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1、走出变电站同期和重合闸的设计误区叶念国（深圳市智能设备开发有限公司 518033）摘要 我国变电站的同期和重合闸设计长期陷于一个熟悉误区中，数十年来一个个变电站都按陈腐的“检同期”概念设计同期和重合闸接线，虽然由此引发的事故和无奈一直困扰着运行人员，但人们却丝毫没感受到有任何改良的迹象，乃至一个个的新型微机保护和自动装置还在继承这种陈腐的概念，不自觉地制造事端和加深人们的无奈。本文将剖析这一误区的表现形式及本源，并提出相应的对策。关键词 检同期 同期闭锁 差频并网 合环1 并网操作的两种形式并网、同期、同步、并列等是一个同一含义的辞汇，即通过断路器将两个电源进行互联的操作。但是至今还有很多人将
2、其仅仅理解为是将两个独立的电源进行联接的操作，例如将一台发电机并入电网，或将两解列的系统通过联络线进行并列。事实上人们轻忽了当前复杂的电力系统中更为常见的另一种并网形式，即环型网络开环点的合环操作，它也是通过断路器将其双侧的电源联接起来，这就是并网操作的另一种形式。咱们能够将前一形式称为差频并网，即并网前断路器双侧存在频率差。将后一形式称为同频并网，即并网前断路器双侧的频率相同。正是人们忽略了同频并网这一普遍存在的并网操作形式，致使长期没有制造厂家研制和生产既能差频并网又能同频并网的自动同期装置，进而致使全国100%的变电站不能实现输电线路的自动同期，和双端电源的自动重合闸屡屡失败。因为当前电
3、力系统的网络结构愈来愈复杂，几乎能够说所有线路都存在同频并网的问题。显然，这是无法实现变电站真正无人值班的重要原因，也是阻滞变电站提高自动化水平的重大障碍。2 两种并网形式的特征 差频并网的特征 差频并网线路及相量图并网前同期点断路器双侧是两个独立的电源,如图中如在联络线L的断路器2DL进行并网操作,其双侧的电源电压U1、U2在并网前因存在频率差f=f1-f2，因此，U1及U2之间的相角差不断在0-3600间转变。如以U1为参考轴，则U2将以角频率s=2f相对U1旋转，最理想的并网机会应发生在f=f1-f2及U=U1-U2小于给定值时的=00处。过大的f、U及将致使并网时产生不能容忍的有功和无
4、功冲击。由于在变电站进行并网操作，运行人员无法控制f和U，因这必需借助调度员的调度解决，在变电站唯一能做到的是限制并网时的相角差，运行人员能娴熟地捕捉到较小的时合闸。为防万一，在断路器合闸回路中串入了同期闭锁继电器TJJ的接点，该继电器的闭锁角定值传统的做法是200-300，具体接线如图所示。图 手动同期接线示用意在U1、U2的相角差超过TJJ定值时合闸回路将被断开，在线路进行充电时，即2DL母线侧有电压，而线路侧无电压时TJJ也将接点断开，为保证现在能合上断路器，可通过合上STK开关将TJJ接点短路即可。2不难看出，当断路器双侧频差较大时，TJJ继电器接点持续闭合时刻将变短，如图所示，当继电
5、器闭锁角定值为时，其接点闭合的持续角度为2，而在频差为f时对应2相角差TJJ接点的持续闭合时刻为：22013600则tb= =秒例如: =200 f=1HZ（）f3600tb= 从式（）能够看出频差f越大，TJJ接点提供开通合闸回路的时刻越短，也就是说运行人员手动合闸成功的概率越低，当tb小于断路器最低保证合闸时刻时，合闸将不可能成功。据调查，目前国内很多110KV系统和220KV系统还存在为数很多的弱联络线，这些线路一旦停运或事故跳闸后将致使系统解列为两个系统，原来的受端系统因不堪重荷，频率将急剧下降，而原来的送端系统因供大于求而频率升高，现在要通过人工或当前流行的按传统“检同期”功能设计的
