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经典之-发电机同期并列原理详解


第六章 同期系统 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

第六章

同期系统

将一台单独运行的发电机投入到运行中的电力系统参加并列运行的操作, 称

为发电机的并列操作。同步发电机的并列操作, 必须按照准同期方法或自同 期方法进行。否则, 盲目地将发电机并入系统, 将会出现冲击电流, 引起系统振 荡, 甚至会发生事故、 造成设备损坏。 准同期并列操作, 就是将待并发电机升至额定转速和额定电压后, 满足以下 四项准同期条件时, 操作同期点断路器合闸, 使发电机并网。 ( !) 发电机电压相序与系统电压相序相同; (") 发电机电压与并列点系统电压相等; (#) 发电机的频率与系统的频率基本相等; ($) 合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。 自同期并列操作, 就是 将发电机升速至额定转速后, 在未加励磁的情况下合 闸, 将发电机并入系统, 随即供给励磁电流, 由系统将发电机拉入同步。 自同期 法的优点: 自同期一般只需要几分钟就能完成, 在系统 !合闸迅速, 急需增加功率的事故情况下, 对系统稳定具有特别重要的意义; 易 " 操作简便, 于实现操作自动化。因为在发电机未加励磁电流时合闸并网, 不存在准同期条 件的限制, 不存在准同期法可能出现的问题; #在系统电压和频率因故降低至不 能使用难同期法并列操作时, 自同期方法将发电机投入系统提供了可能性。 自同期法的缺点是: 未加励磁的发电机合闸并入系统瞬间, 相当一个大容量 的电感线圈接入系统, 必然会产生冲击电流, 导致局部系统电压瞬间下降。一般 自同期法使用于水轮发电机及发电机—变压器组接线方式的汽轮发电机。在采 用自同期法实施并列前, 应经计算核对。 发电厂发电机的并列操作断路器, 称为同期点。除了发电机的出口断路器 之外在一次电路中, 凡有可能与发电机主回路串联后与系统 (或另一电源) 之间 构成唯一断路点的断路器, 均可作为同期点。例如, 发电机—变压器组的高压侧 断路器, 发电机—三绕组变压器组的各侧断路器, 高压母线联络断路器及旁路断 — #"! —

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路器, 都可作为同期点。在同期点应装设准同期装置。对于电压在 !!"#$ 以上 的联络线路的断路器, 除装设准同期装置外, 其重合闸装置应具有检查无压、 检 查同期的功能。 在发电厂, 并列操作比较频繁, 在实施并列过程中可直接调节发电机的同期 参数。一般同期点应装设带非同期闭锁的手动准同期装置和自动准同期装置; 在水电厂, 除了装设以上两种准同期装置之外, 还应装设自动自同期装置。对于 双电源的变电站, 一般只装设带非同期闭锁的手动准同期装置。

第一节

同步发电机准同期并列原理

发电机并列主电路示意图见图 % & ! ( ’) 。 (! 为待并发电机, 当同期点断路 器 )*! 合闸使发电机 (! 并网后, 如果断路器 )*+ 跳闸, )*+ 两侧为不同系统的 电源, 也必须按照准同期条件合闸。图 % & ! 为待并发电机电压与系统电压波形 图; 图 %&( 为滑差电压波形图。图中系统电压瞬时值为 ! ,) -. / 0.1 .2( 3! .4 5" 6.) 待并发电机电压瞬时值为 -7 / 071 .2( 3! 7 4 5" 67 ) 式中 发电机电压幅值; 0.1、 071—系统电压、 发电机电压的初相角; 6. 、 67 —系统电压、 " " 发电机电压的电角速度。 ! .、 ! 7 —系统电压、 系统电压与发电机电压瞬时值之差为滑差电压瞬时值 -8。 -8 / -. & -7 。设 初相角均为零, 即! 则有 0.1 / 071 / 01, 6. / ! 67 / "9, ! 8 /! . &! 7, -8 / -. & -7 / 0.1 .2( 3! & 071 .2( 3! . 4 5" 6. ) 7 4 5" 67 ) / 01 .23 ! ! . 4 & 01 .23 74 ! ! !: 5!7 / +01 .23 ! 4,6. (! 5 7) 4 / 081 ,6. + 8 + . ! + 也可用几何方法以 -. 瞬时值减 -7 的瞬时值得到 -8 的波形 [如图 % & ( ] 。 ! ,) ! ! 滑差电压 -8 是一个角速度为 (! 、 幅值为 +01 .23 84 作正弦变化的电压。 . 5! 7) + + 滑差电压幅值的变化规律为 — #"! —

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图 ! " # 发电机并列示意图 ( $) 主电路; ( %) ( )) 滑差电压 &* 波形 &’ 、 &( 波形;

# &*+ , -.+ ’/0 ! 1 - * 由于在并网之前系统频率与待并发电机频率不相等 .’ 与 .( 之间的相角差 &* 的幅值也由小到大随之变 ", ! "以 2 3 #为周期而变化, * 1 随时间 1 而变化。 化。当 ", 2 时, 当 ", #时, 滑差电压达最大值 &*+ , -.+。 &* , 2; "从零至 #的 时间, 即相邻滑差电压幅值为零点之间的时间, 即为滑差电压 &* 的周期 4* 。 滑差电压幅值的零点, 表示 &( 与 &’ 之间相角差为零, 4* 的长短又反映两电 压频差的大小, 所以准同期可利用滑差电压包络线波形变化, 来实现准同期合 闸。手动准同期和自动准同期的目的, 均为检查发电机电压与系统电压之间的 电压差、 频率差以及电压相角差, 当电压差和频率差满足要求时, 以提前时间 156 发出合闸命令, 使并列断路器主触头在电压相角差为零的瞬间合闸, 实现发电机 平稳并入系统。 由于断路器的合闸机构为机械操动机构, 从接受合闸命令到断路器主触头 闭合之间要经一定时间, 此时间约为 2 7 8 3 2 7 9’, 所以必须以提前时间 156 发出合 闸命令。 如前所述, 同步发电机按照准同期法并网, 必须同时满足准同期四项条件。 — !"! —

