发电机非同期并列实例分析

发电机非同期并列事故实例分析王程鹏2012.07.20发电机非同期并列事故实例分析摘要：丰满发电厂始建于1937年，是一座装机容量达百万千瓦的老厂，随着时间的推移会出现很多问题，在发电厂的正常生产过程和事故处理中，发电机组与系统的并列是一项非常重要和经常的操作。

如果发电机在并列过程中发生了非同期并列事故，不仅会对电气设备造成非常严重的损害，而且还会发生系统震荡和瓦解等恶性系统事故。

本文通过两个实例分析非同期并列事故产生的原因，造成的后果和预防的办法。

通过对实例的学习，力争防止这种恶性事故的发生，确保电力企业的安全生产。

关键词：发电机非同期并列相位相序1.发电机与系统并列的方式发电机与系统并列的方式有两种，即准同期并列和自同期并列。

准同期并列是经常采用的方式，在发电机正常并列时使用。

准同期又分两种，自动准同期和手动准同期，大中型发电机现在都采用自动准同期方式。

手动准同期只在自动准同期装置发生故障和检修时使用。

自同期并列方式由于对机组本身和系统影响太大，一般已不再使用，只是在一些小型发电机并列时使用。

1．1 准同期并列方式准同期并列方式是在发电机并列前已加励磁，当发电机的频率、电压、相位与运行系统的频率、电压、相位均近似相等时，将发电机出口断路器合闸，完成并列操作。

这种操作的优点是并列瞬间冲击电流小，对系统电压影响很小。

缺点是并列操作较麻烦，并列时间较长，如果手动并列时合闸时机不准确，很容易发生非同期并列事故。

由于目前设备的自动化程度有很大的提高，一般都使用自动准同期并列，非同期并列事故发生的几率已经很小了。

1．2 自同期并列方式自同期并列就是先不给发电机加励磁，当发电机的转速接近系统同步转速，将发电机投入系统并列。

然后再给发电机加上励磁，由系统将发电机拖入同步。

自同期并列的实质是先并列，再同期，因此并列时间快。

特别是在系统事故需要紧急投入备用机组时，减少并列的时间更为重要。

它的缺点是不加励磁的发电机并入系统时会产生较大的冲击电流，从系统吸收大量的无功，引起机组的震动和系统电压的下降。

因此，自同期并列一般只在小容量的机组并列时使用。

2.发电机准同期并列的条件和非同期并列的危害2.1发电机同期并列条件同步发电机的并列操作时非常频繁且重要的操作，不但正常运行时需要，在系统发生事故时，也常常要求将备用发电机迅速投入系统运行，从而恢复整个系统的安全供电。

在发电机并列瞬间，往往伴随有冲击电流和冲击功率，这些冲击将使系统电压瞬时下降。

如果并列不当，冲击过大，可能引起机组大轴发生机械损伤，或引起绕组烧损。

特别是随着电力系统容量的不断增大，发电机的容量也越来越大，大型机组非同期并列将导致更加严重的后果。

在电力系统中，电压的瞬时值可以表示为 u=U m sin (ωt+φ)，式中的电压幅值U m，电压角频率ω和初相角φ是运行电压的三个重要参数，被称为电压u的三要素。

设发电机电压U的角频率为ω，系统电压U s 的角频率为ωs由于发电机断路器两侧的电压在合闸时状态量不等，由电压差U d，即U d =E 0－U S ＝U －U S 在发电机未并列前，U= E 0 。

两侧电压相位差为δd ，假设系统容量为无穷大，故系统阻抗可视为0，所以，合闸产生的冲击电流为I j ＝（E 0－U s ）／jX ”d ＝U d ／jX ”d式中X ”d 为发电机的暂态电抗，由于并列过程中，X ”d 要比发电机的同步电抗X d 小得多，故引起很大的冲击电流。

