防止農村小水電發(fā)電機組非同期并網的技術改造措施

金永琪，尹月紅

（1.浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州311231；2.嵊州市南山水庫電站，浙江 嵊州312467）

1 研究綜述

據(jù)調研統(tǒng)計，浙江省大多數(shù)農村小水電建造于20世紀90年代，為了節(jié)省投資，許多小水電釆用手動方式進行并網操作。尤其是單機容量小于100 kW的電站，有的釆用主回路接觸器作為并列開關，同期并列裝置大多采用燈光旋轉法，沒有防止非同期并網的電氣閉鎖裝置，裝置極為簡單，極易發(fā)生非同期誤操作的事故。

由于農村小水電值班運行人員普遍缺乏專業(yè)知識，同時值班運行人員因為承包者的變換而頻繁變換，且年齡較大文化程度普遍低，技術熟練程度差，相對來說發(fā)電機并網操作仍然是一項技術要求較高的操作任務，尤其是低水頭的軸流式機組，其空載轉速波動劇烈，捕捉同期點比較困難，并網時間很長，稍有不慎，就有可能發(fā)生非同期操作，輕者跳閘，重者可能損壞設備，燒毀發(fā)電機出口斷路器，損壞整流元件或聯(lián)軸器等。

徐功勤、蔣明鑫[1-2]提出了有關防止小型水電站發(fā)電機非同期并列的技術，但改造接線比較復雜，投資相對較大。袁志剛[3]提出了小型水電站非同期并網事故的分析及處理，分別從不同的接線方式與事故分析處理獲得了有益的經驗，但經濟性不是很好。為此，本人結合從事小水電工作的多年教學與實踐經驗，提出了防止小水電站非同期并網的技術方案，該方案的特點是接線簡單，投資省，值班員操作方便，較好地克服了燈光旋轉法同期并網的缺點，有效地避免了同期誤操作。

2 技術改造措施

2.1 總體解決方案及步驟

發(fā)電機并網需要滿足頻率相等、電壓相等、相位相同，值班員在并網時需要控制和調整的參數(shù)是發(fā)電機的頻率、電壓，并網前發(fā)電機和電網的相位差在0～360°范圍內進行變化，當發(fā)電機和電網的相位差接近零時迅速投入發(fā)電機出口開關。因此電氣值班員在具體并網操作時主要控制發(fā)電機和電網的相位差在一定的允許范圍內，當相位差小于設定值時才允許發(fā)電機出口開關合閘，根據(jù)發(fā)電機同期并網規(guī)范標準要求，為防止非同期合閘，一般在同期的自動、手動回路中安裝有同步檢查繼電器（相位差整定值為20°～40°），而100 kW以下的小電站為了節(jié)省投資，一般情況下沒有裝設同期閉鎖裝置，針對小水電站的實際情況，考慮到既能節(jié)省投資，又能方便實現(xiàn)同期閉鎖改造，經過綜合分析比較考慮，認為設定相位差為Φ=30°是比較合理可行的。

具體技術改造方案是在原來發(fā)電機同期接線的基礎上增設同期閉鎖裝置，增加一只額定電壓為380 V的同期閉鎖小接觸器，線圈跨接在發(fā)電機的B相和電網的C'相上，把它的輔助常開觸點串接在合閘控制回路中，其動作電壓為380×0.85=323 V。通過分析得知，在并網前其線圈兩端的電壓隨著發(fā)電機和電網相位差的變化在0～400 V范圍變化，當相位差＞30°時線圈兩端的電壓＜323 V，閉鎖小接觸器欠壓而不動作，其輔助常開觸點斷開，切斷了發(fā)電機的合閘回路，防止非同期并網；當相位差＜30°時線圈兩端的電壓＞323 V，閉鎖小接觸器動作，其輔助常開觸點閉合，為發(fā)電機并網做好準備。

2.2 接線改造

同期并網技術改造接線如圖1所示，該控制回路的主要原理為：在原有的同期接線基礎上，增加一只額定電壓為380 V的同期閉鎖小接觸器（簡稱同期閉鎖繼電器2K），把2K的輔助常開觸點串接在合閘控制回路中。同時把并網接觸器1KM的線圈跨接在發(fā)電機的C相和電網的B'相上，1KM的動作電壓為380×0.85=323 V。通過技術改造接線后，可以把同期并網的相位差控制在30°以內，這樣可達到技術改造費用省、接線簡單，又能有效防止非同期并網的目的。