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其中, 待并发电机的电压相序和电压数值, 比较容易满足要求; 而频率绝对相等 ( !" # !$ ) 是不可能的。因为发电机的转子是由动力机械 (如汽轮机) 带动的, 在并 网之前, 它的转速不可能稳定保持额定转速, 而总是有微小的反复变动, 机端电 压的频率, 也就不可能长时间保持与系统频率相等。正是由于电压频率的微小 变动, 两侧电压相位随之变化, 才产生同期点 [图 % & ’ ( () 中 ) 和 * , 才能实 ! 点] 现在四项同期条件同时满足时刻断路器主触头接通, 使发电机平稳并网。从图 正 是 由 于 待 并 发 电 机 转 速 不 稳 定, 才 能 给 同 期 并 列 创 造 条 件。 % & ’ 不难看 出, 如果待并发电机转速长时间保持恒定, 使同期点两侧电压的频率保持绝对相等, 那么 +$ 与 +" 之间相角差相对静止, 就不可能出现同期点, 也就不可能实现准同 期并列。

第二节

发电厂准同期回路

发电厂的准同期装置为全厂各同期点的共用设备, 其典型接线如图 % & * 所 示。图 % & ( 中下部的同期小母线为同期电压过渡导线, 只有在使用同期装 * ,) 置时, 此小母线上才有同期电压。图 % & ( 左侧是同期电压引入回路, 中间虚 * ,) 线框 内 为 手 动 准 同 期 用 单 相 组 合 式 同 步 表, 右侧虚线框内为自动准同期装置 ( --. & / 型) 。 发电厂的电气设备安装结束后, 一般设备线路位置不再变动; 汽 轮机 (或水 轮机) 的转动方向也是固定的, 所以投产后的母线路相序是不会改变的, 一般只 需在第一次并网前测量同期点两侧电压相序。手动准同期和自动准同期可不 再 考虑相序条件。 发电机准同期并列有三种操作方法: 分散式手动准同期、 自动准同期及集中 式手动准同期。本节仅讲述前两种操作方法。集中式手动准同期操作方法在本 书第七章第一节另有讲述。

一、 分散式手动准同期
在图 % & * 中, 欲将发电机用分散式手动准同期方法 ’.0 为发电机同期点, 实现并网, 首先起动发电机组, 逐渐升速至额定转速, 汽轮机运行为正常并允许 发电机并网。然后按下列步骤操作并网。 — #"! —

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(!) 投入发电机的励磁系统, 调节励磁电流使发电机端电压逐 渐 升 至 额 定 值。 (") 合上发电机出线刀闸 !#$ ( 或 "#$) , 投入同期开关 !$%$。此时, !$%$ 上 下对应单数号码触点接通, ( !&’) 之 ( 相电压经 !$%$ 触点 ) ! 母线电压互感器 发电机端电压互感器 ( &’) 之 ( 相电压经 !$%$ 触点 * !! 送至同期小母线 +,$(; !- * !. 送至同期小母线 +$&(。 (-) 将同期闭锁开关 $%/ 投向 “闭锁” 位置, 此时 $%/ 触点 ! * - 断开。手动 同期开关 !$%$0 投向 “粗调” 位置, 此时 !$%$0 之 - * 1、 2 * 3、 !! * !" 触点接通, 同期电压表和 频 率 表 均 接 入 电 压 4’!、 45! 分 别 指 示 待 并 发 电 机 电 压 和 频 率; 所以在 4’" 、 45" 分别指示系统电压和频率。由于 !$%$0 触点 !- * !1 触点断开, “粗调” 位置时同步表 4$ 不旋转。同期继电器 6$7 两线圈均无外加电压, 其动断 触点闭合。但因 !$%$0 触点 ". * "8 断开, 合闸小母线 !+$0 与 "+$0 之间不会 接通。 ( 1) 根据电压表的指示, 用待并发电机的无功调节把手调整待并发电机的电 压, 使之与系统电压相等; 根据频率表的指示, 用待并发电机的有功调节把手调 整发电机的频率, 使之与系统频率基本相等。 (.) 将 !$%$0 投向 “细调” 位置, 其触点 ! * "、 . * 8、 ) * !9、 !2 * !3、 "8 * ".、 !同期检查继电器 6$7 两线圈分别接入 * !1 接通。此时同步表 4$ 表开始旋转, 系统电压和发电机电压。根据同步表 4$ 表指针旋转的速度和方向, 再对发电机 进行细调, 达到同步表 4$ 表指针 顺 时 针 缓 慢 旋 转 时, 将 !#5 的 控 制 开 关 !$%0 投向 “预备合闸” 位置其绿色位置指示灯闪亮。待同步表 4$ 表指针接近同期点 时刻, 迅速将 !$%0 转至 “合闸” 位置并保持约 "$, 再放开手 6$7 动断触点闭合, 柄, 使其自动复位, 其触点 . * 3 接通, 若 "$ 后又断开, 其红色位置 !#5 会闭后, 指示灯稳亮。 在同步表指针接近同期点时发出合闸命令, 是为满足提前时间的需要。同 步表 4$ 表指针顺时针旋转, 表明发电机频率略高于系统频率。这样, 发电机并 网后可立即向系统输送少量有功负荷, 以利于发电机进入同步。 (8) 发电机并网后, 将 !$%$、 “退出” 位置。至此, 手动同期装置退 !$%$0 转至 出, 并网操作结束。 — "!! —