冲击电流的大小决定于合闸瞬间U d 幅值的大小。

要想冲击电流不超过允许值，就要使U d 尽可能的小，最好为0，这时合闸时的冲击电流就为0，发电机并列后顺利的进入同步状态，对电网无任何扰动。

由此可见，发电机并列的理想条件是断路器两侧电压的三个状态量全部相等，可表示为：（1）ω＝ωS 或 f ＝f S ，即待并发电机频率与系统频率相等。

（2）U ＝U s ,即待并发电机电压幅值与系统电压幅值相等。

（3）δd ＝0，即并列发电机电压与系统电压的相位差为0 符合上述三个条件并列合闸的冲击电流等于0，待并发电机和系统不会受到任何冲击和扰动。

但是，实际运行中，发电机的转速和电压调节过程中不可能达到这种理想的状态，三个条件同时满足是不可能的，实际上也没有这个必要。

只要冲击电流较小，不会危及设备安全，且在发电机并入系统拉入同步过程中，对发电机和系统影响较小，不引起不良后果，是允许并列操作的。

因此，在实际运行中，上述三个理想条件允许有一定的偏差，但偏差要严格的控制在一定的允许范围内。

2. 2 发电机非同期并列的危害发电机与系统并列时，当电压、频率、相位有任何一个不满足并列条件而并列，都会发生非同期并列。

下面定性的分析一下非同期并列的危害。

2.2.1 并列时电压不同假设U 和U s 同相位，且f ＝f S ，仅是电压幅值不同。

在并列时会产生冲击电流。

因为发电机阻抗时感性的，所以这时I j 属于无功性质的。

其有效值为I j ＝U d ／jX ”d 。

当U ＞U s 时，I j 滞后U 90度 ，此电流对发电机起去磁作用，使U 降低，发电机并列后立即输出无功负荷。

当U ＜U s 时，I j 超前U 90度 ，此电流对发电机起助磁作用，使U 升高，发电机并列后立即从系统吸收无功功率。

如果U d 很小，能起到平衡电压作用；而过大时，将引起发电机定子绕组发热，或使绕组端部因电动力的作用而受到损坏。

因此，一般要求电压差不应超过额定电压的5﹪到10﹪。

2.2.2 并列时相位不同发电机并列时，若U ＝U s ，f ＝f S ，仅是E 0与U s 之间有相位差δd ，这时会产生有功性质的冲击电流。

如下图1所示，E 0超前U S 由于X d 是电感性质的，所以冲击电流 I j 总要滞后电压U d 90度。

I j 的有功分量和E 0同相，发电机并入系统后转子磁场拖动定子磁场转动，将送出有功功率；当E 0滞后U S 时，如图2所示，I j 的有功分量和E 0反相，发电机并入系统后将吸收有功功率。

此有功分量电流将在发电机的轴上产生冲击力矩。

其中发电机电流的有效值”δd ／2)]÷(X ”d )图1 U(E0)超前U S输出有功图2 U(E0)滞后U S吸收有功由此可见，并列时δd角越大，产生的冲击电流也越大。

如果误操作，在δd =180˚的情况下并列，此时冲击电流为最大。

该值相当于具有两倍额定电压的空载发电机在出口发生三相短路，极大的冲击电流会产生巨大的电动力和引起绕组发热，并可能损坏发电机。

所以，为了在发电机并列时不产生过大的冲击电流，应该在δd角接近0时合闸。

通常，并列操作时合闸的相角差不应该超过5度。

2.2.3 并列时频率不同当f≠f s时，从电压向量图上分析，就是U与U s的旋转速度不一样。

期间有相对运动。

U以角速度ω旋转，U s以角速度ωs旋转，若把U s看做相对静止的，则U将以∆ω=ω－ωs旋转。

此时，电压差U d是变化的，时大时小形成脉动电压，此脉动电压将在发电机投入系统后产生脉动电流。

当U与U s同相时，电流最小，反相时电流最大。

将引起发电机震动，导致发电机失步。

根据运行经验，准同步并列时允许频率差范围为额定值的0.2﹪～0.5﹪。

对于额定频率50Hz的工频，频率差为0.1～0.5Hz。

从上面的分析可以看出，如果并列前发电机电压相位比系统电压相位稍微超前，发电机电压频率比系统电压频率略高，合闸后发电机既可带上有功负荷，产生一个制动力矩，有利于将发电机快速拖入同步。

