从一次发电机非同期并列看传统快切装置的设计及使用错误

从一次发电机非同期并列
看传统快切装置的设计及使用错误
叶念国翁乐阳
（深圳市智能设备开发有限公司. 广东. 518033）
【摘要】由于厂用电快切装置的设计及使用错误在贵州某发电厂发生一次300MW发电机非同期并列事故，导致起动备用变压器及6KV厂用电工作分支及备用分支断路器损毁，发电机也受到了一次很大的冲击。

这给人们敲响了警钟，不能再忽视盲目继承过时技术的危害性。

【关键词】并联切换同期切换非同期合闸
0 引言
高度重视电力生产的安全，是电力系统各领域毋庸置疑的首要任务，稍一疏漏将给国民经济带来不可低估的损失，甚至在政治上造成不良影响。

这一重要原则引导大量电力技术人员在设计、科研、基建、运行各个领域里以超乎寻常的严谨态度进行各项工作，这是我国电力工业取得长足发展的重要基础。

但是，我们也不难看到因循守旧、以不变应万变的保守思想又在严重地威协着电力生产的安全。

一些人把“安全”片面的理解为无原则继承历史遗产，于是不少完全过时的技术、严重威协安全的过时规程还被奉若神明，人们不敢越雷池半步。

用那些面向小机组、小系统的技术和规程去处理当今大机组、大系统的设计与运行，那有不出问题的道理。

遗憾的是现行体制包容了这些问题，因频频暴露的问题对人们已“司空见惯”。

它又反过来助长保守思潮，不能不承认这是当前安全生产的重大隐患。

本文剖析的这起事故就是一个例证。

1 对传统厂用电源快切装置正常切换方式的剖析
图1-1是一个火电厂一台机组的主接图和厂用电接线，发变组的大部份功率
经1
1接线的主接线输送到500KV系统，发电机的厂用电经机端由两台高厂变取2
得，另外由系统某变电站提供的220KV电源作为两台起备变的电源。

以A段厂用母线为例，如果因运行需要将工作分支电源与备用分支电源进行互换，例如A母线的电源由工作分支切换到备用分支，按照快切装置的传统设计有三种方式，即：（1）串联切换
此项操作是先断开4DL，再合上5DL。

（2）同时切换
此项操作是在发出断开4DL命令的同时发出合上5DL的命令，利用合闸时间长于分闸时间的特点，实现4DL先断开，5DL后合上，可以说这是一种快速的串联切换。

（3）并联切换
此项操作按传统的“检同期”原则，当5DL两侧电压相位差小于30°（数十年来流行着这个整定值）时先合上5DL，再断开4DL。

这就是传统的“检同期”操作，合闸的唯一依据是相角差在30°之内，不管电压差，也不管频率差。

采用串联切换和同时切换的出发点是避免在进行4DL和5DL的倒闸操作中不产生环流，因为很多人盲目的害怕环流。

这种操作是先断开原供给厂用电的工作分支电源，再投入备用分支电源，因而是人为制造了厂用母线短时失电，进而诱
发母线上厂用电动机转达入异步发电状态产生的残压与备用电源的冲击。

如果此时备用分支断路器拒动，则酿成厂用母线全部停电。

如果采用并联切换则会产生如下三种结果：
①因发电机通过500KV线路与220KV系统形成电磁环网，如此时系统的潮流分布使备用分支断路器5DL两侧的功角大于30°同期闭锁角，则合闸回路被同期检查继电器闭锁，无法完成切换；
② 5DL两侧的功角小于30°，可以实现切换，但合闸后通过5DL的负荷是未知的。

③发电机已与220KV系统解列，5DL处在差频同期状态，即其两侧有压差、有频差，且有不断在变的相位差。

由于并联切换本质上是传统的“检同期”，只受30°相角差的固定定值限制，一旦当相角差进入小于30°的区间即可发出合5DL 命令，如果此时频差及压差很大，断路器的实际合闸角会很大，将会产生非同期合闸，使5DL再次跳闸，甚至损坏设备。

因此，传统快切装置所采用的三种正常切换方式是存在隐患的。

2 此次发电机非同期并列事故的过程剖析
此次事故的起因是发变组高压侧断路器的跳闸，甩掉除厂用电负荷以外的全部负荷，机组转速大幅上升，导致汽机危急保安器动作，关闭主汽门，同时励磁调节器进行强行减磁，机组频率及电压进而迅速下降，运行人员为了保厂用电，通过快切装置对厂用母线的备用分支开关进行并联切换方式的合闸操作。

