（电力系统及其自动化专业论文）抽水蓄能电站发电机注入式定子接地保护的研究.pdf

a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o nh a se n t e r e dan e wp e r i o do ff a s td e v e l o p m e n ti n r e c e n ty e a r s i tp l a y so ni m p o r t a n tr o l ei np o w e rn e t w o r kb e c a u s eo f t h ee f f e c to f p e a k c l i p p i n ga n dv a l l e y f i l l i n g , f r e q u e n c ym o d u l a t i o n , p h a s em o d u l a t i o n , l o a da d j u s t i n ga n ds p i n n i n gr e s e r v e , w h i c hi m p r o v et h e f l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f p o w e rn e t w o r ko p e r a t i o n t h eg r e e ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t sp r o d u c e db y p u m p e ds t o r a g ep l a n t sh a v eb e e nr e c o g n i z e db ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e s a tp r e s e n t , p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o nw i t hs t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ( s f c ) f o rs t a r t - u pi s w i d e l yu s e di nm o s tc o u n t r i e s a t i e rt h eg e n e r a t o rs t a f t s t h ee x c i t a t i o ni sa d d e do nt h er o t o ri no r d e rt o d e t e c tt h ei n i t i a lp o s i t i o no fr o t o r , s ot h ec u r r e n ta n dv o l t a g ef r e q u e n c yo ft h es t a t o ra l ei n c r e a s i n gf r o m 0 h zt o5 0 h zs l o w l yi nt h es t a r t - u p f o rt h i sr e a s o n ，s o m ec o u n t r i e sb l o c kg r o u n df a u l tp r o t e c t i o nd u r i n g s t a r t - u pi nw a t e rp u m pc o n d i t i o ni ne a s em a l - o p e r e t i o n ，t h e r e f o r e ，t h es t a t o rw i n d i n g sa l en o tp r o t e c t e d t h e s i a l 。u pi sf r e q u e n td u r i n go n ed a ya n dd u r a t i o ni sr a t h e rl o n g , t h eg e n e r a t o rw i l lb ed a m a g e di fg r o u n d f a u l to c c u r sa r o u n dt h en e u t r a lp o i n to f t h es t a i rw i n d i n g s i nt h i st h e s i s ，t h e2 0 h zp o w e ri n j e c t i o ns c h e m ef o rg r o u n df a u l t p r o t e c t i o no fp u m p e ds t o r a g e g e n e r a t o ra l ea n a l y z e d ，a n dt h em e t h o d se m p l o y e di ns t a r t i n gp u m p e ds t o r a g eu n i t si nt h ep u m p i n gm o d e a r ed i s c u s s e d f r o