圖1 具有同期閉鎖的小水電發(fā)電機手動并網技術改造接線圖

要使1KM能夠動作使發(fā)電機與電網并列，需滿足以下4個條件：投入同期開關、2K動作、1KM線圈兩端電壓達到323 V以上、按下合閘按鈕。

2.3 并網操作時相位分析

下面分析在各種不同相位差時，2K和1KM線圈兩端電壓變化情況，發(fā)電機電壓用，電網電壓用表示。

（1）相位差Φ=180°時，相量圖如圖2（a）所示。發(fā)電機和電網的相電壓都為230 V；通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為UCB'=230 V，小于動作電壓323 V，1KM不動作；2K線圈電壓為UBC'=230 V，小于動作電壓323 V，2K不動作，此時即使值班員誤操作按下合閘按鈕，2K和1KM都不動作，從而有效防止了非同期并網的發(fā)生。

（2）相 位 差Φ=150°時，相 量 圖 如 圖2（b）所示。通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為小于動作電壓，1KM不具備動作條件；2K線圈電壓為UBC'=2×230×sin15°=119 V，小于動作電壓，2K不動作，其輔助常開觸點斷開，切斷了1KM的合閘回路，避免了非同期并網。

（3）相 位 差Φ=120°時，相 量 圖 如 圖2（c）所示。通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為大于動作電壓，1KM具備動作條件；2K線圈電壓為UBC'=0 V，2K不動作，其輔助常開觸點斷開，切斷了1KM的合閘回路，即使值班員誤操作按下合閘按鈕，1KM也不會動作。

（4）相 位 差Φ=90°時，相 量 圖 如 圖2（d）所示。通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230×cos15°=444 V，大 于 動 作 電 壓，1KM具備動作條件；2K線圈電壓為UBC'=2×230×cos15°=119 V，小于動作電壓，2K不動作，其輔助常開觸點斷開合閘控制回路，1KM不動作，起到閉鎖作用。

（5）相 位 差Φ=60°時，相 量 圖 如 圖2（e）所示。通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230=460 V；2K線圈電壓為UBC'=230 V，小于動作電壓，2K不動作，其輔助常開觸點斷開合閘控制回路，起到閉鎖作用。

（6）相位差Φ=30°時，相量圖如圖2（f）所示。通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為UCB'=2×230×cos15°=444 V，大于動作電壓，具備動作條件；2K線圈電壓為大于動作電壓，2K動作，其輔助常開觸點閉合，若此時按下合閘按鈕，1KM動作。假如由于值班人員水平較差，在發(fā)電機與電網電壓存在30°的相位差的瞬間合閘，雖然有較大的沖擊電流，但發(fā)電機會被系統(tǒng)強行拉入同步，也不會造成嚴重的非同期并網。

（7）相位差Φ=0°時，相量圖如圖2（g）所示。通過相量圖分析計算可知，1KM線圈電壓為UCB'=線 圈 電 壓 為400 V，2K動作，其輔助常開觸點閉合，若此時按下合閘按鈕，1KM動作，其主觸頭閉合，發(fā)電機和系統(tǒng)完全同步，并網時的沖擊電流接近于0。

圖2 相量分析圖

通過相位分析可知，值班人員進行并網操作時，首先投入同期開關，然后調節(jié)發(fā)電機的電壓與頻率，當發(fā)電機與電網滿足同期條件時按下合閘按鈕，此時2K和1KM線圈上電壓都接近400 V，2K先動作其輔助常開觸點閉合，然后1KM動作，使發(fā)電機和電網并聯(lián)運行。否則只要2K線圈兩端電壓低于動作電壓，其輔助常開觸點斷開始終切斷合閘控制回路，從而達到同期閉鎖的作用。

3 應用案例

防止小水電發(fā)電機非同期并網的技術改造，只需增加一只單相交流接觸器，并將合閘按鈕由一常開觸點一常閉觸點改為二常開觸點，導線若干米，改造成本大概220元人民幣左右，將1KM、2K的線圈跨接在發(fā)電機和電網兩側，接線較簡單，可在半天內改線完成。將1KM線圈跨接發(fā)電機和電網兩端電源的接法，還有一個好處是在電網無電情況下，1KM無法合閘，可避免本站開機盲目向外送電的危險情況發(fā)生。目前已在裝機容量75 kW的南山水庫電站試用，電氣值班人員反映使用情況良好。

4 結語

農村小水電往往裝機容量較小，大多是鄉(xiāng)村集體經濟的重要來源，運行了幾十年，農村小水電站能否安全運行直接關系到貧困山區(qū)的脫貧攻堅戰(zhàn)，今年是脫貧攻堅戰(zhàn)的最后1年。為了確保小水電站安全運行，①要加強農村小水電標準化建設，著力提升小水電站的管理水平；②要加強對農村小水電運行人員的技術培訓，著力提升小水電站運行人的專業(yè)能力和業(yè)務水平；③要通過適當?shù)募夹g改造措施，在技術層面防止誤操作的發(fā)生。如在同期系統(tǒng)中增設簡單可靠的同期閉鎖裝置，試運行證明，該技改方案可在全省及全國其他無同期閉鎖裝置的小水電站中推廣應用，以防止非同期誤操作事故的發(fā)生。