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摘要 发电机和电力系统之间的并联运行是借助于同期装置来实现的,它关系到发电机和电力网的安全运行。介绍一种既合理又经济的小型水电站发电机同期设计方案,从同期点选择、操作电源的选择、同期开关选择以及继电器、仪表的选择等几个方面进行详细说明,并附有同期安装接线图。
关键词 小型水电站;发电机;同期设计;并列操作
中图分类号:TV742 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)09-0073-03
Synchronizer Design of Small Hydropower Generator//Zhang Guoping
Abstract The parallel running between generators and power systems is achieved by synchronizer devices, which related to the safety running of generators and power grid. This paper presents a reasonable and economical parallel design of small hydropower generators. This paper illustrate the design from several aspects includes selection of parallel point, selection of power, selection of synchronizer switch, selection of relays and meters, and installation diagram of synchronizer was given.
Key words small-scale hydropower; generator; synchronizer design; parallel operation
Author’s address Shihezi Vocational College, Shihezi, Xinjiang, China 832000
尽管小型水电站的电气设计相对于大机组同期设计要简单些,但也有其独到之处。例如,在新疆西部较偏远的伊犁地区,有着丰富的水力资源,适合建设小型水电站,容量从几十千瓦到数百千瓦不等。但多数为几百千瓦的水电站,发电机出口电压大多是400 V。这些小电站的电气控制相对简单,如照搬大机组的整套设计方案,既不合理也不经济。因此,笔者在几年前为新疆伊犁拜什墩水电站提供的电气设计、电气控制柜制作、现场安装调试全程业务服务的基础上提出一种实用经济的小型水电站的同期设计方案。
1 发电机同期概述
电力系统中各发电机是并联在一起运行的,并联运行的发电机,转子以相同的电角度旋转,每个发电机转子的相对电角度都在允许的极限以内,称之为同步运行。在发电机投入电力系统并列运行时,必须完成一定的操作,这种操作被称为并列操作或同期并列。发电机在没有并网前都是不同步的,而电力生产的一大特点是生产与消费同步完成,电力负荷是随时间的变化而变化的,这就要求发电机所发出的电能要与其所带负载实行一种动态平衡,以满足安全和经济运行的要求。电力系统根据负荷的需要,经常将发电机投入或退出运行。把一台待并的空载发电机经过必要的调节,在满足并列运行的条件下,经断路器操作与系统并列,这个过程叫做并列操作。把2个已解列的系统并联运行也同样要经过并列操作才能实行,在电力系统中以发电机与系统的并列操作最为常见。如果操作不当将引起极大的冲击电流,轻则损坏发电机,重则引起系统振荡,继电保护动作,造成大面积停电。因此,同期必须满足并列瞬间,发电机冲击电流不应超过规定的允许数值;并列后,发电机就能迅速进入同步运行。
同步发电机并列操作的方法有2种。
1)准同步并列:先给待并发电机加励磁,使发电机建立起电压,调整发电机的电压和频率,在接近同步条件时,合上并列断路器,将发电机并入电网。此过程如果是由人来完成的,就称为手动准同期并列;若是自动完成的,则称为自动准同期并列。