mt h ea n a l y s i s i ti sc o n c l u d e dt h a tt h es e n s i t i v i t yo fz e r os e q u e n c ev o l t a g ea n dt h i r d h a r m o n i cv o l t a g ec d t e d o n sa r ea f f e c t e da n dc o n v e n t i o n a l2 0 h z m j e c t i o nc o m p o n e n ti si n f l u e n c e db yt h e l o wf r e q u e n c yc o m p o n e n tw h e ng r o u n df a u l t st a k ep l a c ei nt h es u i t o rw i n d i n g sf o rs t a t i c f r e q u e n c y c o n v e r t e r ( s f c ) s t a r t - u pg e n e r a t o r t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e an o v e ls c h e m ei sp r o p o s e dt oi m p r o v e g r o u n d i n g - r e s i s t a n c e ( r ) c a l c u l a t i o na c c u r a c ya n do t h a n t a b i l i t yt ol i m i ti m p a c to f2 0 h zc o m p o n e n tf r o m g e n e r a t o r , a n dao a l t o wb a n dp a s sd i 百t a lf i l t e ri sd e s i g n e dt om i t i g a t ei n f l u e n c ef r o mt h el o wf r e q u e n c y c o m p o n e n to fm o t o r t h es c h e m ec a nd e t e c tt h es t a t o rg r o u n df a u l t sa f t e rc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e i n j e c t e dv o l t a g ef a u l ta n dt vb r e a k i n g - o f f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e di t se r i e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t y o f t h es c h e m e k e y w o r d ：p u m p e ds t o r a g e ；s u b h a r m o n i ei n j e c t i o n ；g r o u n df a u r ；s t a t o rg r o u n dp r o t e c t i o n ；p r o t e c t i n n s c h e m e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 醴弓7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：毕导师签名：攀日期： 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷的持续增长给电力系统调峰带 来了巨大压力。电力系统在高峰负荷时缺电，在低谷负荷时电力设备闲置停用，使调峰问题成为我 国电力系统运行的一大难题。解决这一问题的有效手段是利用抽水蓄能电站“削峰填谷”的功能， 在电力负荷出现低谷时做水泵运行，用基荷火电( 核电) 机组发出的多余电能将下水库的水抽到上水库 进行蓄能；在电力负荷出现高峰时做水轮机运行，将储存的水放下来发电，如图1 1 所示。这种独 特的功能可以解除大型火力发电机组低出力运行的困难，有效增强电力系统的调节能力。有助于提 高供电质量以及提高电力系统本身的经济性。除此之外，抽水蓄能电站和常规水力发电站一样。在 担当调峰、调频、事故备用、旋转备用等方面都有明显的功效，是满足电网安全经济运行的可靠电 源”1 。我国“十一五”规划纲要提出：“十一五”期间国内生产总值能耗降低2 0 左右，主要污染物 排放总茸减少1 0 。因此，大力发展抽水蓄能电站符合国家提出的“节能减排”的要求，对我国的 节能降耗和环保具有重大意义。 室7 0 0 0 l 4 0 0 0 星期日星期一星期二星期三星期四 星期五星期六 图1 1 电力系统负荷变化规律周负荷图 瑞士苏黎世的奈特拉电站建于1 8 8 2 年，是世界上第一座抽水蓄能电站，功率仅5 1 5 k w ，抽水扬 程1 5 3 m ，是一庠季节性抽水蓄能电站。