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二、 自动准同期
自动准同期是利用自动准同期装置实现发电机按准同期条件并入系统的操 作。当发电机电压或频率与系统电压或频率有偏差时, 该装置发出调节脉冲, 分 别调节发电机的电压或频率, 直到准同期条件基本满足时, 自动准同期装置在适 当的提前角度下 (满足提前时间) 自动发出合闸命令, 使发电机平稳并网。

图 ! " # 同期系统图 (一) ( $) 系统图

— #"! —

第六章 同期系统 % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % !"#"$ 触点表 $#%&’$()() * ) 型 位 触 %*+ , *( . *) / *0 1 * %% %& * %, %+ * %. 点 %*, +*( . */ )*0 1 * %& %% * %, %+ * %( 置 ! 粗 " 退 # 细 触 ,"#"$ 触点表 $#%&’$(0,, * ) 型 位 点 %*, +*, . */ )*/ 1 * %& %% * %& %+ * %( %. * %( %) * %0 %) * ,& ,% * ,, ,+ * ,( ,. * ,/ ,) * ,0 置 $ 退 " 投 -

%( * %/ %. * %/ %) * %1 %0 * ,& ,% * ,+ ,, * ,( ,. * ,) ,/ * ,0 %) * %0 %1 * ,& ,% * ,, ,+ * ,( ,. * ,/ ,) * ,0

图 / * ,# 同期系统图 ( 2) 同期点断路器控制合闸回路

图 / *( , 3) 右侧虚线框内为 445 * . 型自动准同期装置的对外接线图。使 用自动准同期装置时, 可同时使用手动同期装置监视其动作的正确性, 但在这种 操作方式下不允许手动操作同期点开关 %"#$ 合闸。 — #"! —

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首先按前述手动准同期方法完成第 ( !) 项之前的操作, 然后按 以 下 步 骤 操 作。 (") 将 "#$#% 投向 “细调” 位置, “跳闸后” 位置。 "#$% 保持在 (&) 将 &#$#% 转至 “投入” 位置, 此时同期点两侧电压均接入自动准同期装 置。 (’) 按一下起动按钮 #(%, 红灯 )* 稳亮, 中间继电器 +,$ 动作 并 自 保 持。 直流电源经 +,$ 动合触点送至自动准同期装置的输出回路, 自动准同期装置则 自动完成以下动作。 当发电机频率偏低或偏高时, 触点 &+% 或 ’+% 分别断续接通, 起动中间继 电器 "+%* 或 &+%*, 以向调速小母线 "-$./ 或 &-$./ 发出增 (减) 脉冲。当发 电机电压偏低或偏高时, 触点 !+% 或 0+% 分别断续接通, 起动中间继电器 ’+%* 或 !+%*, 以向调压小母线 ’-$./ 或 !-$./ 发出增 (减) 脉冲。当频差和压差均 满足准同期装置整定值时, 中间继电器 "+% 按提前时间动作, 起动合闸中间继 电器 +%,, 其动合触点 +%,& 接通, 使 "12 平稳合闸。 (合 闸 电 路: 3 "4" 3 "#$# 触点 " 5 ’!"-#%! "#$#% 触点 &0 5 &6! +#7 触点 ! &-#%! &#$#% 触点 &’ 5 &! ) 此时 !+%,& 触点 !’-#% 3 "#$% 触点 & 5 !! "#$# 触点 0 5 8! "12 合闸回路。 "#$% 的红灯闪亮。 (!) 手 动 将 "#$% 转 至 “合闸后位置” , 将 "12 合 闸 后, "#$% 之 红 灯 稳 亮, “退出” 位置, 使手动准同期装置和自动准同期装置均 "#$#、 "#$#%、 &#$#% 旋转至 退出工作, 至此, 自动准同期操作完毕。

第三节

同期装置电压回路

在一次电路中, 如果同期点断路器两侧的电压互感器一次测处于同一电压 等级, 两侧的电压互感器接线方式相同, 则两侧的二次电压同样风映对应一次设 备的同期参数, 并可供同期装置使用。图 6 9 ( 即为此种接线。同期点 ( "12) & :) 两侧为同一电压等级的设备。同期点两侧的电压互感器 ";<、 &;<、 ;< 接线方式 相同。正常运行 状 态 下, 发 电 机 = 经 "12、 (或 ! 母 线) 向 系 统 送 电。无 " 母线 疑, 高压母线 >、 同期电压可选用 "12 ! 的电压与发电机 = 的端电压是同期的, — #"! —

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的两侧电压 互 感 器 之 二 次 同 名 相 电 压。如 果 合 上 同 期 开 关 !"#", 同期小母线 (包括同相位) 。如果在运行中发生 !)* $%"& ’ 与 $"(’ 上的电压同样是同期的 跳闸, 发生机解列, 则 !)* 两侧的电压不同期, 与其对应的电压互感器二次电压 小母线 $%"&’ 与 $"(’ 上的电压随之不同期。同期小母线 $%"’ 上电压 +&’ 随 高压母线 ! 、 而同期小母线 $"(’ 上的电压 +’ 随发电机 " 上的电压同步变化; 电压同步变化。

图 ,-.