6、测控装置来恢复两解列系统的并列根本不可能，一样，传统的检同期重合闸也只能望洋兴叹，自动退出。例如广东省从化电力局温泉110KV变电站的110KV从温线，其一端始于省网的流溪河水电站，另一端则是一群负荷不能自给自足的小水电站，一旦线路跳闸（多为雷电所致）双侧系统当即解列，并快速出现专门大频差，据变电站操作人员反映，有时持续操作断路器合闸20余次都难以恢复供电。广西贺州电力公司的西湾110KV变电站也有如此的小水电群与大网联接的弱联络线。这一现实向人们提出如此的问题：差频并网时断路器合闸控制回路还需要TJJ吗？如需要又该如何整定其闭锁角呢？如安在大频差下能快速和精准地捕捉到并网机会？这两个问题留待
7、下面讨论。 同频并网的特征并网(合环)前开环点断路器双侧是同一个系统,如在图中的1DL处进行并网即属同频并网,开环点1DL的左侧电压U1和右边电压U2均为图 同频并网(合环)示意简单系统图PXd同一频率，但在其双侧有电压差和相角差，此相角差为由线路L2、L3、L4组成的等值线路的运行功率角，如等值线路的传输功率为P，电抗为XL，则E1（发电厂等值发电机的电势）和U2间的功角可由下式表述：-1E1U2=Sin （）式中Xd=Xd+XT+XL ，Xd、XT别离为发电机同步电抗及变压器电抗。 图 功角相量图从图功角相量图中可更具体的看到与线路传输的负荷电流I及电抗Xd有关，负荷电流越大，线路越长（即
8、XL大）则越大。如测量装置由母线电压互感器及线路电压互感器二次电压取样，则测得的将是，该值也一样反映负荷电流的大小，只不过其较真正意义的功角小。若是需要，完全能够由推算出值。当合上1DL时，相当于在原运行等值线路两头突然并联了一条线路L1，其直接致使的结果是分流了原运行线路的一部份负荷，改善了电压质量，提高了系统的稳固储蓄，这是同频并网的共性。新投入运行线路必然会减缓原运行线路的过负荷压力，但其分流的负荷应受以下条件制约：分得的负荷不能因过大而致使继电保护动作再次断开线路；分得的负荷不能因超过该线路的稳固极限，致使线路双侧电源失步而再次断开线路。之前面的分析可知，在合环点1DL进行合环操作前所
9、测得的已定量的含有合环后L1将要分得的负荷数值，这能够通过在该运行方式下的潮流计算获知。从定性的角度讲，越大，合环后新接入线路所分得的负荷也越大。这一分析不能不勾起人们提出如此的置疑：为何不论电压品级，不论运行方式，传统的检同期设计都在断路器合闸控制回路中串入一个定值为300的同期闭锁继电器的接点？在超过300时进行合环操作必然会诱发灾难吗？这两个问题也留待下面讨论。3 剖析对传统检同期熟悉误区的由来和后果 模糊了差频并网和同频并网的本质不同如前述，差频并网的主要特征是并网前同期点双侧因存在频率差而出现不断转变的相角差，这说明完全有可能而且也必需做到在相角差为00时并网，因两个独立的电源在相角
10、差较大时进行并网会给发电机组带来致命的伤害。在电力系统形成初期系统结构单薄，常常会碰着一条联络线断开后就致使系统解列的情形，联络线再投运也多为差频并网方式，利用TJJ接点来闭锁断路器合闸回路的办法是正确的，正像发电机通过机端断路器或发变组高压断路器进行差频并网时至今还在利用TJJ是正确的一样。可是同频并网时在合环点断路器双侧是注定要出现相角差的，这就是功角，除非那时另半环运行线路的负荷为零。功角与线路传输功率P是正弦函数关系，因此其取值随着P的增加在00-900范围内。不知是不是人们长期认定并网（实际上是差频并网）时同期点双侧不能有相角差已形成惯性，就不自觉地将此规则移植到了同频并网中去，把图
11、的同期接线照搬到同频并网的断路器合闸回路中，而且TJJ继电器的300定值也依样画葫芦，这是个贻害无穷的继承。第一人们似乎忘却了进行合环操作的目的是要投入一条线路以分担正在运行线路的负荷，以达到增加负荷输送能力、改善电压质量、提高稳固储蓄等目的。忘却了新线路一旦投入就会当即带上负荷的现实，错误地将新分得的潮流视为要避开的冲击。于是在我国电力系统中不论线路电压品级，一概在断路器合闸回路中串入定值为300的同期闭锁继电器接点，连那些微机型的继电保护装置，线路测控装置也都原封不动的移植了那个自己都不明究里的300。事实上同频并网引发的“冲击”是潮流从头分派的表现，它和差频并网因存在相角差引发的冲击有本