2)自同期并列:待并发电机先不加励磁,当其转速接近同步转速,投入系统,在并励断路器合闸后给转子加入励磁,由系统把发电机拉入同步。
要使一台待并发电机准同步并入系统,其理想的并列条件是:1)待并发电机电压与系统电压相等;2)待并发电机频率与系统频率相等;3)并列断路器主触头闭合瞬间,待并发电机电压与系统电压的相位差为零。
同时满足上述3个条件是很困难的,在实际操作中只要它们之间的误差在一定的许可范围内,即可满足工程需求。本这一思路,笔者进行如下设计,因为是小水电站,考虑到投资、运行、维护成本,本方案选用手动准同期方案。
2 电站同期设计方案说明
该电站共有2台水轮发电机组,单机容量为400 KW,出口电压400 V,升压变压器为35 KV/0.4 KV,型号为S9型,1000 KVA,出口短路保护由跌落保险承担,过压保护为阀型避雷器,发电机出口为0.4 KV单母线,电气主接线如图1所示。
下文从同期点选择、操作电源选择、同期开关选择以及继电器、仪表选择等方面详细说明该设计方案。
2.1 同期点选择发电机和电力系统之间的并联运行借助于同期装置来实现。在小型水电站中采用的同期方式有2种——准同期方式和自同期方式,根据需要选择其中的一种或二者都选。当某一台断路器跳闸后,其主开关刀口两侧都有三相交流电源,如果其两侧电源不同期,这台断路器在进行合闸操作前就必须进行同期操作,那么此断路器必须设置同期点。
下列断路器一般应设置同期点:发电机回路的断路器;升压变压器各电源侧的断路器;对侧有电源的双绕组变压器低压侧或高压侧断路器;对侧有电源的线路断路器;母线分段断路器;电站与系统各侧电源的联络断路器。
本系统设计3个同期点,其中2台发电机机端各1个,0.4 KV母线侧设系统同期点1个。由于0.4 KV级400/100的电压互感器或三相变压器并不太好找,本设计选用250/100的小容量变压器组合而成。母线同期点用2台单相变压器接成V/V接法。机端同期电压分别经小容量断路器(型号为DZ47/3P)引至机端同期变压器。同期变压器输出端的3根线经发电机同期开关1SA3和2SA3接至同期小母线L1、L2、L3。其中L2与V相接地,并且L2与作为公共相系统同期变压器来的V相电压接在一起。U相经SA3同期开关去同期小母线。此线作为系统侧的同期信号,其在同期小母线中代号为L1’。同期闭锁小母线的代号为TM1、TM2。机端同期点采用3台单相变压器接成Y/y接法,其中V相接地。U相、W相经SA3同期开关去同期小母线。
2.2 操作电源的选择因为小水电没有完善的直流电源系统,同时低压断路器大都采用交流操作电源,故本系統中断路器的操作电源采用交流220 V,且每台发电机断路器操作电源取其发电机自身的机端出口相电压,电压值为220 V。为简单起见,操作电源的保护与同期变压器的保护公用,故操作电源分别取在1QF1、2QF1的下口。同期电源与操作电源保护共用一套保护,均由1QF1、2QF1承担。
2.3 同期开关选择SA1选择LW2—2.2.2.2.2.2/F4—8X,开关有“粗调”“断开”“精调”3个位置,平时处于“断开”位置。合闸时先置于“粗调”位置,经过必要的调节,条件具备时置于“精调”位置。
1SA3、2SA3选择LW2—H—1.1.1.1.1.1/F7.X,这种型号的开关有“合闸”和“断开”2个位置,手柄在“合闸”位置时具有机械闭锁,手柄只有在“断开”位置时才能拔出。这样,全厂共用一个可拔出的开关手柄,当某台断路器需合闸时将手柄插入相应的同期开关中,接通同期开关,此时手柄不能拔出;只有当断路器合闸结束,将同期开关转到“断开”位置时,才能把手柄拔出。此时方可进行下一台断路器的合闸操作,从而避免2台发电机的同期开关同时插入引起混乱,保证在同一时间内只能有一台发电机进行同期操作。
1SA4、2SA4选择LW2—Z—1a.4.6a.40.20.20/F8,该开关用于控制1QF、2QF合闸线圈的操作电源。
2.4 继电器、仪表的选择继电器KA选择DT—13/100V,同期表S选用电磁式同期表(1T1-S),该表同时引入待并发电机的机端电压和系统电源电压这2种合闸信号电源。其中发电机引入U、V、W三相,系统引入U、V两相。