到本世纪四十年代中期，世界上已有5 0 多鹰抽水蓄能电站投 入运行。早期的抽水蓄能电站以蓄水为主要目标，大多在汛期抽水，蓄存于上水库中，供枯水期发 电使用。本世纪5 0 年代开始，随着电网的发展，抽水蓄能电站以调峰和调频为主要任务，6 0 年代以 后，抽水蓄能电站有了飞快的发展。据1 9 9 9 年统计，全世界已建成的抽水蓄能电站有3 9 1 座，分布在 3 9 个国家和地区，装机容每共1 0 4 9 6 0 m w 。 抽水蓄能电站建设在我国起步较晚，1 9 6 8 年我国首个抽水蓄能电站河北岗南抽水蓄能电站 建成”1 ，其机组由日本制造，单机1 1 m w 。7 0 年代又有两台1 1 m w 抽水蓄能机组安装于京郊密云水电 站，当时对抽水蓄能电站在电网中的作用和它的经济效益认识不足，重视不够。因此前期工作进展 不快。上世纪8 0 年代起，才在华东和华北等东部经济发展较快、以火电为主的地区开工建设一批大 中型抽水蓄能电站，从而使2 0 世纪9 0 年代成为我国抽水蓄能电站建设的第一个高潮。见表1 1 近年 来，我国抽水蓄能电站建设取得了很大成绩，到2 0 0 5 年底，全国抽水蓄能电站投产规模达到6 2 4 5 万 东南大学硕士学位论文 千瓦，约占全国总发电装机容量的i 2 。目前，全国在建抽水蓄能电站1 2 座，在建规模为1 2 5 0 万千 瓦。根据行业发展规划，到2 0 1 0 年我国抽水蓄能电站装机将达到1 8 0 0 万千瓦。迄今为止，由于缺乏 技术和经验，我国抽水蓄能机组及其保护大多数由国外进口“1 ，成本较高，阻碍了抽水蓄能电站在 我国的发展。因此对蓄能电机进行研究，消化和吸收国外先进技术，使蓄能机组及辅助产品国产化 是十分必要的。 表1 1 我国已建成的部分抽水蓄能电站 装机容量 电站名称电站类型电压( c v )转速投运年份 ( 台数m w ) 岗南常篙结合 l l l 1 0 52 5 0 ，2 7 3 1 9 6 8 密云常蓄结合2 l l1 0 52 5 0 2 7 31 9 7 3 潘家口常蓄结合3 7 01 3 81 2 5 ，1 4 2 8 6 1 9 9 1 广蔷一期 纯蔷能4 x3 0 01 85 0 01 9 9 3 卜三陵纯蔷能 4 x 2 0 01 3 85 0 01 9 9 5 响洪甸常莆结合2 4 01 0 5 1 5 01 9 9 9 天荒坪 纯蓄能6 3 0 01 85 0 01 9 9 8 广蓄二期纯蓄能 4 x3 0 01 85 0 01 9 9 9 早期发电机保护采用电磁型和集成型继电保护装置，例如岗南电厂抽水蓄能机组。该机组及其 二次保护设备均由日本富士公司提供。保护采用分立式电磁型继电器。至今已运行近4 0 年，元器件 严重老化。难以保证机组和电网的安全稳定运行。随着微型计算机技术的飞速发展，微机保护进入 了实用阶段，我国从8 0 年代初开始研制微机元件保护，1 9 9 4 年研制成我国第一套适用于6 0 0 m w 及以下 容量水、火发电机一变压器组全套保护，提高了保护装置的紧凑性、灵活性和可靠性。此外，微机保 护优越的人机对话功能、高度的智能化、完善的自检功能等也是传统保护所无法比拟的。 对于抽水蓄能发电机组，在继电保护数字化方面，由于难以用数字化方式处理抽水蓄能机组从 水泵启动到水轮机甩负荷这一大范围频率变化区内的交流输入量，其实现要比常规机组难”，国内 外已有这方面的开发研究，天荒坪抽水蓄能电站发电机变压器组保护引进奥地利e l i n 公司在9 0 年代 初开发出来的d r s 型数字式保护系统，国内针对机组低频阶段频率大范围的变化采用自适应频率跟 踪采样技术及特殊微机保护算法”“”，可准确地采集低频电压电流量。但由于抽水蓄能电站的兴建在 我国起步较迟，技术储备少，经验匮乏，目前仍有较多技术难题仍未解决，因此，尽快研究开发抽 水蓍能电站的微机保护，对进一步加强保护装置与电站计算机监控系统的联系，提高整个电站的运 行管理水平，具有重要的实际意义。 1 2 抽水蓄能机组保护现状及所面临的问题 1 2 1 抽水蓄能机组运行特点及保护配置 早期的抽水蓄能电站厂房内部装有两套机组，一套为电动机一水泵机组，另一套为发电机一水轮机 机组，称为“四机式”。之后，将发电机、水轮机、水泵连接在一个轴上，发电时由水轮机驱动发电 机，抽水时发电机可用作电动机驱动水泵，称为“三机式”，其在6 0 年代和7 0 年代被广泛采用。此 后又研制出可逆式机组，即发电用的水轮机亦可作为水泵来抽水。这种两机式布置与常规水电站的 机组布置类似。随着制造技术的改进，特别是在单机容鼍日益增大的情况下，由于二机式结构简单 紧凑，厂房小以及辅助设备大大减少，造价降低，运行方便，已逐渐替代了三机式a 国内外已建成 的大型抽水蓄能电站犬都采用二机可逆式机组，如我国的广州、十三陵、天荒坪、宜兴、惠州抽水 2 第一章绪论 蓄能电站。 可逆式机组转速一般是不可变的，即与电网同步运行，这种同步电动发电机很难兼顾水泵和水 轮机工况的最高效率，而且。在抽水工况下。水泵的导水叶甚至不能用来调节流量，因此这种电动 发电机不能像一般发电机发电时那样调节有功负荷。