12、质上的不同。前者是人们操作前期望的结局，后者则是人们力求要规避的后果。 “检同期”给同频并网可能带来的恶果 剥夺了停运线路的大量投运机缘300的同期合闸闭锁角是长期莫明其妙继承下来的数据,谁都说不清楚其依据是什么,事实上那个闭锁角的定值应来源于潮流计算的结果,即在开环点测量到的值所对应的合环后潮流值不该引发投入线路的再次跳闸。能够说每次合环操作的结果都会改善系统运行工况，从稳固的角度看，如是在=300时投入新的线路，必将使原运行线路的功角向小于300的方向转变，即稳固储蓄更大。所以说把闭锁角死死定在300上将白白失去很多投运的机缘。 制造扰动或事故由于闭锁角定为300在系统运行中是一个很容易冲
13、破的门坎,如此一来新线路将会因TJJ断开了合闸回路而无法投运,但有些情形,例如其他线路已不堪重负、电压质量低下或是稳固储蓄不足等原因，必需当即投入新线路。于是这就不能不动用图中的STK开关来退出TJJ接点的闭锁，然后手动强行合闸。显然，现在的操作人员只明白300 ,但究竟是多少度并非清楚，若是在专门大的时强行合闸就可能诱发因过负荷或失步而再次使线路跳闸，对系统造成没必要要的扰动，乃至酿成事故。 300的“检同期”给差频并网可能带来的恶果 对系统造成没必要要的冲击目前的技术完全能够实现快速且精准的差频并网或重合闸，没有必要制造300或更大角度的冲击，这对系统中的发电机缘造成伤害，并波及其他设备。
14、 加大并网难度通过联络线将两系统实现差频并网的成功率与频差有紧密关系，当频差专门大时由TJJ接点提供的合闸回路接通时刻tb超级短，使重合闸或手动合闸成为不可能，而恰恰在一个不能自给自足的小系统和大系统解列后频差会超级大，这种情形下仅靠这300的检同期是完全无法实现再并列的。4 走出误区的对策 忘掉那个不明究里的300 “检同期”紧箍咒既然说不清300的前因后果，就别再继承，就别再沿用，就别再把它视为清规诫律。 各级调度把潮流计算的触角延伸到同频并网和重合闸的领域中事实上各级调度运行方式部门的潮流计算早已完成了网络有关节点在不同运行方式下合环操作后潮流预测值的求解。只需再往前跨出一小步，计算出与
15、潮流预测值对应的，及基于允许负荷极限所对应的允许功角max值。显然向用户下达max是可行的，因在变电站能够在开环点测量到值。为了便于适应不同运行方式的要求，能够向各变电所下达各类运行方式计算出的各个max值中的最小值。这一方式也适用于发电厂的线路。 更新继电保护和自动装置的设计，淘汰不称职的二次设备用电磁型同期闭锁继电器来闭锁断路器合闸回路的同期接线几乎遍及全国发电厂和变电站，其危害性不言而喻。而最近几年推出的一些微机型测控装置以其集测量、保护、控制于一体的特点受到了变电站综合自动化设计师的青睐，正因其独到的先进性，使其顺便的传统检同期功能也打上了新技术的标签，使一些设计师和用户误以为线路自动
16、同期的问题从此就迎刃而解了，于是继电磁型TJJ继电器以后，这种测控装置的检同期又大行其道。却不知这种微机检同期和电磁型TJJ的检同期毫无不同，一样是需要淘汰的。基于前面的分析，线路的自动同期必需能自动适应两种形式的同期方式，并具有快速、精准的特质和具有向上级调度自动发送并网进程工况遥信信号的功能，将这些功能附加到测控装置中必将致使装置的CPU开销不堪重负，实时性恶化。因此，在变电站利用带自动选线的同期装置实现全数线路的集中同期是合理的，因同期装置的利用概率比全天候工作的保护装置和测控装置低得多，如按每条线路单独配置同期装置既不合理，又使硬件投资大幅增加。按散布式控制方式设计的测控装置仍是自动化
17、的重要部件，只是应删除其粗糙的检同期功能。目前已在一些发电厂和变电所利用了能自动识别同频并网和差频并网的线路同期装置，这种同期装置设计为多条线路所共用，通过自动同期选线器在上位机的控制下自动进行同期点的切换，每一个同期点具有独立的整定参数组，其中包括允许功角的定值。例如深圳市智能设备开发有限公司研制的SID-2CT型和SID-2HT线路同期装置别离可为12条或8条线路共用，与其配套的SID-2X型自动同期选线器实现同期点在上位机控制下的自动切换。这些装置还给予了重合闸功能，这对于两系统联络线进行差频并网有重要意义，其特点是能确保捕捉到第一次出现的并网机会，其允许频差整定范围为0-5HZ，允许压
