防止农村小水电发电机组非同期并网的技术改造措施

金永琪，尹月红

（1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州311231；2.嵊州市南山水库电站，浙江 嵊州312467）

1 研究综述

据调研统计，浙江省大多数农村小水电建造于20世纪90年代，为了节省投资，许多小水电釆用手动方式进行并网操作。尤其是单机容量小于100 kW的电站，有的釆用主回路接触器作为并列开关，同期并列装置大多采用灯光旋转法，没有防止非同期并网的电气闭锁装置，装置极为简单，极易发生非同期误操作的事故。

由于农村小水电值班运行人员普遍缺乏专业知识，同时值班运行人员因为承包者的变换而频繁变换，且年龄较大文化程度普遍低，技术熟练程度差，相对来说发电机并网操作仍然是一项技术要求较高的操作任务，尤其是低水头的轴流式机组，其空载转速波动剧烈，捕捉同期点比较困难，并网时间很长，稍有不慎，就有可能发生非同期操作，轻者跳闸，重者可能损坏设备，烧毁发电机出口断路器，损坏整流元件或联轴器等。

徐功勤、蒋明鑫[1-2]提出了有关防止小型水电站发电机非同期并列的技术，但改造接线比较复杂，投资相对较大。袁志刚[3]提出了小型水电站非同期并网事故的分析及处理，分别从不同的接线方式与事故分析处理获得了有益的经验，但经济性不是很好。为此，本人结合从事小水电工作的多年教学与实践经验，提出了防止小水电站非同期并网的技术方案，该方案的特点是接线简单，投资省，值班员操作方便，较好地克服了灯光旋转法同期并网的缺点，有效地避免了同期误操作。

2 技术改造措施

2.1 总体解决方案及步骤

发电机并网需要满足频率相等、电压相等、相位相同，值班员在并网时需要控制和调整的参数是发电机的频率、电压，并网前发电机和电网的相位差在0～360°范围内进行变化，当发电机和电网的相位差接近零时迅速投入发电机出口开关。因此电气值班员在具体并网操作时主要控制发电机和电网的相位差在一定的允许范围内，当相位差小于设定值时才允许发电机出口开关合闸，根据发电机同期并网规范标准要求，为防止非同期合闸，一般在同期的自动、手动回路中安装有同步检查继电器（相位差整定值为20°～40°），而100 kW以下的小电站为了节省投资，一般情况下没有装设同期闭锁装置，针对小水电站的实际情况，考虑到既能节省投资，又能方便实现同期闭锁改造，经过综合分析比较考虑，认为设定相位差为Φ=30°是比较合理可行的。

具体技术改造方案是在原来发电机同期接线的基础上增设同期闭锁装置，增加一只额定电压为380 V的同期闭锁小接触器，线圈跨接在发电机的B相和电网的C'相上，把它的辅助常开触点串接在合闸控制回路中，其动作电压为380×0.85=323 V。通过分析得知，在并网前其线圈两端的电压随着发电机和电网相位差的变化在0～400 V范围变化，当相位差＞30°时线圈两端的电压＜323 V，闭锁小接触器欠压而不动作，其辅助常开触点断开，切断了发电机的合闸回路，防止非同期并网；当相位差＜30°时线圈两端的电压＞323 V，闭锁小接触器动作，其辅助常开触点闭合，为发电机并网做好准备。

2.2 接线改造

同期并网技术改造接线如图1所示，该控制回路的主要原理为：在原有的同期接线基础上，增加一只额定电压为380 V的同期闭锁小接触器（简称同期闭锁继电器2K），把2K的辅助常开触点串接在合闸控制回路中。同时把并网接触器1KM的线圈跨接在发电机的C相和电网的B'相上，1KM的动作电压为380×0.85=323 V。通过技术改造接线后，可以把同期并网的相位差控制在30°以内，这样可达到技术改造费用省、接线简单，又能有效防止非同期并网的目的。