另一种可调速的电动发电机工作范围宽，可按 照水头和负荷的变化随时调整机组的转速，使其工作在最高效率点。在抽水工况下，调整机组的转 速便能调节流量。使电动机从电网吸取的用功负荷得到调节，真正做到在抽水发电两个方向上承担 峰荷。 抽水蓄能电站电气运行主要有以下特点： ( 1 ) 电机的双向旋转。由于可逆式水泵水轮机作水泵运行时的旋转方向与作水轮机运行时的方向 相反，电动发电机也相戍地需要叔向运转。为实现电机双向可逆运转，在电气上要求能转换其电源 的相序，这在电气主接线和开关选择上需予以考虑。 ( 2 ) 电动机的启动。电动发电机和常规的水轮发电机一样是同步电机，在作电动机运行时没有启 动转矩。必须依靠其他方法将其从静止状态加速到颧定转速，再并入电网。 ( 3 ) 启动停机频繁、工况转换迅速。抽水蓄能电站在电网中主要担负调峰填谷任务，一般每天至 少开停机2 次，此外，还经常作调频、调相和进相运行。例如，英国迪诺威克( d i n o r w i e ) 抽水蓄能 电站每年每台机组停机次数为1 2 5 0 2 5 0 0 次，工况转换次数每年达1 5 0 0 0 次。其次，机组应能迅速增 减负荷，发电工况下。一般要求有承担1 0 m w s 增负荷的能力迪诺威克电站的机组在并网后1 0 秒内 可从空载到满载，也能在1 0 秒内从满载卸负荷到空载。 可逆式抽水蓄能机组共有静止、发电、发电方向调相、抽水和抽水方向调相等5 种基本运行工况 和1 4 种基本工况转换”。如图1 2 所示。 图1 2 抽水蓄能机组的运行工况及工况转换 为使抽水蓄能发电机一变压器组保护系统在被保护设备的各种工况下发生故障时都能起作用，除 了需按常规水轮发一变组的要求配置保护外，还要考虑其他运行工况以及工况转换所带来的特殊问 题。这些问题主要是由三种情况引起的，即：换相操作、电动机启动过程和电动机运行工况。 因此与常规水轮发电机相比较发电电动机保护主要可以分为三类”1 ： 一、发电机和电动机运行工况都需投入的保护 高灵敏纵差保护、过流保护，失磁保护、定子接地保护、过电压保护、转子一点接地保护等。 二、只在发电机工况时投入的保护 逆功率保护：由于水泵水轮机转轮的“s ”形特性，决定了在某些条件下水泵水轮机处于发电工 况时可能进入反水泵工况而出现泵水现象，向系统吸收有功功率，其吸收的功率随水泵水轮机进入反 水泵工况区的深度而增加。因此设置了在发电工况下的逆功率保护。 三、只在电动机1 二况时投入的保护 ( 1 ) 次同步过流保护：电动发电机启动运行于次同步转速时，由于t a 的频率特性影响，需将纵 差保护闭锁，故增设次同步过流保护作为纵差保护的补充，保护应能在低频时动作，基本不受频率 3 东南大学硕士学位论文 影响。 ( 2 ) 低功率保护：机组在水泵工况运行时，若系统电源消失，水流在很短的时间内失去抽水向 上的惯性，转为向下流动，即机组原为水泵用电工况，突然转为水力发电，轴上没有负荷制动力矩， 最后将使机组达到飞逸转速。这种工况的突然改变，对机组和输水管均十分危险。采用低功率保护 来监测这一异常工况的发生。 ( 3 ) 低频保护：本保护作为电动工况及调相运行时的电源突然消失保护，并作为低功率保护的 后备。 此外，由于电机启动时间较长，对于启动过程还可考虑配置如下保护： ( 1 ) 电压相序保护 该保护仅在启动过程中投入，用于鉴别机组电压相序与其转向是否一致，从而确定启动控制回 路和换相开关的操作是否正确，保护的输出作用于机组的启动控制回路。 ( 2 ) 低频过流保护 该保护仅在电动工况启动和电气制动过程中投入，一方面作为电动发电机在低频运行时相间短 路故障的保护，也作启动母线相间短路故障的保护。其整定原则应躲过最大启动或制动电流可按 频率的实际测量值使其退出或投入。 ( 3 ) 过激磁保护 虽在常规发变组保护中也采用了过激磁保护，但抽水蓄能机组电动工况启动时对单元连接而 且电动发电机和变压器之间不设开关的变压器，非常容易产生过激磁。因变压器铁芯的磁密与电压 成正比，与频率成反比，电机低频运行时，如果励磁电流不恰当地提高，就会使变压器铁芯磁密增 至饱和值，从而其激磁电流剧增。可能导致其铁芯和部分绕组过热，不但会使启动失败，甚至危机 变压器的安全，因此必须装设过激磁保护。它不仅在启动过程中需要。在正常运行时也能起保护作 用。 过激磁保护按过激磁倍数口鼍篷定： u 口：旦；善：善( 1 - 1 ) b t 生， l 。 其中的频率可由自适应采样算法直接获得，其动作特性则由上限定时限、反时限和下限定时限 三部分组成。 1 2 2 抽水蓄能机组运行方式对保护的影响 抽水蓄能机组与常规机组的主要区别是前者运行方式多，工况转换频繁，同时在一次设备上要 增加抽水启动装置、换相开关和启动母线等，这些都给继电保护功能的实现带来了困难。因此，继 电保护的配置首先必须考虑抽水启动方式的特点，不同工况对保护的要求以及如何正确判别运行工 况。 因此，基于以上特点，发电电动机保护的要求与常规水电厂有所不同，不仅要具有一般大容量 发电机和电动机保护的特点，而且还有以下两个特点： f 1 ) 发电1 = 况和电动工况之间的换相给保护系统带来的影响； 蓄能机组具有发电和水泵两种运行工况，运行中需通过换相开关改变相序以达到正转( 发电) 或反转( 水泵) 目的，因此一切与相序有关的保护均受到影响。 