电力变压器接线示意图 ( /, 011)

( 2) 电力变压器接线; ( 3) 电压相量图

如果同期点两侧的电压互感器一次侧连接于不同电压等级的母线上, 楷同 期点两侧同期时, 相对应的二次电压并不同期。由图 , - . 及图 , - 4 所示情况 可知, 电力变压器 ( 为 /, 电压互感器 !(5 与 (5 接线方式相同, 当 011 接线方式, 同期点 )* 两侧电压同期时, 发电机端线电压超前于 66785 母线同名线电压 .79, 这样, 如果 (5 的二次线电压便超前于 :(5 二次同名线电压 .79。在这种情况下, 将 !(5 的二次电压 +’ ( 和 (5 的同名电压 +’ ( 直接引至同期装置, ; 即 +&’ ) ; 即 +’) 将不可能实现准同期并列。因为当前现场采用的准同期装置只能在输入的同期 点两侧电压完全同期时刻, 判断为同期点同期、 并发出合闸命令。如果按前述接 线取得同期装置用电压, 当同期装置发出合闸命令的时刻, 同期点 )* 两侧同名 相电压相位差为 .79, 这将造成非同期合闸。为此, 当同期点两侧电压互感器处 于不同电压等级时, 同期电压必须采取以下三种接线方式之一。

一、 将系统侧同期电压移相
在同期回路增设转角变压器 (< (见图 , - 4) 。 (< 的一次侧经同期开关 "#" — #"! —

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图 ! " # 同期系统电压回路 (一) $%& —’’()* 母线电压; $+%& —,- 之二次电压; $%& —,* 之二次电压

连接于电压互感器 .,* 的二次侧, 其二次侧引至同期小母线 /01+%、 /*230,.(( 使得 ,- 的二次侧电压超 677 接线方式, .((*。因为 ,- 也采用 5, 4 ! 前于一次侧同名相电压 4(8。又因为 ,* 的一次电压与二次侧电压同相位, 所以 的变压比为 当同期点 9: 两侧电压同期时, /01+ % 上的电压超前于高压母线 ! 的电压 4(8; 使难同期装 /1,% 上的电压同样超前高压母线 ! 的电压 4(8, $%& 与 $+%& 同相位, 置能作出正确的准同期判断, 故能发出正确的命令。
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二、 将发电机同期电压移相
在发电机出口电压互感器 ,* 的二次回路, 增加转角变压器 ; (见图 ! " <) 。 该转角变压器采用 =, 而见的二次侧 > 接线。 ,- 的一次侧连接于 ,* 的二次侧, 引至同期电压小母线 /1,%、 /*23 转角变压器的二次电压滞后于一次电压 4(8, 变压比为 .(( ? .(( 其接线如图 ! " ! 所示。 *, 4 ! 当使用准同期装置时, 系统侧电压互感器 .,* 之二次电压经同期开关 1@1
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直接引至同期小 母 线 /01+ %、 /*23。其 电 压 $+%& 与 ! 母 线 电 压 $%& A ! 同 相 位 (见图 ! " <) 。由于电力变压器 , 采用 5, 在同期点两侧同期状态下, 发 677 接线, 电机端电压 $%& 超前于高压母线电压 $%& A !4(8。发电机出口电压互感器 ,* 之 — #"! —
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两侧电压同相位, 经 !" 之后的二次电压 #$%比 #$%·! 滞后 &’(。也就是说, 又将变 压器 ! 产生的超前电压后移 (恢复) 至原来的相位, 使同期小母线上的电压 #$% 与 ( #$% 与下 *+ 下端的电压同步, , 使得同期电 #)$%同相位, #)$% 与 ! 母线电压同步) 压的相位分别与同期点两侧的电压相位一致, 同期装置能正确地判断同期点 *+ 两侧的同期参数, 实现同期系统正确工作。
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图 ,-.
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同期系统电压回路 (二)
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#)$% —//’01 母线电压; #$% —发电机母线电压;
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#)$% —2!1 之二次电压; #$% —!" 之二次电压

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三、 利用电压互感器的不对应绕组获得同期电压
对于发电机—变压器组接线方式, 为了弥补由于电力变压器产生的两侧电 压相位差, 同期回路也可以选用两侧电压互感器不对应二次绕组的电压作为 同 期电压。在图 , - 3 中, 电压互感器 !1 的二次星形侧的线电压超前于一次系统 (母线 !) 同名线电压 &’(。电压互感器 2!1 的一次对二次三角侧接线方式为 4, , 此三角接线绕组的线电压同样超前于系统 (母线 ! ) 5( 66 与电力变压器 ! 相同) 同名线电压 &’(。也就是说, 当同期点 *+ 两侧同期时, 2!1 的二次三角侧的电压
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#)$7与 !1 二次星形侧的电压 #$7 8是同相位的。所以在图 , - 3 中选用此二电压 — #"! —

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图 ! "!
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转角变压器接线图 ( #, $%)
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&’( " )* 之一次侧线电压; &’( " )* 之二次侧线电压

作为发电机的同期电压。

图 ! " + 同期系统电压回路 (三)

在图 ! " + 中, 母线电压互感器为四绕组型, 即每相有一个一次绕组和三个 二次绕组, 电压比为 &, %.. %.. 即一次侧为额定电压时其二次星形侧线 - %..0, / ! / !