同期检查继电器KA,当两边电源的相位角相差较大时不能合上断路器,避免对发电机产生冲击造成破坏。因KA的触点接在断路器的控制回路中,若两边电源的相位角相差较大,则KA闭合的时间极短,断路器不可能瞬时合闸。当同期双方的电压相位差在整定值范围内时,KA的常闭触点闭合时间较长,断路器的合闸回路才能接通。
当不需要进行同期操作,仅需要合闸操作,比如说是解列状态时,就不需要与别的发电机或系统进行同期操作,此时将SA2打在闭合位置,相当于把同期检查继电器接点短路,则此时无论同期与否,都可以进行合闸操作。
2只电压表和2只周波表均选用42L6型仪表,电压均为100 V,用以监视待并发电机机组与电力系统的电压与频率。图中线圈1QF、2QF分别为断路器1QF、2QF的合闸线圈。
图2是发电机系统同期接线图。
3 合闸操作
合上待并机组的隔离开关QS,将发电机转子绕组加入励磁电流;将前池闸门打开,开度放在10%;打开导水叶,将开度放在10%左右;调整励磁电流,发电机输出电压为额定电压,频率为额定频率;合上系统同期互感器的开关QF1,加上系统侧同期电压信号。合上同期电源开关1QF1(假设1#发电机需要并网发电),合上发电机同期开关1SA3,将SA1放在“粗调”位置,观察电压表1V和电压表2V、频率表1HZ和频率表2HZ。调节发电机端电压与频率,当电压表1V和电压表2V及频率表1HZ和频率表2HZ指示值相接近时,将SA1转向“精调”位置,观察同期表S的指针。当同期表S的指针由慢向快时,说明此时发电机频率小于系统频率,以緩慢的速度每分钟3～4转。当快转到红线(约提前15°)时发出合闸指令,即操作SA4至合闸位置,断路器1QF闭合,发电机与系统并联运行,合闸完毕。
4 结语
本文方案建立在笔者几年前为新疆伊犁拜什墩水电站提供的电气设计、电气控制柜制作、现场安装调试全程业务服务的基础上,具有较高的操作性和实用性。小型水电站的电气设计尽管简单,但也有需要考虑的因素,因此本文所提出的电站同期设计可供从事小型水电站生产建设的同行参考。
参考文献
[1]能源部西北电力设计院.电力工程电气设计手册2(电气二次部分)[M].北京:水利电力出版社,1990
[2]应明耕.水电站电气部分[M].杭州:浙江大学出版社,1991
关键词 小型水电站;发电机;同期设计;并列操作
中图分类号:TV742 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)09-0073-03
Synchronizer Design of Small Hydropower Generator//Zhang Guoping
Abstract The parallel running between generators and power systems is achieved by synchronizer devices, which related to the safety running of generators and power grid. This paper presents a reasonable and economical parallel design of small hydropower generators. This paper illustrate the design from several aspects includes selection of parallel point, selection of power, selection of synchronizer switch, selection of relays and meters, and installation diagram of synchronizer was given.
Key words small-scale hydropower; generator; synchronizer design; parallel operation
Author’s address Shihezi Vocational College, Shihezi, Xinjiang, China 832000