f 2 1 在同步启动过程中( 低频状态下) 对保护系统的功能影响。 在水泵工况启动时，无论是采用变频装置或是背靠背方式，被拖动的机组均需在启动之始即施 加励磁电流，因此定子绕组中的电压、电流频率及幅值都将随着机组转速的变化而变化。启动过程 中频率变化对电流互感器传变特性及继电器和保护装置中的感性、容性元件的影响，势必会影响保 4 第一章绪论 护装置的稳态和暂态工作特性。使其存在拒动或误动的风险。 1 2 3 现场运行出现的问题及对策 国内外已投入运行的抽水蓄能电站运行情况显示，机组在某些工况下确实导致部分保护误动或 拒动，其主要表现在： ( 1 ) 低频特性易导致定子接地保护误动 定子1 0 0 接地保护采用西门子2 0 h z 夕l 加电源式的保护，在同步启动，电气制动工况下保护曾多 次误动，后借鉴国外电厂，在此工况下闭锁该保护”“。 ( 2 ) 频率对电流互感器和电压互感器的影响 在满足工程使用目的的要求下。各国提供的技术资料表明，电压互感器的低频特性较好；电流 互感器在频率很低时，励磁阻抗减小，励磁电流增大，铁芯易于饱和，所以低频电流的传变特性较 差，因此研究出低频特性好的电压互感器和电流互感器显得尤为重要。 ( 3 ) 负序过电流保护在机组长时低频运行时易误动，正常工况下不会误动，低频误动大致区域为： 2 2 3 2 h z 。 ( 4 ) 对于采用电磁型和集成型继电保护装置的抽水蓄能电厂，需切换电流互感器二次回路( 将会 带来不安全因素) ，或需在换相开关处设置5 组t a ，分别为发电和电动机工况设置2 组差动保护( 增加 了投资且仍存在死区) 。若采片j 数字式微机保护，主机工况转换的换相操作所引起的保护问题，可以 通过软件妥善解决，前提是通过换相开关的辅助触点来判定是发电工况还是水泵工况。 1 3 本论文各章节的主要内容 目前，随着数字式微机保护的广泛应用，抽水蓄能机组现场运行所出现的换相问题对保护的影 响可较好的解决，但仍有些问题无法避免。如低频特性对保护的影响。有关文献显示，在已投运 的机组中，当运行于水泵工况下变频启动时，曾多次出现定子接地保护误动或拒动的情况，由此带 来了不必要的损失，于是国内借鉴国外一些国家的做法在启停过程中将保护闭锁，此法虽可避免保 护的误动。但由于变频启动时间较长且机组启停机频繁，若在保护闭锁期间，发电机定子在中性点 附近经过渡电阻发生单相接地，将会严重危害发电机的安全。 本文开展的主要工作是介绍了抽水蓄能机组特殊工况对传统定子接地保护的影响。深入分析了 注入式定子接地保护应用于抽水蓄能机组在变频启动的过程中，当电机定子发生单相接地时电机自 身低频分量对保护算法的影响，通过采用新算法，可减小电机低频分量对保护的影响，提高故障接 地电阻的测量的准确度。最后提出针对抽水蓄能机组的注入式定子接地保护方案，并通过数字仿真 验证了算法的性能。 以下为本论文各章节的主要内容： 第一章绪论：概述了抽水蓄能发电机组的保护现状及所面临的新问题，说明了机组运行工况对 发电机保护的影响、现场出现的问题及对策，指出了研究基于抽水蓄能机纽注入式定子接地保护的 重要意义。 第二章抽水蓄能机组启动原理及过程：阐述了抽水蓄能机组各种启动方式，比较了它们之间的 优缺点，分析了变频器启动方式的基本原理，主要接线方式及产生谐波的原因，并对广泛采用的谐 波抑制措施的方法和优缺点进行了介绍。 第三章发电机定子接地保护在抽水蓄能电站的应用：介绍了单相接地故障对发电机带来的危 害，并对当前主要使_ i j 的发电机定子接地保护方案进行了介绍，分析了应用于抽水蓄能发电机组的 基波和三次谐波定子接地保护存在的问题及变频启动工况对定子保护的影响。 第四章抽水蓄能发电机注入式定子接地保护的研究：基于注入式定子接地保护方案，针对抽水 蓄能机组变频启动过程中产生的低频分量对注入式接地保护的影响进行了详细分析，提出了适用于 东南大学硕士学位论文 抽水蓄能发电机的定子接地保护新方案。 第五章抽水蓄能发电机注入式定子接地保护方案仿真与分析：对应用于抽水蓄能发电机变频启 动过程中的传统注入式定子接地保护算法及新算法进行了仿真，验证了算法的可行性和正确性。 第六章结论及展望：对论文开展的工作进行总结及对未来工作的展望。 6 第二章抽水蓄能机组启动原理及过程 2 1 引言 第二章抽水蓄能机组启动原理及过程 对于抽水蓄能电站的可逆式机组与常规水轮发电机不同主要表现在”5 ； ( 1 ) 机组作发电和抽水运行时的旋转方向相反； ( 2 ) 频繁启停。由于在电力系统中担任调峰填谷、调频的作用，一般每天要启停数次； ( 3 ) 需有专门启动设施。可逆式电动发电机作电动机运行时，不能像组合式机组那样利用水轮 机来启动，而必须采用专门的启动设备； ( 4 ) 过渡过程复杂。机组在工况转换过程中要经历各种复杂的水力、机械和电气暂态过程，因 此对于整个机组和水道设计都提出了更严格的要求。 由于发电和抽水工况旋转方向不同，其电动机工况的启动方式较一般电动机组要复杂得多，本 章将概述抽水蓄能机组水泵工况下的各种启动方式及启动过程，同时介绍变频启动的过程与特点， 为进一步研究提供依据。 