电压为 %..0, 相电压为 %.. ! 而二次三角形侧电压为 %..0。当发电机—变压 /0; 器组 121 投入时, 系统侧同期电压 &3’4 连接于 %)0 之二次三角侧 ( &3’4 ) ; 电压数 值为 %..0; 而发电机侧同期电压 &’4连接于 )0 之二次星形侧 &’4, 其电压数值也 为 %..0。为了使两侧同期电压取得共用点并接地 ( 506,3) , 发电机侧的同期回 — #"! —

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路经隔离变压器 !"#。隔离变压器的变压比为 $%% & $%%’。 当利用线路断路器 $() 作为同期点时, 投入线路 *+*。系统侧电压为线路 侧电压抽取装置的 , 相二次电压 ,,-, 其额定数值 ,,- 与一次 , 相电压同相位, 为 $%%’; 发电机侧电压仍为 $!’ 之二次三角测线电压 ,./。从图 0 1 2 看出, 此 电压 ,./与一次侧 , 相电压同相位, 所以选用此二电压作为线路断路器同期电 压。

第四节

同期系统设备

同期系统所使用的设备标示于图 0 1 3 ( 4) 之中, 其中自动同期装置和同步 监察继电器一般安装于控制室后排的继电器屏上; 切换开关、 按钮、 指示仪表则 安装于控制屏正面, 便于运行人员操作时观察。 同期系统的指示仪表有: ! 接于系统侧的电压表; " 接于待并发电机侧的电 压表; # 接于系统侧的频率表; $ 接于待并发电机侧的频率表; % 接于同期点两 侧电压的同步表 (亦有称整步表的) 。这五只表计一般对称地布置在同一屏上。

一、 电磁式同步表
电磁式同步表一般带来指示同期点两侧频率差的大小和电压相 位 差 的 大 小。图 0 1 5 为 $!$ 1 * 型电磁式同步表的内部结构示意图。表内有三个固定线 圈。线图 6$ 和 63 分别经附加电阻 7$、 73 及 72 连接至待并发电机电压 ,.# 和 外 ,#/上, 6$ 与 63 在空间上布置为相互垂直。适当选择 7$、 73 和 72 的阻值, 使流经 6$ 和 63 的电流 8$ 和 83 在 相 位 上 也 相 差 9%:。 根据电工测量仪表的原 理, 当整步表接入电路时, 此二线圈的合成磁势产生旋转磁场。另一个线圈 6 布置在 6$、 沿轴向绕在 ; 形铁片的轴套外面。 6 经附加电阻 7 连 63 的内部, 接至系统电压 ,.#上。当同步表接入电路时, 6 内产生按正弦规律脉动的磁场, 并磁化 ; 形铁片。轴套与转轴固定为一体。转轴上端装有指针和燕尾形平衡锤 以及阻尼片。可动部分在线圈 6 内部可以灵活转动。 中示出了 6$ 和 63 的电流相量 8$ 、 使 图 0 1 $( % 4) 83 。适当选择附加电阻, — !"! —
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图 ! " # 电磁式同步表内部结构示意图 ( $) 侧视图; ( %) 顶视图

图 !"&
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电磁式同步表接线图

中性点 ’ 偏移至 ’(, 便可使 )* 与 )+ 相位差为 &,-。当同步表接入同期电压回路 时, 表内产生两个磁场: 一个是由 .*、 .+ 产生的空间上幅值不变的圆形旋转磁 场; 另一个是由 . 产生的脉动磁场, 此磁场的轴线位置不改变, 只是磁场强度及 方向按正弦规律变化。 使用手动准同期操作发电机并网过程中, 同步表有以下三种指示。 ( *) 待并发电机电压与运行系统电压同期。 /(/0 1 //0, 2( 1 2, 3 1! 4 。如图 ! 和 ( %) 所示, 在这种情况下, 线圈 . 中的电流 )(/0 超前于 / 相电压 5,-。 ! " *( , $) 线圈 . 产生的磁场使 6 形铁片磁化。被脉动磁场磁化的铁片处于幅值不变的 旋转磁场之中, 铁片上磁性的强弱受到旋转磁场和脉动磁场的共同作用。因此 可动铁片的停留位置是由磁场之间的作用来决定的。由于铁片本身具有惯性, 磁片不能时刻跟随旋转磁场不停地旋转, 两磁场共同作用的结果是使铁片保持 在磁场最强的位置上, 也就是停留在脉动磁场最大值与旋转磁场的轴线方向一 — #"! —
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图 ! " #$ 电磁式同步表相量图 ( %) 线圈 &# 和 &’ 中电流相量; ( () 线圈 ) 中电流相量; ( *) ( 0) +,- 滞后于 +.+ /; ++/超前于 +.+/
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致的位置上。当磁片处于这一位置之后, 旋转磁场仍继续旋转, 而移动位置脉动 磁场的磁性也同步的逐渐减弱, 使两磁极间吸力减弱, 且有拉动铁片旋转的 趋 势。但由于铁片的惯性, 还未来得及旋转时, 旋转磁场已转至接近 #1$2位置, 这 时两磁极间的作用是使铁片反转的趋势。这种交变的作用力使 3 形铁片不能旋 转, 只能停留在磁场最强的位置上。在完全同期时刻, 铁片及固定于同一转轴上 的指针, 将停留在某一固定位置不动, 此位置即为整步表的同期点, 对于已制成 的同步表, 其内部参数不变, 同期点是固定的。在表盘上, 同期点有明显的线条 标志。 ( ’) 待并发电机电压及频率与系统电压及频率相等, 但相位角不相等。即 4. 磁场比同步时刻提前 "角达到最大值。磁片为了占据磁场最强的位置, 与旋转 磁场轴线保持一致, 也随之带着指针偏离同期点并向 “慢” 的方向偏转一角度, 其 相量图如图 ! " #( 所示。 $ *) 同理, 若待并发电机电压超前于系统电压为"角 (见图 ! " #$) ( 0) , 则指针将 偏离同期点并向 “快” 方向偏转一角度。 应该指出, 如果待并发电机的频率与运行系统的频率长期保持绝对相等, 而 仅相位角不相等, 同步表指针总是停留在 “快” (或 “慢” ) 的某一位置, 就不可能实 现同期并网。 ( 8) 待并发电机的电压与运行系统电压相等, 而频率持续不相等, 即 +9: 5 旋转磁场不 +.9: , 4! 4.。在这种情况, 3 形铁片被脉动磁场交变磁化一次的时刻, 是恰好转一周, 指针也就不可能停留在一个固定的位置上。若 4 ; 4., 则脉动磁 — #"! — 则脉动 5 4, +.+/ 5 ++/, 6! 7 。若待并发电机电压滞后于运行系统电压为 "角, ! !