由于此时发电机频率已下降到45Hz，而备用分支断路器仅受断路器两侧电压30°的相位差制约，从而导致发电机经过高厂变、工作分支断路器、备用分支断路器及起备变进行了一次极大频差及极大压差的非同期合闸，使起备变及断路器损毁。

显然，如果快切装置的合备用操作不是按“检同期”方式的并联切换设计，而是按严格意义的自动识别同期性质后的同期方式设计，则完全可以避免这一事故，因当备用分支断路器两侧的压差及频差超过整定值时装置会拒绝合闸。

这次事故中如果运行人员直接手动操作断开工作分支断路器，制造断路器偷跳，引起快切装置进入非正常切换，迅速投入备用分支断路器则能顺利的恢复厂用电。

3“同期切换”是快切装置正常切换的最佳方式
前已述及传统快切装置的设计者之所以选择“串联切换”和“同时切换”作为正常切换的主要方式，是因为害怕产生环流。

从图1-1中可以看到，当4DL 和5DL中任一断路器例如4DL在合位时，再合上5DL确实会产生环流，这个环流实质上是4DL和5DL分流了220KV及500KV主系统的部分负荷，即接通5DL引起了系统的潮流重新分配。

环流的大小与5DL合闸前断路器两端的功角有关，功角越大，合上5DL后分流的负荷越大，如果这一负荷不会导致5DL因过流跳闸，则合闸前5DL两端测得的功角就是容许合闸的功角，允许合闸功角的最大值可称其为“允许功角”。

显然，允许功角与系统的运行方式有关，可以通过潮流计算获得。

因此，盲目的回避环流是错误的，只要功角小于允许功角就可以进行合环操作。

当实侧功角大于允许功角时，则可以自动将切换方式转为串联切换或同时切换，保证较快实现厂用电源的倒闸操作。

这种设计在很大程度上消除了前述串联切换和同时切换可能产生的危害。

在极少的情况下也可能出现发电机与备用电源处在解列状态，此时正确的切换方式应是先按准同期条件合上待投入的电源分支，再切除原工作的电源分支，这样才可避免人为制造停电引起的残压冲击。

概括起来，厂用电源的正常切换原则上应实行先合后分的切换方式，这里所说的“合”即是“同期操作”的意思。

如是差频同期，则严格按电压差、频率差及相角差三个条件实施同期操作。

如是同频同期（合环），则严格按电压差和功角两条件实施同期操作。

当功角超过允许值才自动转为先切后合的串联切换或同时切换。

应特别强调的是4DL和5DL两个断路器因处在高压电网的合环点上，为了避免系统中其他设备故障过大的短路电流烧毁断路器，不允许这两个断路器长时间都处在合闸位置，也就是说按“同期切换”原则进行切换时必须做到先合一个断路器后立即切除另一断路器。

当前国内许多的快切装置设计的所谓“半自动”正常切换容许在自动合上一个断路器后，再人工去切除另一断路器，这是极为危险的，因当主网发生短路时会引起厂用断路器4DL及5DL穿越极大的故障电流，一旦主保护拒动，4DL及5DL要切断它们完全不可能胜任的短路电流，最后以损毁告终。

4 结束语
大型火力发电厂的厂用电源快速切换装置是保证发电机组安全、正常发电的重要自动装置，不论是其正常切换功能，还是事故切换功能都应在理论上严谨的进行设计。

那种一味继承过时技术，只是在硬件上换上了微机，这是很危险的。

文中摘引的这次事故就是错误采用并联切换的结果，如果将并联切换代之以同期切换这次事故就不可能发生。

同样当前流行的大量快切装置在事故切换的设计上也同样存在错误，突出的表现在捕捉同期这一设计上。

设计者把一群失去电源的电动机群的异步发电工况等同于正常有动力源和励磁源的发电机，因而用正常发电机同期的方法处理事故切换，以致丧失了本可利用的投入备用电源的时机，使每次事故切换结束后必定损失大量厂用负荷，厂用电不能立即全面恢复。

他们把“快切成功”定义为起备变投入后不再跳闸，这是错误的，真正的快切成功应该是起备变投入后立即恢复对全部厂用负荷的供电。

【作者简介】
叶念国男（1935—）教授长期从事电力系统自动化的教学研究工作深圳市政府科技顾问，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市智能设备开发有限公司董事长。

翁乐阳女（1961—）高工长期从事电力系统自动装置研究与开发工作
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