2 2 抽水蓄能机组启动方式及低频分析 抽水蓄能电站使用的电动发电机是一台容量很大的同步电机，在电动机启动时如网路中没有足 够的阻抗，就将产生很大的启动电流而对电网形成过大扰动，因此必须采用专门的电气启动设备及 操作方法。以下对常用的各种启动方式作一介绍“。 2 2 1 异步启动 异步启动是同步电动机的励磁绕组在被短接的情况下( 即无励磁) ，直接将电动机并入电网，利用 转子磁极内的阻尼绕组所产生的异步力矩使机组启动并加速，在接近同步转速时再加上励磁拉入同 步，按异步启动时施加电压方式的不同，可分为全压异步启动，降压异步启动和部分绕组异步启动。 ( 1 ) 全电压启动 电网电压经主变全部加于电机。当电机升速到额定转速时，再加励磁机组被拉入同步运行。 其优点是接线简单、启动力矩大、启动时间短，但启动电流大，对电网产生较大的冲击。只能应用 于中小型的抽水蓄能机组。 ( 2 ) 降压启动、部分绕组启动 电网电压通过主变压器抽头或在启动回路中加入串联电抗器而实现降压启动。接近额定转速时 投入励磁，优点是在一定程度上减小了对电网的冲击，但启动力矩降低，启动时间延长，同时需要 增加一些设备。 显然，在这种启动方式的启动过程中，在电机转速较低时若发生定子短路，由于电机无励磁， 因此不存在低频区。 2 2 2 辅助电动机启动 该方式是用一台与机组主轴直接连接的辅助电动机启动机组。感应电动机加上电源，主机由感 应电动机带动升速，主机一开始升速就加励磁，所以主机电压具有低频特性。当转速达到同步速， 负荷准确同期条件时，准确同期装置自动将主机同步并列到电力系统上，然后再跳开感应电动机的 电源。该方法的优点是适应性强，感应电动机还可用作主机停机时的电气制动设备，缺点是启动时 阃长，且感应电动机设备会增加主厂房的高度，加大了旋转轴系的长度，从而降低轴系的临界转速。 7 东南大学硕士学位论文 适用于单机容量大、机组台数少的场合。 2 2 3 同步启动 同步启动又叫背靠背启动“”“”，是用本电站或相邻电站的一台水轮发电机组作同步发电机运行， 被启动的机组作为同步电动机。先进行倒闸操作。使同步发电机与同步电动机在电气上连接起来， 二者分别加上励磁，使发电机产生的低频电能直接加在电动机定子上，电动机在同步转矩作用下逐 渐升速。当转速达到同步转速的8 0 时，投入各自的励磁调节器，然后以准同期方式并入电网，在 逐步接触发电机，完成启动过程。该方法的缺点是：发电机完成一次启动后要停机才能进行另一次 启动，调整及操作比较复杂，需要有单独的励磁电源，电站的最后一台机组不能用此法启动，还需 装置其他方式的启动设备。 显然在同步电动机未并入系统之前，由于在低速阶段均有励磁，故发电机及电动机的电压电流 具有低频特性。 2 2 4 半同步启动 该方式又称异步一同步启动或低频启动，是由一台作发电运行的机组先与被启动机组在电气上连 接在不加励磁状态f 启动发电机。到8 0 额定转速时加励磁，发电机就产生6 0 - 7 0 的额定电压， 这个电压加到电动机上产生异步转矩，使之启动加速，而发电机因损耗了能量转速下降。当两台电 机转速接近时给电动机加励磁，并使之与发电机同步，电动机在发电机的驱动下同步加速到额定转 速。这种启动方式需要发电机容量大于电动机容量的8 0 。 发电机的1 1 图2 1 半同步启动中n 与t 的关系 在图2 1 的o t i 阶段，发电机升速但无励磁，定子无电压，因此发电机定子短路时无短路电流， 不存在电压电流的低频区；t l - t 2 阶段，发电机有励磁，电动机无励磁，无论是发电机定子短路或电 动机定子短路，短路电流都仅来源于发电机电势。因为这阶段发电机转速1 1 不低，所以短路电流的 频率也不低，无低频区：t 2 也阶段，发电机及电动机都加励磁，丽它们的转速较高，所以不管是发 电机定子短路或电动机定子短路，短路电流的频率都较高，也无低频区。可见在整个启动过程中， 不存在低频短路电流对继电保护的影响。 2 2 5 静止变频器启动 变频启动方式1 是利用可控硅变频器产生频率可变的交流电源对电动发电机进行启动，是近年 发展的新方法，该方式在早期因可控硅元件的性能差，投资高昂，故使用得不多，近年来技术发展 已臻完善，这个启动方法遂在蓄能电站中得到广泛应用，目前新建的大型蓄能电站中很多都采用这 8 第二章抽水蓄能机组启动原理及过程 一方式。其优点是设备静止、维修方便；多台机组可以合用一台变频装置：主机正常工作时启动装 置无附加损耗。另外变频装置可兼做主机的电气制动，能缩短由发电转为抽水的切换时间，变频启 动的缺点是基本设备价格高，占地面积大，因此该方式主要应用于单机容量大、机组台数多的蓄能 电站。其设备容量一般为被启动电机的5 - 8 ，启动时问5 - l o m i n 。具体过程将在下节详细描述。 各种电气启动方法的综合比较见表2 1 表2 1 可逆式机组电气启动方式综合比较表 周轴小电机 启动方式异步启动同步启动半同步启动 变频器启动 启动 单机容量中、小大、中、小大、中、小大大 适用范围 机纽台数不限多多少多 启动设备相对单机容量( )6 0 1 2 01 5 2 0 8 06 - 85 8 启动时问( r a i n ) 1 32 42 - 45 - 7 5 - l o 对系统的影响大无无小小 降压启动 启动发电启动发电机，启动小电机 变频装置。启动 所需启动设备时需要降机，单独励启动母线及液体电阻嚣。