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场交变一次时旋转磁场已转过一圈多, 力图与旋转 ! 形铁片在磁化最强的瞬间, 磁场轴线重合, 必须带着指针偏离原来相遇位置, 向 “快” 方向偏一角度。等到下 一周期, 磁片又要在上次位置的基础上, 再向 “快” 的方向偏一角度。这个过程是 连续的, 人们只能从表盘上看到指针向 “快” 的方向不停的旋转。同理, 若 " # "$, 则指针就向 “慢” 的方向旋转。当频率差相差相当微小时, 同步表指针旋转得非 常慢, 当指针转至同期点时, 可实现难同期并网。但当频率差较大时, 由于表外 可动部分的机械惯性, 指针不再旋转而是不停地摆动。如果频差太大, 指针则不 动。所以对电磁式同步表, 只有当频差小于 % & ’(! 时, 才允许将同步表投入电路 使用。

二、 组合式同步表
发电厂广泛采用的 )! * +% 型组合式同步表, 有三相式和单相式两种, 三相 式同步表外形及内部电路如图 , * ++ 及图 , * +- 所示。该同步表由频率差表、 电压差表和同步表三部分组成。

图 , * ++ )! * +% 型组合式同步表外形布置图 ( .) 正面布置图; ( /) 背面接线端子图

频率差表 ( 01) 的表头为双向指示的电磁式微安表。利用稳压管 23+ 别将 输入的正弦电压波削波后形成方波电压, 再由电容 4+ 和电阻 5+ 组成微分电路 和整流电路将交流电压转换成与电路频率成正比的直流电流。 4- 为滤波电容。 待并发电机侧的电流与系统侧的电流反方向流经 01 表头线圈。当待并发电机 与运行系统的频率相同时, 两电流大小相等, 方向相反, 01 表头线圈内电流为 零, 表针指示在中间的零位置。因电容器的容抗与频率成反比, 所以当待并发电 机频率大于系统频率时, 电容器 4( 的容抗值小于 4+ ( 右侧) 的容抗值, 经 + 左侧) 整流管 26( 流入 01 表头线圈的电流大于经整流管 26( 流入 01 表 + 左侧) + 右侧) 头的电流, 则指针向正方向偏移。反之则指针向反方向偏转。 — "!! —

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图 ! " #$ %& " #’ 型组合式三相同步表内部接线图

电压差表 () 的测量机构也是双向指示的电磁式微安表。由整流管 )*+ 分 别将待并发电机和运行系统的交流电压整流后反极性流入电压差表头线圈, 若 两侧电压根等, 则整流后的电流也相等, 表头线圈内电流为零, 表针指示在零位 置。当待并发电机电压大于系统电压时, 指针向正方向偏转, 反之向 反 方 向 偏 转。 同步表 (, 的工作原理与前述 #-# " , 型同步表基本相同。 组合式同步表准 确度高, 体积小, 但不能指示同期点两 侧 频 率 和 电 压 的 数 值。 若同期系统未装设切换开关 #,.,/ [见图 ! " $ ( 0) ] , 应将同步表的端子 12 与 13’ 。相连接, 见图 + " ## ( 4) 。这种情况下, 同期操作过程 )2 与 )3’ 相连接, 中不分粗调与细调。 所不同的只 %& " #’ 型单相式同步表的工作原理与三相式同步表基本相同, 是同步表采用单相同期电压, 使同期电压回路接线简化。使用时只需从同期点 两侧引来单相同期电压即可。 单相式同步表内部接线如图 ! " #5 所示。表计的内部结构与三相式同步表 相同, 只是在外电路利用电容、 电阻裂相法将单相电压裂相成两个相位差为 6’7 的电流分别送入 8#、 8$ 线圈。

三、 同步检查继电器
为了保证同期点在满足准同期条件时合闸, 在同期系统中装设有同步检查 — #"! —

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图 ! " #$ 单相式同步表内部接线图

继电器 %&’, 以便在不满足同期条件时闭锁合闸回路。其作用主要是防止同期 点两侧电压根位差过大时合闸。 同步检查继电器的构造与一般电磁式电压继电器相同。它的两个线圈 (见 图 ! " #() 参数相同, 分别接在系统电压 )*+, 和待并发电机电压 )+, 上, 但它们的 接线极性相反。当加入同期电压时, 每个线圈中产生一个磁通, 而合成磁通 !为 此二磁通之和, 其大小与两线圈所受电压之差成正比。因为在准同期操作过程 中两电压数值基 本 相 等, 电 压 差 ! ) 的 大 小 主 要 与 它 们 之 间 的 相 位 差 "有 关。 又因为在准同期操作过程中两电压的频率不可能长时间的保持相等, 即两个电 压根量实为相对旋转。设 )*+, 为不动, 而 )+, 以角速度 !# 。旋转, 故 "角在不断 改变。当 "- #./0时, 方向相反。在回路接线 ! ) 最大。此时两电压大小相等, 中, 由于两线圈是反极性连接输入电压的, 所以此时两线圈产生的磁通方向一 致, 数值相加, 合成磁通最大。同理当 "- /0时, 合成磁通为零。 !) - /, 设 )*+, - - )+, 则有
· ·