发电机同期并列还有另外两个条件，即待并发电机的电压相序和系统相序相同。

这个条件也是必要的，必须在发电机准备启动前处理好。

为保证相序相同，对于新安装的机组或发电机有关部分检修后，必须核相。

3. 发电机非同期并列实例从发电机并列操作前的准备及并列操作的步骤看，各种措施的核心就是防止非同期并列。

目前，发电机自动同期并列的装置几乎全部采用微机型，手动准同期装置也带各种闭锁的条件，因此发生非同期并列的可能性很小。

但是，当一次或二次系统作业，接线发生改变时，如果不做各种定相试验，直接并列运行，这时同期装置的各种闭锁条件将不再起作用，发生非同期并列事故的可能性很大。

下面就两个在某电厂发生的非同期并列事故进行分析。

3．1电缆头A、C相接反引起的非同期并列事故如图3所示，某电厂发电机通过电缆与系统相连。

因电缆头漏油停机处理，恢复时发电机侧的电缆头A、C相接反，结果发电机并列时，正序A、B、C变成了负序的C、B、A。

并列前虽然测量发电机电压互感器TV1和系统电压互感器TV2的相序，均为正序，但为经核相试验，所以没有发现电缆头接错的严重错误。

如图3所示，发电机TV1和系统TV2均为Y/Y0─12接线，一、二次侧同名相电压，线电压均同相位。

当发电机出口断路器QF断开时，分别检查1a 、1b 、1c和2a、2b、2c 均为正相序。

如果电缆不接错，在QF断开时，分别将代表发电机电压的Ė1ab 和Ė2ab送入同期装置，当两者满足同期条件时合上QF开关，就能完成同期并列工作。

但由于接错线，.图3 发电机电缆头A 、C 相接反示意图相当于将A 、C 相互换后取电压信号，Ė2ab 变成Ė'2cb 后比较相位。

很明显，当Ė'2cb 与Ė1ab 同相位时，Ė2cb 与Ė1ab 相位差为60°。

这相当于发电机并列时发生60°非同期并列事故，类似A 、C 相间发生短路，最终使发电机绕组严重烧损。

要避免上述现象发生，可通过自核相来解决。

断开QF1，合上QF 。

将发电机升到额定电压后，分别测量1a 、1b 、1c 和 2a 、 2b 、 2c 之间的电压。

由于电缆A 、C 相接反，TV2的A 相绕组加的时C 相电压，C 相绕组加的是A 相电压。

所以，同名相1a 与2a 、1c 与 2c 之间的电压均为线电压，不满足同相条件。

应查找接线错误，直到满足1a 与2a 、1c 与 2c 之间的电压差均为零为止。

在本例中，因检修的是电缆头，所以应首先考虑改变电缆头接线。

3．2 电压互感器连接组别接线错误引起非同期并列事故某机组发电机电压互感器TV1和母线电压互感器本来和图3一样，都是Y ,Y 0-12接线，但发电机电压互感器检修时，将TV1的二次绕组的极性搞错了，首尾颠倒引出，连接组别由Y,Y 0-12变成为Y ,Y 0-6接线，未经核相检查，错误未发现。

直到发电机并列时，值班人1a1a 1b 1c 1c 1bĖ1ab图4 电压互感器连接组别接错示意图确实在同期点合闸，却出现了强烈的冲击电流，引起发电机强励动作，这才发现问题。

事后分析，这是一起δ=180°的非同期并列。

连接组别接反的向量如图4所示。