变压器启动母 压设备磁电源开关设备启动变压器线及开关设备 1 3 ( 降压) 启动设备相对单台电机的投资( ) i l - 2 32 3 3 8 7 1 9 ( 半压)取决于具体情况 占用空问小 由 大 控制特征简单复杂复杂较复杂复杂 是否有低频区无有无 有 有 由表中可以看出，选择启动方式的原则是根据系统和电站的具体条件，采用简单而可靠的启动 方式。中、小型机组应优先考虑采用全电压异步或降压异步启动；大、中容量机组应优先考虑利用 邻近常规机组进行同步启动；大容量的蓄能机组多数采用以变频装置为主的启动方式。同时由于变 频器启动、同步启动、同轴小电机启动过程中存在低频区，因此需装设针对启动过程中低频区的保 护。为了更清楚地了解国外已建抽水蓄能电站水泵工况机组启动方式的情况，现将国际大电网会议 第1 1 届学科委员会第二工作组，对1 9 7 0 年以来投入商业运行的单机容量大于5 3 m w 的蓄能机组水泵 工况启动方式进行了统计【l “，共涉及1 4 个国家2 8 5 台发电一电动机组统计资料显示，在2 8 5 台机组 中，有8 8 台采用同轴小电动机启动方式，占3 l ；有5 8 台采用背靠背同步启动方式，占2 0 ：有5 3 台采用变频器同步启动方式，占1 9 ；有2 5 台采h j 降压异步启动，占9 0 , 0 ；有2 2 台采用水力启动( 水轮 机启动) ，占7 7 。 综上所述，异步启动方式对电网产生较大冲击，同轴电动机启动方式需要专用的辅助电机，半 同步启动方式控制复杂，而与其他启动方式相比，变频启动具有明显的优点，成为现代国内外大型 抽水蓄能电站首要选择的启动方式。本文所研究的注入式接地保护方案就是针对变频启动方式下的 发电机定予接地保护。 2 3 静止变频器启动原理 静止变频器启动同步电机从6 0 年代开始提出，但6 0 年代后期及7 0 年代初使用得较少。8 0 年 代以后，随着电力电子器件质量的提高和价格不断下降，静止变频器启动越来越受欢迎，变频器及 其同步启动的研究也越来越受到重视，但目前仍局限于启动过程和启动时间等的研究，有待于进一 9 东南大学硕士学位论文 步深入。由于目前大容量静止变频器还比较昂贵一般认为，安装机组在大于3 台时是比较经济的。 蓄能机组在抽水工况时。可逆式机组运行在电动机状态，电机转速由零到额定转速的启动过程，可 看成为同步电动机由零到额定转速的调速过程。根据同步电动机转速计算公式n = 6 0 3 7 p ( r m i m 。当 极对数不变的情况下，同步电机的转速与电压频率保持严格的同步关系，改变同步电动机的转速n 。 可通过改变电源频率，的方法实现。静止变频器启动装置就是利用变频的方法。实现蓄能机组抽水 工况运行时转速从零到额定转速的启动。 2 3 1 变频启动接线图 如圈2 2 为广州抽水蓄能电厂一期和二期的变频启动接线简图“”。 ( a ) 广蓄一期 图2 2 变频启动接线简图 ( b ) 广蓄二期 由图可知。广州抽水蓄能电厂一期变频启动装置主要包含输入输出限流电抗器，输入输出变压 器以及变频器。广蓄一期s f c 接线方式：由主变1 8 k v 侧厂用电分支母线电抗器后经断路器供给。 到输入变压器( 1 8 k v 4 2 k v2 7 m v a ) ，电源经过输入变降为4 2 k v ，接入可控硅整流桥( 网桥) 经过 平波电抗器到逆变桥( 机桥) ，再经输出变压器( 4 2 k v 1 8 k v 2 7 m v a ) ，从输出断路器到输出电抗器， 最后接到启动母线上。 输入限流电抗器稳定和限制变频器的输入电流，对变频器起保护作用。输出侧电抗器的作用是 防止逆变器换流时电流增长过快而损坏可控硅元件，同时也限制短路电流。 输入、输出变压器使供电网电压与电机电压相匹配，减少可控硅串联的数目。输入变压器还利 用其二次侧三角形绕组隔离滤波，减少整流器产生的谐波电压对供电网的影响，并通过变压器漏抗 起剑限制可控硅短路时的短路电流的作用，短路阻抗一般较高。变频器工作时，在输入和输出端会 出现较高的直流电压差和3 倍工频的交流电压差，它们会经过变频器的电网侧和电机侧中性点接地的 变压器、电压互感器以及电机自身的中性点接地点形成交，直流环流，设置输入变压器可以隔断直 流通路。在0 5 h z 低频阶段为防止变压器饱和，需投入变压器旁路开关：当大于5 h z 后再断开，输出 变压器投入。 图2 2 ( b ) 为广蓄二期的接线简图，由圈中可看出，二期取消了输出变压器。在广蓄二期及天荒坪 电站的s f c 接线中，输入变压器只是个隔离变，整流器交流侧输入的额定电压为1 8 k v 4 - 1 0 ，而逆 l o 变器交流侧输出的额定电压与电动发电机额定电压相等，其优点是减少了1 台输出变压器和两个用 于变频启动阶段的切换隔离开关。 广蓄一期增加了升压、降压变压器，虽然降低了网桥、机桥的工作电压。减少了可控硅的串联 数目，但却增大了设备空间占用量，也增加了运行检修的维护工作量。 广蓄二期的实测数据表明，采用隔离变压器不但能降低线电压中的谐波电压，它更能有效的隔 离相电压中的谐波电压故已建和在待建的大容量抽水蓄能机组。其s f c 电源侧均采用隔离变( 或 降压变) 方式。