之 发电机同期并列原理详解.docx

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之发电机同期并列原理详解

之发电机同期并列原理详解

第六章同期系统

将一XX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XX。

（!

）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：

!

合闸迅速，自同期一般只需要几分钟就能完成，在系统

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；"操作简便，易于实现操作自动化。

因为在发电机未加励磁电流时合闸并XX，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，必定会产生冲击电流，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。

在采纳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

+!

8+8

+

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XX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-./（3!

.45"6.）

待并发电机电压瞬时值为

-7/（3!

745"67）

式中、071—系统电压、发电机电压幅值；"6.、"

67—系统电压、发电机电压的初相角；!

.、!

7—系统电压、

发电机电压的电角速度。

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/071/01，初相角均为零，即!

6./!

67/"9，!

8/!

.&!

7，

则有-8/-.&-7/（3!

.45"6.）&（3!

745"67）

/!

.4&!

74

:

57

/+!

4,6.!

（!

.5!

7）4/081

6.!

!

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!

（!

.5!

7

）、幅值为+!

4作正弦变化的电压。

+滑差电压幅值的变化规律为

-

!

*

图!

"#发电机并列示意图

（

$

）主（%

）

&

’、&（

（））滑差电压&*波形

&*+,-.+’/0#

1

由于在并XX之前系统频率与待并发电机频率不相等.’与.（之间的相角差

",!

*1随时间1而变化。

"以23-#为周期而变化，&*的幅值也由小到大随之变化。

当",2时，&*,2；当",#时，滑差电压达最大值&*+,-.+。

"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2783279’，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XX，必须同时满足准同期四项条件。

—!

"!

—

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XX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*!

点］，才能实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XX。

从图%&’不难看出，正是由于待并发电机转速不稳定，才能给同期并列制造条件。

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XX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，’.0为发电机同期点，欲将发电机用分散式手动准同期方法实现并XX，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同意发电机并XX。

然后按下列步骤操作并XX。

（!

）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，!

母线电压互感器（!

&’）之（相电压经!

$%$触点）

*!

!

送至同期小母线+,$（；发电机端电压互感器（&’）之（相电压经!

$%$触点!

-*!

.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；4’"、45"分别指示系统电压和频率。

由于!

$%$0触点!

-*!

1触点断开，所以在“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*".、!

-

*!

1接通。

此时同步表4$表开始旋转，同期检查继电器6$7两线圈分别接入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的操纵开关!

$%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，6$7动断触点闭合，迅速将!

$%0转至“合闸”位置并保持约"$，再放开手柄，使其自动复位，其触点.*3接通，若"$后又断开，!

#5会闭后，其红色位置指示灯稳亮。

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XX后可马上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XX后，将!

$%$、!

$%$0转至“退出”位置。

至此，手动同期装置退

出，并XX操作结束。

—"!

!

—

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XX。

图

!

"

#

$#%&’$（0,,*）型

位置

触点

$"

退投

%*,-

+*,-

.*/-

）*/-

1*%&-

%%*%&-

%+*%（-

%.*%（-

%）*%0-

%）*,&-

%*,,-

+*,（-

.*,/-

）*,0%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%!

"#"$触点表,"#"$触点表$#%&’$（）（）*）型

位置

触点

!

"#

粗退细

%*+%*,-

*（+*（-

.*）.*/-

/*0）*0-

1*%%1*%&-

%&*%,%%*%,-

%+*%.%+*%（-

%（*%/%.*%/-

%）*%1%）*%0-

%0*,&%1*,&-

%*,+,%*,,-

,*,（,+*,（-

.*,）,.*,/-

/*,0,）*,0-

图/*（,

图/*,#同期系统图

（2）同期点断路器操纵合闸回路

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同意手动操作同期点开关%"#$合闸。

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"#$#%投向“细调”位置，"#$%保持在“跳闸后”位置。

（、!

的电压与发电机=的端电压是同期的，同期电压可选用"12

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$%"即+即+’）

直接引至同期装置，将不可能实现准同期并列。

因为当前现场采纳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，推断为同期点同期、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（接线。

-的一次侧连接于,*的二次侧，而见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

·

·

直接引至同期小母线/01+%、/*23。

其电压$+%&与!

母线电压$%&!

同相位（见图!

"<）。

由于电力变压器,采纳5，677接线，在同期点两侧同期状态下，发·

电机端电压$%&超前于高压母线电压$%&!

4（8。

发电机出口电压互感器,*之

·

·

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·

·

#）$%

同

（#$%与下*+下端的电压同步，#）$%与!

母线电压同步）

，使得同期电压的相位分别与同期点两侧的电压相位一致，同期装置能正确地推断同期点*+两侧的同期参数，实现同期系统正确工作。

图,-.同期系统电压回路

（二）·

·

#）$%—

-%..

-%..0，

即一次侧为额定电压时其二次星形侧线

!

/!

/电压为%..0，相电压为%..!

/0；而二次三角形侧电压为%..0。

当发电机—变压器组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

路经隔离变压器!

"#。

隔离变压器的变压比为$%%形铁片的轴套外面。

6经附加电阻7连·

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。

··

图01$（%4）中示出了6$和63的电流相量8$、83。

适当选择附加电阻，

使—!

"!

—

图

!

"

#电磁式同步表内部结构示意图

（%）顶视图

图!

"&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XX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。

/（

/01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

图!

"#$电磁式同步表相量图

（

%）

线

圈

4.，则脉动磁

场交变一次时旋转磁场已转过一圈多，!

形铁片在磁化最强的瞬间，力图与旋转磁场轴线重合，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XX。

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，才同意将同步表投入电路使用。

二、组合式同步表

发电厂广泛采纳的）!

*+%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（/）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（+左侧）的容抗值小于4+（右侧）的容抗值，经整流管26（+左侧）流入01表头线圈的电流大于经整流管26（+右侧）流入01表头的电流，则指针向正方向偏移。

反之则指针向反方向偏转。

—"!

!

—

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1

2

与13

’。

相连接，）

2

与）3

’

相连接，见图+"##（4）。

这种情况下，同期操作过程

中不分粗调与细调。

%&"#’型单相式同步表的工作原理与三相式同步表基本相同，所不同的只是同步表采纳单相同期电压，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

3

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，!

）最大。

此时两电压大小相等，方向相反。

在回路接线中，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

!

）-

3）+,·456"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

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

%&’（与#&’（之间，串入了同步检查继电器）’*的动断触点，当同期点两侧电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%’+’（操纵。

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，）’-的触点两端并联着转换开关’+.的触点%"/，它是为了在特别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。

001",型自动准同期装置是功能较为齐全的自动准同期装置，它具有两种功能：

"自动检查待并发电机与运行系统之间的电压差及频率差，并在此二量满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；#当电压差和频率差过大时，对待并发电机进行调压或调频，以加快并列过程。

001",型自动准同期装置由合闸部分、