图 ! " #(

同期检查继电器示意图

( 1) 内部结构及接线图; ( 2) 电压相量图

" 3 电磁式同步检查继电器的转矩与其铁芯中的合成磁通的平方成正比。当磁 · 456 !) - 3)+, — #"! —

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通为零时, 由于反作用弹簧的作用, 舌片落下, 动断触点闭合。当磁通增加并超 过整定值时, 舌片两端被吸至铁芯磁极, 动断触点断开。利用继电器的刻度盘把 手, 可调节继电器反作用弹簧的拉力, 就可以将继电器整定在一定的角度 !时起 动或返回。 同步检查继电 器 构 成 的 闭 锁 回 路 如 图 ! " # ( $) 所 示。在 同 期 合 闸 小 母 线 串入了同步检查继电器 )’* 的动断触点, 当同期点两侧电 %&’( 与 #&’( 之间, 压的相位差大于整定值时, 该继电器动作, 其动断触点断开, 切断合闸回路, 以免 发生非同期合闸。 同步检查继电器 )’* 的触点由转换开关 %’+’( 控 制。只 有 在 %’+’( 置 于 “细调” 位置 时, 同 期 合 闸 回 路 才 能 经 过 %’+’( 的 触 点 #, " ! 接 通 合 闸 小 母 线 %&’(。 在 )’- 闭锁回路中, 它 )’- 的触点两端并联着转换开关 ’+. 的触点 % " /, 是为了在特殊情况下解除闭锁作用而设置的。例如, 在系统侧无电压的情况下, 需要同期点断路器合闸向母线及馈电线路送电, 就需要利用 ’+. 的切换将 )’的触点短接。

四、 自动准同期装置
自动准同期装置的作用是代替准同期并列过程中的手动操作, 以实现迅速、 准确的准同期并列。因在有关教科书中对自动准同期装置的原理已有详细的说 明, 这里仅以 001 " , 型自动准同期装置为例介绍其有关的二次回路。 它具有两种 001 " , 型自动准同期装置是功能较为齐全的自动准同期装置, 功能: 并在此二量满 " 自动检查待并发电机与运行系统之间的电压差及频率差, 足难同期合闸条件时, 自动提前发出合闸脉冲, 使同期点断路器主触头在两侧电 压相位差为零的瞬间闭合; 对待并发电机进行调压 # 当电压差和频率差过大时, 或调频, 以加快并列过程。 调频部分、 调压部分组成, 如图 ! " 001 " , 型自动准同期装置由合闸部分、 只需合上 #’+’( 开关, 则同期并列过程可自动完成。 %, 所示。当使用该装置时, 在 #’+’( 投入瞬间, 由于装置内部电容元件充电, 可能引起出口合闸继电 器 %)( 误抖动, 从而导致错误发出合闸命令。为防止发生这种现象, 电源投入 无需外加直流 时, 装置 自动闭锁 #2 后开始工作。装置内部设置有整流电源设备, — #"! —

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操作电

— #"! —

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源。

图 ! " #$ %%& " $ 型自动准同期装置接线示意图

在合闸部分, 首先将发电机电压 ’( 和运行系统电压 ’) 变换成方波并形成 三角波形的线性整步电压 ’* , 然后进行鉴别: 当频率差和电压差均小于整定值 时, 以提前时间 +,-起动出口中间继电器 #./, 其触点起动外电路合闸继电器 ./0 并发出合闸脉冲 [参见图 ! " ( ] 。 1 2) 合闭闭锁由逻辑回路实现, 而电压差闭锁量 ! ’ 由调压部分引入。 调频部 分的作用是自动鉴别发电机的频率和系统的频率, 并向待并发电机 发出调速脉 冲, 使 待 并 发 电 机 的 频 率 接 近 系 统 频 率。调 速 脉 冲 由 出 口 继 电 器 1./、 3./ 的触点传递至待并发电机的调速器。为了使待并发电机的频率迅速 接近系统频率, 同时又不发生过调现象, 该自动装置能按比例调节。当频差 !, 值较大时, 单位时间内送出的调节脉冲数较多, 随着 ! 单位时间内送 , 逐渐减小, 出的调节脉冲数逐渐减少。同时为了适应各种不同性能的调速器, 调速脉冲的 — #"! —