尽管小型水电站的电气设计相对于大机组同期设计要简单些,但也有其独到之处。例如,在新疆西部较偏远的伊犁地区,有着丰富的水力资源,适合建设小型水电站,容量从几十千瓦到数百千瓦不等。但多数为几百千瓦的水电站,发电机出口电压大多是400 V。这些小电站的电气控制相对简单,如照搬大机组的整套设计方案,既不合理也不经济。因此,笔者在几年前为新疆伊犁拜什墩水电站提供的电气设计、电气控制柜制作、现场安装调试全程业务服务的基础上提出一种实用经济的小型水电站的同期设计方案。
1 发电机同期概述
电力系统中各发电机是并联在一起运行的,并联运行的发电机,转子以相同的电角度旋转,每个发电机转子的相对电角度都在允许的极限以内,称之为同步运行。在发电机投入电力系统并列运行时,必须完成一定的操作,这种操作被称为并列操作或同期并列。发电机在没有并网前都是不同步的,而电力生产的一大特点是生产与消费同步完成,电力负荷是随时间的变化而变化的,这就要求发电机所发出的电能要与其所带负载实行一种动态平衡,以满足安全和经济运行的要求。电力系统根据负荷的需要,经常将发电机投入或退出运行。把一台待并的空载发电机经过必要的调节,在满足并列运行的条件下,经断路器操作与系统并列,这个过程叫做并列操作。把2个已解列的系统并联运行也同样要经过并列操作才能实行,在电力系统中以发电机与系统的并列操作最为常见。如果操作不当将引起极大的冲击电流,轻则损坏发电机,重则引起系统振荡,继电保护动作,造成大面积停电。因此,同期必须满足并列瞬间,发电机冲击电流不应超过规定的允许数值;并列后,发电机就能迅速进入同步运行。
同步发电机并列操作的方法有2种。
1)准同步并列:先给待并发电机加励磁,使发电机建立起电压,调整发电机的电压和频率,在接近同步条件时,合上并列断路器,将发电机并入电网。此过程如果是由人来完成的,就称为手动准同期并列;若是自动完成的,则称为自动准同期并列。
2)自同期并列:待并发电机先不加励磁,当其转速接近同步转速,投入系统,在并励断路器合闸后给转子加入励磁,由系统把发电机拉入同步。
要使一台待并发电机准同步并入系统,其理想的并列条件是:1)待并发电机电压与系统电压相等;2)待并发电机频率与系统频率相等;3)并列断路器主触头闭合瞬间,待并发电机电压与系统电压的相位差为零。
同时满足上述3个条件是很困难的,在实际操作中只要它们之间的误差在一定的许可范围内,即可满足工程需求。本这一思路,笔者进行如下设计,因为是小水电站,考虑到投资、运行、维护成本,本方案选用手动准同期方案。
2 电站同期设计方案说明
该电站共有2台水轮发电机组,单机容量为400 KW,出口电压400 V,升压变压器为35 KV/0.4 KV,型号为S9型,1000 KVA,出口短路保护由跌落保险承担,过压保护为阀型避雷器,发电机出口为0.4 KV单母线,电气主接线如图1所示。
下文从同期点选择、操作电源选择、同期开关选择以及继电器、仪表选择等方面详细说明该设计方案。
2.1 同期点选择发电机和电力系统之间的并联运行借助于同期装置来实现。在小型水电站中采用的同期方式有2种——准同期方式和自同期方式,根据需要选择其中的一种或二者都选。当某一台断路器跳闸后,其主开关刀口两侧都有三相交流电源,如果其两侧电源不同期,这台断路器在进行合闸操作前就必须进行同期操作,那么此断路器必须设置同期点。
下列断路器一般应设置同期点:发电机回路的断路器;升压变压器各电源侧的断路器;对侧有电源的双绕组变压器低压侧或高压侧断路器;对侧有电源的线路断路器;母线分段断路器;电站与系统各侧电源的联络断路器。
本系统设计3个同期点,其中2台发电机机端各1个,0.4 KV母线侧设系统同期点1个。由于0.4 KV级400/100的电压互感器或三相变压器并不太好找,本设计选用250/100的小容量变压器组合而成。母线同期点用2台单相变压器接成V/V接法。机端同期电压分别经小容量断路器(型号为DZ47/3P)引至机端同期变压器。同期变压器输出端的3根线经发电机同期开关1SA3和2SA3接至同期小母线L1、L2、L3。其中L2与V相接地,并且L2与作为公共相系统同期变压器来的V相电压接在一起。U相经SA3同期开关去同期小母线。此线作为系统侧的同期信号,其在同期小母线中代号为L1’。同期闭锁小母线的代号为TM1、TM2。机端同期点采用3台单相变压器接成Y/y接法,其中V相接地。U相、W相经SA3同期开关去同期小母线。