18、差整定范围为0-40%Ue，使在较恶劣的情形下也能实现精准的准同期并网。5 应用实例 广西溯水500KV变电站广西溯水500KV变电站是一个顺应电力企业体制改革形势而设计的新建变电站，与之相距约900米的新合山电厂2台300MW机组的同期装置和变电站220KV及500KV出线的同期装置都安装在变电站，主接线为发-变线组方式。如图：广西合山溯河500KV变电所主接线图全站共有同期点17个，与新合山电厂#一、#2发电机相关的同期点别离由两台SID-2CM型发电机线路复用同期装置控制，这些同期点既可能出现差频并网方式，还有可能出现同频并网方式，而且在进行差频并网时还有自动调节发电机频率和电压的需求。
19、由于每台同期装置都控制不只一个同期点的断路器，因此各配有一台SID-2X型同期自动选线器。剩余的220KV及500KV的11个同期点断路器由一台配有自动选线器的SID-2CT型输电线同期装置控制。全站的同期装置及选线器都别离受控于新合山电厂的DCS和变电站的自动监控上位机。线路同期装置的“频差越限”、“压差越限”、“功角越限”、“差频并网时同频”的遥信信号经由SCADA系统送往上级调度局，以便调度员及时创造线路并网条件。 甘肃嘉峪关大庄子110KV变电站大庄子110KV变电站是我国卫星发射基地的供电变电站，进线电源多，且5个同期点都有同频并网问题。为确保供电的靠得住性，配置了一面SID-2LA
20、型自动同期屏，屏内选用了一台SID-2CT型输电线路微机同期装置，装置最多可纳入12个同期点，目前仅纳入变电站新扩容线路的5个同期点，随后将慢慢纳入其他同期点。 广东从化温泉110KV变电站温泉110KV变电站配置主变二台、110KV出线4条、同期点7个，其中110KV从温线是广东省网与温泉小水电群的唯一联络线、线路跨越雷电活动频繁的山区，雷雨季节时几回因雷击跳闸。由于小水电群的容量较本地负荷有较大功率缺口，因此，联络线因雷击跳闸致使系统解列后，双侧频差急速增大，传统的检同期重合闸及手动检同期控制根本无法实现联络线的安全并网。为此，配置了一台具有自动同期和自动重合闸复用功能的SID-2CT型输
21、电线路微机同期装置，在需要对线路或主变进行同期操作时，调度通过遥控选择同期装置为“同期”工作方式。实施对选定线路的同期操作，装置将自动识别并网性质，进而采取差频或同频并网方式自动完成并网操作，操作完成后遥控同期装置退出“同期”工作方式，并自动转换为从温线的24小时全天候“重合闸”方式。一旦线路跳闸，同期装置将以其绝不放过第一次并网机会的特性，迅速在同期点频差还未过度增大时完成并网操作，恢复联络线运行。如在“充电时刻”内线路再次跳闸，装置将拒绝二次重合闸。为了适应系统解列后频差及压差急剧增大的特点，同期装置提供了较大的允许频差及允许压差整定范围。6 结束语变电所的线路同期和自动重合闸直接关系到系
22、统运行的安全，不能再继承几十年前小型电力系统的粗糙检同期方式了，必需引入具有精准及快速运算功能的微机自动同期装置。由于同期操作利用频度低，采取多同期点共用一台同期装置是合理的。眼下测控装置的检同期功能无异于电磁型同期闭锁继电器，应改由同期装置实施同期操作。归纳起来讲，“检同期”概念的原意是给差频并网设置一条相角差警戒线，以限制过大的冲击。但此警戒线被原封不动、不计后果地移植到合环操作上，以“自动”同期的面目造成人们的误解，进而致使长期无人去解决：警戒线水平如何设置的问题？在警戒水平以下时如何保证并网必然成功的问题？此刻应该是解决这些问题的时候了！ 叶念国（1935- ） 男 教授、董事长、研究方向为电力系统自动化、自动装置、电力遥视警戒系统等。 TEL:（0755） E-mail 走出变电站同期和重合闸的设计误区深圳市政府科技顾问武汉大学电气工程学院兼职教授 叶念国深圳市智能设备开发有限公司董事长深圳市智能设备开发有限公司