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宽度可进行人工手动调节整定。 考虑到当同期点两侧频率长期保持相等时 ( ! ! " #) , 如果电压相位角相差 较大, 发电机将没有机会实施并列。为此, 该装置调频部分每隔一定时间自动发 出一调节脉冲, 以打破并列过程中的静止僵局, 使发电机能顺利并网。 调压部分的输入量, 为待并发电机的两回路同期电压 $% 和系统侧两回路同 期电压 $& , 将各路输入电压整流后进行绝对值比较得到两组直流量: 一组为 $% 另一组为 $& ’ $% , 再将此两组直流量送至逻辑回路进行检测。 调压部分的 ’ $& ; 作用是比较发电机电压与系统电压的高低, 并自动发出调节脉 冲, 使发电机电压接近系统电压。同时, 在电压差小于整定值时, 向合闸部分送 出解除电压差闭锁的信号。为适应不同调压特性的发电机励磁调节器, 调压部 分发出的调压脉冲宽度是可调整的。调压脉冲经出口中间继电器 ()*、 +)* 分 别起动外电路 中 间 继 电 器 ,)*-、 并将调压信号传递至发电机的励磁装 ()*-, 置。 在调压部分的出口继电器 ()*、 .)* 线圈回路中分别串入 .)* 和 ()* 的动 断触点, 是为了防止同时发出 “升压” 和 “降压” 脉冲。在调频部分的出口继电器 同样也是为了防止同 /)*、 ,)* 线圈回路中也分别串入 ,)* 和 /)* 的动断触点, 时发出 “增速” 和 “减速” 脉冲。当合闸部分发出合闸脉冲时, 其 0)* 动作的同时, 动断触点切断了调频、 调压部分出口中间继电器的线圈电源, 防止发出调频和调 压脉冲。 在 112 ’ . 装置的面板上有 3 只信号灯 450、 45/、 45,、 45(、 45.、 453。前 五只信号灯分别显示合闸、 增速、 减速、 升压、 降压、 各调节脉冲发出的时刻, 而信 号灯 453 显示同期点两侧电压的相位差。 453 接在反极性串联的 6*70 与 6*8/ 二 次绕组回路中, 当发电机电压与系统电压同相位时, 而两电压相位差 453 熄灭, 09#:时, 453 最亮。

第五节

小型发电机同期系统

本节所指的小型发电机, 是指单机容量为 0###;< 以下的发电机 组。这 种 发电机的同规系统一般只装设手动同期装置, 同期回路比较简单。图 3 ’ 03 为 — #"! —

第六章

同期系统

额定电压 !"#$ 的小型发电机的同期系统一例。手动准同期的操作顺序与大、 中 型发电机的准期操作方法原则相同: 首先合上切换开关 %&’&(, 观察电压表 )$*, 检查母线电压正常; 同期点断路器 +, 在断开位置; 然后将发电机起动升速至额 定转速; 投入发电机的励磁系统并调节励磁电流合上切换开关 !&’&(, 观察电压 表 )$-, 使发电机的定于出线电压升至额定值; 合上同期开关 &’& 及 .&’&(, 使 同期回路接入两侧电压; 观察发电机 和 系 统 的 电 压 表, 频 率 表 )$- 、 ),- 和 )$*、 调节发电机 的 励 磁 电 流 和 原 动 机 力 矩, 使 发 电 机 的 电 压、 频率与系统的电 ),* , 压、 频率基本相等, 使同步表 )& 表指针慢速顺时针旋转, 同步指示灯 /01、 /0.、 指示灯 /0% 同 /0! 也按顺时针方向缓慢旋转闪亮。当 )& 表指针接近同步点时, 时熄灭, 同步检查继电器 2&3 动断触点闭合, 中间继电器 2( 动作, 迅速按下合 闸按钮 &4(, 则 +, 合闸, 发电机并入运行系统。 +, 合闸后, 断开 &’& 及 .’&(, 切断同期电压回路及合闸电源回路。 如果发电机定子输出为高电压 (如 56$) , 则同期系统的交流电压回路 应接 入电压互感器的二次回路。同期点两侧电压互感器的接线方式应相同, 且回路 接线无误。 以图 7 8 %5 所示的小型发电 机 同 期 系 统 与 大 中 型 发 电 机 的 手 动 同 期 系 统 (见图 7 8 .) 比较有以下两点不同。

图 7 8 %5

小型发电机同期系统示意图

— #"! —

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! " 装设同步指示灯作为检查同期合闸的辅助设备 同步指示灯的接线可参见图 # $ !%。 ” 第一只灯 &’! 两端连接于同期点两侧 同名相电压回路, 而第二、 三只灯 &’(、 &’) 交叉连接于同期点两侧另两相电压
·

回路。同期点两侧的电压可用相序相同的两组星形相量表示 (见图 # $ !*) , 两 组相量的中 性 点 相 重 合。在 并 网 之 前, 若 两 侧 频 率 不 相 同, 设 系 统 电 压 ++·,、
·

则发电机的电压相量应在旋转。这样在同一时刻三只指示 +-·, 、 +. · , 静止不动, 灯燃亮的程度必定不 同, 且每只灯的亮度都随时间而变化, 总体表现为灯光 旋 转。如果发电机的频率大于系统频率, 指示灯燃亮的顺序为顺时针旋转; 如果发 电机的频率小于系统频率则指示灯燃亮的顺序为逆时针旋 转。当然, 改变指示 灯的排列顺序, 则燃亮的旋转方向与上述相反。第一只指示灯熄灭表示为同期 时刻, 这与同步表 /, 表的指示是一致的。在同步表发生故障的情况下, 仍可利 用同步指示灯进行同期合闸操作。

·

图 # $ !*

同步指示灯布置图及电压相量图

二、 装设无电压检查继电器 (0-) , 可实现向无 电压系统 (馈电线路) 送电
在某种特殊情况下, 如果系统侧无电源, 欲合闸发电机出口断路器 12 向输 电线路送电, 其操作过程与前述相同。当合上同期开关 ,3, 后, 因母线 (系统) 侧 无电源电压, 同步检查继电器 0,4 的一个线圈有输入电压, 另一个线圈无输入 电压, 其动断触点断开中间继电器 05 的线圈电源回路。但在这种情况下低电 压继电器 0- 的动断触点闭合, 又短接了 0,4 的动断触点, 中间继电器 05 动作, 使合闸电源接通, 可操作断路器合闸。 — !"! —

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这种接线方式的另一优点是可防止误操作。好当系统侧有电源电压时, 合 上 !"! 之后, 其动断触点断开, 可防止非同期合闸, 同时保证 #$ 处于动作状态, 按准同期程序操作合闸。

— #"! —


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