图1 具有同期闭锁的小水电发电机手动并网技术改造接线图

要使1KM能够动作使发电机与电网并列，需满足以下4个条件：投入同期开关、2K动作、1KM线圈两端电压达到323 V以上、按下合闸按钮。

2.3 并网操作时相位分析

下面分析在各种不同相位差时，2K和1KM线圈两端电压变化情况，发电机电压用，电网电压用表示。

（1）相位差Φ=180°时，相量图如图2（a）所示。发电机和电网的相电压都为230 V；通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为UCB'=230 V，小于动作电压323 V，1KM不动作；2K线圈电压为UBC'=230 V，小于动作电压323 V，2K不动作，此时即使值班员误操作按下合闸按钮，2K和1KM都不动作，从而有效防止了非同期并网的发生。

（2）相 位 差Φ=150°时，相 量 图 如 图2（b）所示。通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为小于动作电压，1KM不具备动作条件；2K线圈电压为UBC'=2×230×sin15°=119 V，小于动作电压，2K不动作，其辅助常开触点断开，切断了1KM的合闸回路，避免了非同期并网。

（3）相 位 差Φ=120°时，相 量 图 如 图2（c）所示。通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为大于动作电压，1KM具备动作条件；2K线圈电压为UBC'=0 V，2K不动作，其辅助常开触点断开，切断了1KM的合闸回路，即使值班员误操作按下合闸按钮，1KM也不会动作。

（4）相 位 差Φ=90°时，相 量 图 如 图2（d）所示。通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为UCB'=2×230×cos15°=444 V，大 于 动 作 电 压，1KM具备动作条件；2K线圈电压为UBC'=2×230×cos15°=119 V，小于动作电压，2K不动作，其辅助常开触点断开合闸控制回路，1KM不动作，起到闭锁作用。

（5）相 位 差Φ=60°时，相 量 图 如 图2（e）所示。通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为UCB'=2×230=460 V；2K线圈电压为UBC'=230 V，小于动作电压，2K不动作，其辅助常开触点断开合闸控制回路，起到闭锁作用。

（6）相位差Φ=30°时，相量图如图2（f）所示。通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为UCB'=2×230×cos15°=444 V，大于动作电压，具备动作条件；2K线圈电压为大于动作电压，2K动作，其辅助常开触点闭合，若此时按下合闸按钮，1KM动作。假如由于值班人员水平较差，在发电机与电网电压存在30°的相位差的瞬间合闸，虽然有较大的冲击电流，但发电机会被系统强行拉入同步，也不会造成严重的非同期并网。

（7）相位差Φ=0°时，相量图如图2（g）所示。通过相量图分析计算可知，1KM线圈电压为UCB'=线 圈 电 压 为400 V，2K动作，其辅助常开触点闭合，若此时按下合闸按钮，1KM动作，其主触头闭合，发电机和系统完全同步，并网时的冲击电流接近于0。

图2 相量分析图

通过相位分析可知，值班人员进行并网操作时，首先投入同期开关，然后调节发电机的电压与频率，当发电机与电网满足同期条件时按下合闸按钮，此时2K和1KM线圈上电压都接近400 V，2K先动作其辅助常开触点闭合，然后1KM动作，使发电机和电网并联运行。否则只要2K线圈两端电压低于动作电压，其辅助常开触点断开始终切断合闸控制回路，从而达到同期闭锁的作用。

3 应用案例

防止小水电发电机非同期并网的技术改造，只需增加一只单相交流接触器，并将合闸按钮由一常开触点一常闭触点改为二常开触点，导线若干米，改造成本大概220元人民币左右，将1KM、2K的线圈跨接在发电机和电网两侧，接线较简单，可在半天内改线完成。将1KM线圈跨接发电机和电网两端电源的接法，还有一个好处是在电网无电情况下，1KM无法合闸，可避免本站开机盲目向外送电的危险情况发生。目前已在装机容量75 kW的南山水库电站试用，电气值班人员反映使用情况良好。

4 结语

农村小水电往往装机容量较小，大多是乡村集体经济的重要来源，运行了几十年，农村小水电站能否安全运行直接关系到贫困山区的脱贫攻坚战，今年是脱贫攻坚战的最后1年。为了确保小水电站安全运行，①要加强农村小水电标准化建设，着力提升小水电站的管理水平；②要加强对农村小水电运行人员的技术培训，着力提升小水电站运行人的专业能力和业务水平；③要通过适当的技术改造措施，在技术层面防止误操作的发生。如在同期系统中增设简单可靠的同期闭锁装置，试运行证明，该技改方案可在全省及全国其他无同期闭锁装置的小水电站中推广应用，以防止非同期误操作事故的发生。