身的技术升级及项目设备国产化要求的提高，在300 MW，600 MW 乃至1 000 MW 等级水电/火电机组也有运行良好的示范项目，其中，典型的企业是深圳国立智能。在国内机组容量在600 MW 及以上的市场占有率达到80 %，核电市场占有率更是高达90 %。经过了解，其主要的优势如下。

(1) 产品质量可靠，公司成立于1987 年，30年来公司只做相位角度控制技术方面的研发，在国内市场保持着发电机并网“零”事故率的表现。

(2) 技术功能先进，可以根据模拟量的变化对并网性质进行在线自动识别。

(3) 控制理论领先，产品采用模糊控制方式，对机组的频率进行周期动态可变方式调节，避免发电机转速出现过调现象，也是国内唯一拥有该项控制技术的厂家。南瑞继保的同期产品在国内发电市场的应用相对较少。

3.3 潜在品牌同期系统比较

综合上述同期品牌的技术水平和应用情况，将重点主要集中在ABB，SIEMENS、深圳国立智能、南瑞继保4 个品牌上，围绕这4 个品牌的同期产品开展具体调研。根据国内外同期品牌在我国电力行业应用的实际情况，制成各主要潜在供货品牌综合信息统计表（见表1）。

表1 潜在品牌的总体比较

4 同期装置的选择和设计

4.1 选择方案

考虑到原同期装置运行稳定，系统总体状况良好，且深圳国立智能的SID-2 微机同期装置在国内外都占有很大的市场份额，其技术、原理、性能指标都十分可靠。核电大机组相关应用统计见表2。

表2 核电大机组相关应用统计

从以上统计来看，SID-2FY 最新型同期装置作为SID-2CM 型同期装置的替代型产品已经是近几年电力市场应用的主流型号，未来在故障分析、经验反馈、故障处理的借鉴以及备件通用性等方面都有比较好的市场保障。

综上所述，考虑核电市场占有率、品牌知名度、电厂认可度、各设备制造商的综合能力等因素，结合该厂同期变更项目的实际技术及项目施工要求，深圳国立智能在技术水平、市场应用、品牌认知、核电项目经验、产品质量、项目适应性等方面较为突出。经过调研，决定采用深圳国立智能生产的SID-2FY 智能复用型同期装置。

4.2 方案评估

该厂原使用的深圳市国立智能SID-2CM 与其最新一代产品SID-2FY 的比较如表3 所示。

表3 SID-2CM 与SID2FY 的比较

从表3 中可以看出，SID-2FY 装置不仅满足原有现场要求，而且拥有更加优越的稳定性，智能化程度更高，能实现更加简单的运行控制和维护功能。而且深圳国立智能公司已经有大量在其他电厂对SID-2CM 装置改造为SID-2FY 的经验，采用原厂家的SID-2FY 型同期装置进行改造，改造施工仅涉及同期操作盘柜及同期继电器屏的内部接线部分，同期系统与外部系统接线改动很小，改造后的调试工作及风险相对较低。

综合而言，本次改造项目选用深圳市国立智能SID-2FY 同期装置可提供相应满足现场安装条件限制，且满足系统的安全稳定运行以及电网要求，具有较好的适应性，被认为是符合本次改造项目要求的最合适的同期系统。

4.3 系统设计和基本要求

为保持同期装置具备原有功能，保证回路与外部接口变化不大的原则，改造采用原厂升级。同期装置的配置如下。

(1) 自动准同期装置双重化配置。对于核电大容量发电机组，可靠性要求极高，不容许因任何原因导致机组并网失败或损坏发电机。原采用的一套自动同期设计已不符合主流设计模式，因此本次改造每台机组均按照两套自动同期一用一备方式进行设计，2 套自动准同期装置互为备用，实现了同期装置的双重化，当工作套同期装置失效后，通过工作/备用转换开关切换至备用套同期装置进行同期并网，避免了因同期装置故障而导致机组并网失败的风险，大大提高了同期并网的可靠性。

(2) 每台机组有三个同期点，分别是发电机出口断路器和主变高压侧两个断路器，同期装置应保证同一时间只有一个同期点。

(3) 安装独立的同期鉴定闭锁继电器。为了防止两个系统相角差较大时非同期合闸产生危害性冲击电流，在同期合闸控制回路中设有同期鉴定继电器，即检角度继电器，将其接点串在同期合闸回路中，检测两侧相角差在不大于20°时允许同期装置的合闸命令通过，使同期鉴定继电器与微机自动准同期装置和手动同期操作相互闭锁，从而极大地提高了同期操作回路的可靠性。

(4) 同期装置投入按主控室发出的“同期投入”命令通过扩展继电器执行，“停止同期”可以通过同期装置屏配置的时间延时断开准同期回路，或者同期屏上紧急操作实现；同期装置的工作电源、PT 信号、合闸回路均由选择重动继电器接点进行投切。PT 信号的引入要求通过隔离变压器，当双侧有电时，才允许启动DEH的调速回路。合闸回路、调速、调压控制信号通过扩展继电器输出，采用快速继电器。

(5) 自动准同期装置对发电机的电压和频率同时进行控制，若同期电压和频率在整定范围内，便给出一个合闸信号，当检测到合闸成功后，闭锁同期装置。

(6) 每次并网时，都自动测量和显示“断路器操作回路实际合闸时间”，作为是否需要修改原来设置的“断路器导前时间”整定值的依据。

5 结束语

介绍了核电厂同期并网系统的基本配置和工作原理，进行市场调研和现状分析，对比了不同品牌同期装置的优缺点。结合升级改造工作，阐述了同期装置的选型和同期回路设计方案，确保改造后的同期系统在保障机组准确、快速、可靠并网发挥更大作用，为电厂创造良好的经济效益；同时，为其他电厂同期装置的选型、改造提供了技术参考。