国内目前新建的两个电站浙江桐柏电站和广东惠州抽水蓄能电站，其s f c 装置 的接线采用了与图( a ) 相似的方式，只是将输入变压器改为三绕组，这个方案同样是为了降低谐波考 虑，主要消除了5 次和7 次谐波。 2 3 2 静止变频器的基本组成 变频调速系统中的变频器一般可分为交一交变频器和交一直一交变频器两种，交交变频器将 工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交直一交变频器则是将 工频交流通过整流器变为直流，然后在通过逆变器变换成频率和电压均可控制的交流，又称间接式 变频器。交一交变频器在结构上只有个变换环节，无中间直流环节，但所用的器件较多，总设备 庞大且晟高输出频率不超过电网频率的1 2 - 1 3 ，多用于低转速、大容量的调速系统中。 交一直一交变频器从变频电源性质上看，可分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类，这 两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用的滤波器。当中间直接环节采用大电容滤波时，直流 电压波形比较平直，在理想状况下是个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波， 这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交一交变压变频装置没有滤波电容，但它具有电压源性 质，也属于电压源型变频器。当交一直一交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波 形比较平直，电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波， 这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波 或阶梯波，具有电流源的性质，也称为电流源型变频器。 从主电路来看，交一直一交电压源型变频器和交一直一交电流源型变频器的区别仅在于中间直 流环节采用的滤波器的形式不同，但这样却造成两类变频器性质上较大的差异，主要特点如表2 2 所 示。 表2 2 电流型和电压型交一直一交变频器比较 比较内容电流型电压型 直流i 旦j 路滤波环节电抗器电容器 决定于逆变器电压与负载电动机的电 输出电流波形 矩形 势。有较大的谐波分量 输出电压披形 决定于负载矩形 输出动态i | f l 抗 大小 再生制动方便，主回路不需附加设备需要在电源侧设置反并联逆变器 过流及短路保护容易困难 动态特性快较慢 对晶闸管要求耐压高，对关断时间无严格要求耐压一般较低，关断时问要求短 线路结构较简单较复杂 多机拖动，稳频稳压电源或不停电电 适用范围单机，多机拖动 源 将启动的大型发电电动机与静止变频器相联，由变频器提供给电机一频率可调的电源，同步电 东南大学硕上学位论文 动机适当励磁，当变频器的频率由零逐渐升到额定频率时，同步电动机便会由静止逐渐升到额定转 速，这就是静止变频器启动方式。抽水蓄能静止变频器启动属自控式变频调速系统。主要由同步电 机、变频器、转子位置检测器p s 、控制单元等组成如图2 3 所示。 、一、 一、 i j z2l2 1 j 7弋7 弋7 一歹一歹 a 广b r c 、 王 、 7 毯 z、zi j 7弋7 、 ，一歹 、 l 柠静单元i 图2 3 静止变频器启动系统原理结构 变频器主回路由整流桥、逆变桥、平波电抗器l ，续流晶闸管组成。它与一般意义的晶闸管交一 直一交逆交器不同无需强迫换相电容和串联二极管，靠同步电动机的反电势换相。启动时，三相 交流5 0 h z 交流电经整流桥变成直流( 由于平波电抗器的作用，此直流可看作为恒定直流) ，然后经逆 变器将其变为一定频率的三相交流电输入待启动的同步电机中。控制单元的作用主要是把来自转子 位置检测器( p s ) 的信号进行分析，判明转子的真实位置和转速后，按一定的控制策略产生控制信号， 控制变频器输出三相电流( 电压) 的频率、幅值和相位大小，达到电机同步转速跟踪转子转速的目的。 2 3 3 静止变频器的工作原理 在同步电动机的静止变频器启动系统中“7 ”1 ，逆变器与同步电动机定子绕组的接线如图2 4 所 示。由于逆变器是1 2 0 ( 电角度) 通电型，工作时，逆变器中的晶闸管只有两个同时导通，且分别 属于共阳极组和共阴极组中的一个器件，以保证电流的通路；桥臂中的每一个晶闸管导通时间为1 2 0 电角度，关断时问为2 4 0 电角度。因此逆变器每隔6 0 电角度换相一次，器件导通的次序为：v 1 、 v 2 、v 3 、v 4 v 。v 6 v l ，每一个循环的完成，逆变器将产生一个周期的三相对称电流，如图2 5 所示。 其中b 相电流岛比a 相电流“落后1 2 0 电角度，c 相电流蟊又比抽落后1 2 0 + 电角度。 pv l 7 、：7 飞 z r t 一 ) 。 j 。歹 v 1 7 弋7 u 弋 。 j 一 j 。歹 z 图2 4 逆变器与三相定子绕组接线图 1 2 c 第二章抽水蔷能机组启动原理及过程 l 。，。 一 甜1 2 矿刨” l 厂 一 u 气 图2 5 逆变器