一起大型水电机组非同期并网事件分析及防范措施

刘松林，张 鹏

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 事件概述

2017年11月9日，某大型水电站3号机组在并网时发生非同期合闸，机组并网时发生剧烈振动，发出“嗡嗡”声，故障录波显示有功冲击最高到达770 MW，之后被电网拖入同步运行。

2 故障检查

2.1 同期装置检查

3号机组的自动准同期采用的是ABB公司生产的SYN5202同期装置。SYN5202型数字式同期装置中包括两个由不同硬件与软件组成的相互独立的通道，这种双通道特性进一步提高了同期装置的安全性，能最大程度地防止非同期合闸。当现地控制单元发出合闸命令时，SYN5202会自动寻找最佳合闸时间，发出合闸令；该装置提供同期合同及无压合闸两种合闸方式，3号机组不含有GCB，应当使用同期合闸功能。在同期装置并列逻辑中有相互独立的2个通道[1]（通道1和通道2），只有当双通道同时满足并列条件时，同期装置才能发合闸令（图1所示）。

图1 同期装置的双通道检验

正常发电并网时，按同期接线方式，通道1比较AB相之间电压，通道2比较CA相之间电压，2个通道须同时满足同期合闸条件或无压合闸条件才会发令合闸并网。

2.2 同期合闸条件

在同期合闸并列条件监测时，若发现下列条件同时满足，则发出并列指令[2]：

·相角差在公差范围内；

·转差率在公差范围内；

·电压差在公差范围内；

·电压不低于设定的最小电压；

·电压不高于设定的最大电压；

·设备处于操作状态（正在运行）;

·额定频移≤5 Hz。

2.3 无压合闸条件

无电压线路并列是并列条件监测的一个特例。只有当测量逻辑满足，外部释放信号被接入，才会发出并列指令。若两条无电压线路的电压都在下面某个许用范围之内，则认为满足测量逻辑。这些许用范围共3个，分别由“Ulnot”、“U2not”以及“1*2not”等3个参数进行定义，用于表示其中1个测量电压、另外1个测量电压和2个测量电压的许用值[1]。

现场检查3号机组的同期装置参数设置与设备定值一致。检查3号机组同期测量回路和PT相序，也和设计图纸一致。

检查同期装置的同期电压波形如图2所示。

图2 同期装置记录的滑差电压波形

图2显示同期装置发合闸令瞬间△U=-4%，α=2.1°，s=-0.14%，结合表1可知满足自动同期装置整定值要求。

2.4 故障录波检查

故障录波系统显示合闸时三相电压的幅值、相序均满足定值要求，合闸时机端侧电压相角超前系统侧电压约90°。由于主变绕组为Y/D-11接法，正常同期合闸的情况下机端侧电压应超前系统侧电压30°[3]。此次非同期合闸的瞬间，实际上造成冲击的电压角度差为60°。故此次的非同期合闸的冲击由相角差造成。

2.5 同期回路检查

如图3所示，检查发现同期装置取得的机端电压来自CCB汇控柜内的PT空气开关F34故障 。机端电压PT空开故障导致同期装置取得的三相机端电压从Ua、Ub、Uc变成了Ua、Uc、Ua。

图3 送同期装置用机端PT回路图

3 故障分析

同期回路中的机端PT空开故障，导致同期装置机端三相电压接入了Ua、Uc、Ua。同期装置引入错误的机端三相电压后，通道1机端电压与系统电压比较的是Uac与UAB，通道2电压比较的是0与UCA。现对通道1比较的两侧电压Uac与UAB作相量分析如图4所示。

图4 非同期合闸时的线电压相量图

从图4可以看到，当Uac超前UAB角度为30°时，同期装置的通道1判断符合同期并列条件，此时Uac超前UAC角度为90°，符合事故发生时的情况。

用继电保护仪模拟此次非同期并网情况如表1所示。该条件下通道1满足同期合闸条件时，通道2比较的系统电压为UCA，机端电压Uca为0 。

表1 同期试验故障模拟时比较的电压

在图5的同期装置无压合闸功能逻辑图中，箭头所指“释放信号（Release +）”意为无压合闸功能使能。在“释放信号”为1时，双通道将进行无压合闸的条件判断。在“释放信号”为0时，双通道无压合闸功能被闭锁，当一端无压或两端无压时，同期装置无法进行合闸。

图5 同期装置无压合闸逻辑图

在图6所示的同期装置回路中，同期装置的释放信号（Release +）接线端子为X7：5，接入了来自CCB汇控柜的PT断线闭锁回路。并网时，系统侧PT与机端侧PT的空开节点均为闭合状态，X7：5端子有24 V电压，导致图5中的“释放信号”为1。又因为Uca为0使得U1not满足条件，此时通道2将进行无压合闸。

图6 同期装置回路图

在表1模拟的试验中，同期装置能在非同期点合闸。通道1中的Uac与UAB按同期合条件判断满足时，此时通道2中由于无压合闸使能（“释放信号Release +”）为1，并且机端电压为0，通道2满足无压合闸并列条件。此时仅由通道1比较两侧电压Uac与UAB，故发生非同期合闸时两侧线电压相角差为90°。

综上所述，由于同期回路中机端PT空开发生故障，使同期装置取得错误的机端电压。并且同期回路中无压合的释放信号一直存在使得通道2满足，导致了本次非同期合闸事件发生。

4 防范措施

为防止同期回路中的机端电压空开故障导致同期装置的PT信号有误，故对该空开进行了更换，并紧固回路中的端子。

因3号机组是非GCB机组，不存在无压合闸的方式，为避免该故障复现导致通道2进行无压合闸，应将同期装置的无压合功能闭锁，使双通道均进行同期合闸的条件判断。为了取消无压合闸使能信号，在图6中取消“释放信号Release +”的相关回路。根据图7所示，该“释放信号（Release +）”对应同期装置上的端子X7:5，接至对侧CCB汇控柜的PT断线闭锁回路。故解开X7:5与X7：6的接线，即取消无压合使能。

图7 同期装置X7端子排

由于同期装置记录的滑差电压波形只能显示通道1比较的电压情况，并不能显示实际的电压相序[4]。故在假同期实验时，应调取机端电压与系统电压的故障录波波形，检查合格后方可进行并网[5]。

执行上述防范措施后，3号机组至今再未出现非同期合闸事件。

5 结语

同期并列是机组发电并网中重要的环节，非同期并列产生的冲击电流会产生电动力，严重时会损坏定子线棒,造成严重的经济损失。本次3号机组因机端PT空开故障，导致同期装置机端电压选取错误，同期装置误发合闸令。运维人员在事件发生后通过现场检查、分析，找到原因并提出了防范措施。元器件的故障虽无法避免，但能通过优化同期回路来防范类似故障发生。另外在机组的假同期试验中，运维人员也要严格按照规程进行试验，检查同期定值、二次回路和电压波形，杜绝非同期并列事件发生。