同步调相机继电保护装置的动模试验

吴思圆，韩士杰

（1.国网浙江省电力有限公司临海市供电公司，浙江 临海317000；2.国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京210000）

近年来，随着直流输电、新能源、大电网、特高压等技术的发展以及电力电子设备大量被应用，电网运行特性变化很大，交流与直流、送端与受端相互影响，影响着电压和频率稳定性、电网的安全运行。系统所需无功日渐增多，需解决电网的无功与电压问题，提升无功功率补偿及调节能力。

调相机又称同步补偿机，实质是接在电网上的一种空载运行的同步电动机，它仅从电网吸收少量的有功功率来维持运行时的空载损耗（机械损耗、铜耗和铁耗），专门用来补偿系统无功的不足和吸收系统多余的无功，改善系统功率因数，降低网络中的损耗，对调整电网电压和保证电网运行的稳定性具有较好的作用。

大型同步调相机即将在特高压、直流系统、大电网系统中获得应用，国家电网公司规划“十三五”期间投运一批大型调相机组[1]。如下。

1 系统模型

随着调相机的现场应用及调相机继电保护装置的开发，迫切需要建立调相机继电保护装置的物理测试平台进行测试、验证。

参照电力行业标准GB/T 26864电力系统继电保护产品动模试验以及扎鲁特换流站和青州换流站的实际情况，拟定了电压等级为20 kV、容量为300 MVA的调变机组测试方案，如图1所示。

图1 系统主接线图

模拟的保护对象为20 kV、300 MVA的调相机组，调相机机端经500 kV、360 MVA升压变接入无穷大系统。SFC装置经6 MVA隔离变接入10 kV母线。

2 平台搭建

实验室在原有同步发电机测试平台的基础上进行改造、增加设备以满足同步调相机的测试。重要工作

2.1 同步发电机改造

利用同步电机运行的可逆性原理把同步发电机改造为试验用调相机。

同步电机运行的可逆性原理：同步电机的运行是可逆的，即可以由转子输入机械能，经过电磁作用，转变为电能，从定子输出；也可以由定子输入电能，经过电磁作用，转变为机械能，从转子输出。

若同步电机不用原动机来拖动，在轴上又不带任何机械负载，而是接在电网上空载运转，专门用它来调整系统的无功功率，这种运行方式的同步电机称为同步调相机。

将同步发电机改造为同步调相机，具体步骤如下：①把原动机与发电机分离。改造后的发电机不带任何机械负载。②同步发电机的机组惯量较小，同期有效时间过短，不能捕捉同期点。在原励磁机位置上增加飞轮盘以增大动模发电机的转动惯量值。机组原惯量J=mR2/2=1/2×19 kg×0.3752=1.336×6片=8.016 kg·m2。新增加惯量J=mR2/2=1/2×23.5 kg×0.322=1.2×10片=12 kg·m2。

同步发电机改造前后分别如图2和图3所示。

图2 同步发电机改造前

图3 同步发电机改造后

2.2 变频启动设备SFC

静止变频器系统包括进线断路器、启动变、12脉整流桥、6脉逆变桥、平波电抗器、切换刀闸、隔离刀闸、控制保护系统等。SFC系统原理如图4所示。

图4 SFC系统原理图

SFC通过变频软起的方式将同步调相机起动到105%转速后退出运行；当调相机频率、相位和电压幅值由同期装置检测到与电网电压一致后，调相机投入电网，挂网运行。

起动流程描述如下：①调相机的起动由变频器（SFC）控制，并网由同期装置控制；②在收到所有必要的反馈信号后，SFC闭合进线侧与变频变压器相连的断路器，然后SFC按照事先调整好的加速转矩曲线给电机加速，直至大约105%的额定转速；③达到105%转速后，输出断路器断开，SFC退出运行；④励磁装置、同期装置开始运行；⑤一旦调相机相位、频率和电压幅值被监测到与电网电压一致，同期装置向并网断路器发出合闸命令；⑥电机工频运行。

2.3 励磁系统的改造

励磁系统是调相机中极为重要的部件，直接关系到调相机对电力系统的无功补偿运行特性。调相机励磁分为启动励磁和主励磁。动作过程中，启动励磁受SFC控制。达到105%转速后，输出断路器断开，SFC退出运行，主励磁工作，启动励磁退出。

同时，完善短路控制设备以达到精确控制短路时间、角度等目的；增加DCS设备，对调相机机组启、停机及运行过程进行自动控制。

3 重点测试项目

按照同步发电机的测试项目，实验室对调相机在不同工况下进行多种试验项目。但调相机比同容量、同类型发电机的运行工况复杂，其保护也不尽相同，要保证调相机保护的可靠运行，特别关注的试验项目有启动过程对保护的影响、失磁保护。

3.1 启动过程

调相机变频启动过程中机端电压的频率为0～52.5 Hz，而常规保护是针对工频的保护，因此启动过程中是调相机继电保护的测试重点。

调相机启动过程细分为：低频阶段（3～10 Hz）、中频阶段（10～20 Hz）、高频阶段（30～52.5 Hz）、同期并网堕机阶段、同期失败，调相机快速再重启阶段。

图5为调相机启动低频35 Hz时，变压器高压侧区内ABCN短路时波形。可以看出，电压、电流波形畸变严重。继电保护装置需要考虑频率、谐波、幅值等因素，以提高动作正确率。

图5 调相机启动低频35 Hz，变压器高压侧区内ABCN短路

3.2 失磁保护

调相机失磁的性质不同于同步发电机失磁，其性质只属于欠励范畴[2]。

调相机励磁系统故障分为低励和失磁。低励表示电机的励磁电流低于维持静稳极限所对应的励磁电流，也称部分失磁。失磁则表示电机完全失去励磁，主要分为励磁电压完全降为0的短路失磁和励磁电流降为0的开路失磁[3]。励磁电压完全降为0的短路失磁波形如图6所示。

图6 励磁电压完全降为零的短路失磁

同步调相机运行时通过调节励磁电流从而调节系统电压。调相机的无励磁运行实为欠励磁运行的极限，其吸收无功功率的能力达到最大值。同步调相机的欠励磁运行状态和低励故障状态区别特征在母线电压水平。

图7为励磁电压降为20%时母线电压情况。实际运行时部分失磁对母线电压的影响和系统大小方式有很大关系，如何设置定值需要进一步研究和探讨。

图7 励磁电压降为20%的部分失磁

4 结语

动模实验系统是继电保护装置的重要验证平台。实验室通过改造、增加设备搭建了同步调相机继电保护装置的测试平台。根据调相机与发电机不同之处，特别关注了启动过程对继电保护的影响和失磁保护，有效促进了同步调相机继电保护水平的提高。