2.2 操作电源的选择因为小水电没有完善的直流电源系统,同时低压断路器大都采用交流操作电源,故本系統中断路器的操作电源采用交流220 V,且每台发电机断路器操作电源取其发电机自身的机端出口相电压,电压值为220 V。为简单起见,操作电源的保护与同期变压器的保护公用,故操作电源分别取在1QF1、2QF1的下口。同期电源与操作电源保护共用一套保护,均由1QF1、2QF1承担。
2.3 同期开关选择SA1选择LW2—2.2.2.2.2.2/F4—8X,开关有“粗调”“断开”“精调”3个位置,平时处于“断开”位置。合闸时先置于“粗调”位置,经过必要的调节,条件具备时置于“精调”位置。
1SA3、2SA3选择LW2—H—1.1.1.1.1.1/F7.X,这种型号的开关有“合闸”和“断开”2个位置,手柄在“合闸”位置时具有机械闭锁,手柄只有在“断开”位置时才能拔出。这样,全厂共用一个可拔出的开关手柄,当某台断路器需合闸时将手柄插入相应的同期开关中,接通同期开关,此时手柄不能拔出;只有当断路器合闸结束,将同期开关转到“断开”位置时,才能把手柄拔出。此时方可进行下一台断路器的合闸操作,从而避免2台发电机的同期开关同时插入引起混乱,保证在同一时间内只能有一台发电机进行同期操作。
1SA4、2SA4选择LW2—Z—1a.4.6a.40.20.20/F8,该开关用于控制1QF、2QF合闸线圈的操作电源。
2.4 继电器、仪表的选择继电器KA选择DT—13/100V,同期表S选用电磁式同期表(1T1-S),该表同时引入待并发电机的机端电压和系统电源电压这2种合闸信号电源。其中发电机引入U、V、W三相,系统引入U、V两相。
同期检查继电器KA,当两边电源的相位角相差较大时不能合上断路器,避免对发电机产生冲击造成破坏。因KA的触点接在断路器的控制回路中,若两边电源的相位角相差较大,则KA闭合的时间极短,断路器不可能瞬时合闸。当同期双方的电压相位差在整定值范围内时,KA的常闭触点闭合时间较长,断路器的合闸回路才能接通。
当不需要进行同期操作,仅需要合闸操作,比如说是解列状态时,就不需要与别的发电机或系统进行同期操作,此时将SA2打在闭合位置,相当于把同期检查继电器接点短路,则此时无论同期与否,都可以进行合闸操作。
2只电压表和2只周波表均选用42L6型仪表,电压均为100 V,用以监视待并发电机机组与电力系统的电压与频率。图中线圈1QF、2QF分别为断路器1QF、2QF的合闸线圈。
图2是发电机系统同期接线图。
3 合闸操作
合上待并机组的隔离开关QS,将发电机转子绕组加入励磁电流;将前池闸门打开,开度放在10%;打开导水叶,将开度放在10%左右;调整励磁电流,发电机输出电压为额定电压,频率为额定频率;合上系统同期互感器的开关QF1,加上系统侧同期电压信号。合上同期电源开关1QF1(假设1#发电机需要并网发电),合上发电机同期开关1SA3,将SA1放在“粗调”位置,观察电压表1V和电压表2V、频率表1HZ和频率表2HZ。调节发电机端电压与频率,当电压表1V和电压表2V及频率表1HZ和频率表2HZ指示值相接近时,将SA1转向“精调”位置,观察同期表S的指针。当同期表S的指针由慢向快时,说明此时发电机频率小于系统频率,以緩慢的速度每分钟3～4转。当快转到红线(约提前15°)时发出合闸指令,即操作SA4至合闸位置,断路器1QF闭合,发电机与系统并联运行,合闸完毕。
4 结语
本文方案建立在笔者几年前为新疆伊犁拜什墩水电站提供的电气设计、电气控制柜制作、现场安装调试全程业务服务的基础上,具有较高的操作性和实用性。小型水电站的电气设计尽管简单,但也有需要考虑的因素,因此本文所提出的电站同期设计可供从事小型水电站生产建设的同行参考。
参考文献
[1]能源部西北电力设计院.电力工程电气设计手册2(电气二次部分)[M].北京:水利电力出版社,1990
[2]应明耕.水电站电气部分[M].杭州:浙江大学出版社,1991