抽水蓄能机组联跳灭磁开关的硬回路设计

王宗收，吴 妍，任 帅，张一波，李 迪

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 前言

目前抽水蓄能电站机组抽水工况启动可以选择SFC拖动或背靠背启动方式。背靠背启动方式是蓄能机组的特有启动方式，启动抽水的目标机组为被拖动机，作为动力的“其他机组”为拖动机，在启动过程中，是以本电站内一台机组发电启动作为启动源，提供频率逐渐升高的电流，拖动另外一台机组抽水启动至额定转速，最终实现机组抽水启动的目的。例如1、2号机组背靠背工况运行，1号机组作为拖动机运行，2号机组作为被拖动机，磁场建立后通过1号机组拖动刀闸GDS与2号机组被拖动刀闸MDS建立拖动关系，2号机组在1号机组电磁力的作用下转速逐渐升高，当2号机组满足并网条件后并网，1号机组出口开关分闸，1号机组拖动刀闸GDS与2号机组被拖动刀闸MDS分闸，拖动过程完成，拖动机停机，被拖动机达到抽水稳态，背靠背抽水启动成功。

当机组采用背靠背方式启动抽水时，被拖动机组出现保护动作时，需要同时跳开拖动机与被拖动机灭磁开关，保证两台机组同时失磁，之后两台机组停机。当两台机组灭磁开关分闸不同步时，灭磁开关后分闸的机组相当于定子绕组三相短路，会对启动回路拖动刀闸和被拖动刀闸触头，甚至发电机本身造成损害。

2 目前灭磁开关跳闸控制缺陷

按照国家能源局《水力发电厂自动化设计技术规范 NB/T 35004-2013》第5.3.7条的要求，机组背靠背启动过程中，需要设置一套独立的跳闸回路，在电气和水力机械事故时，保证两台机组同时灭磁，再跳断路器、停机。目前部分抽水蓄能电站设计是当拖动机或被拖动机组出现保护动作时，保护动作通过硬接线直接跳开本机灭磁开关；同时保护动作信号会触发另一台机组监控系统电气事故停机，该机组通过顺控流程跳开本侧灭磁开关。该设计由顺控流程动作分灭磁开关，监控系统顺控流程执行PLC扫描和继电器动作的时间需要大约100 ms，在100 ms内灭磁开关未分闸的机组定子绕组及其启动回路相当于三相短路。发电机三相短路会导致定子线圈端部产生变形或损伤；发电机可能产生剧烈振动，对发电机转动部件产生较大的机械应力。此外，较大的短路电流会对被拖动刀和拖动刀的动、静触头产生损伤。以某抽水蓄能电厂为例，该电厂在进行背靠背试验时，拖动过程中拖动机发生保护动作，由于拖动机与被拖动机跳开灭磁开关顺序不同，导致被拖动刀闸受损。从受损的A相触头来看，静触头表面均匀轻微熔化、灼伤，动触头表面灼伤。被拖动刀闸额定运行电流为3 000 A，查故障录波知，此时A相产生的电流最大约3 600 A，持续时间约为200 ms，超过被拖动刀闸额定运行电流，造成被拖动刀闸动、静触头发热灼伤，长时间多次动作运行后刀闸动、静触头逐渐恶化烧损。

3 灭磁开关的硬回路设计

由于机组在背靠背抽水启动发生事故时，监控系统顺控分灭磁开关存在时间延时的问题，因此在拖动机组与被拖动机组间需要设置一套独立的灭磁开关跳闸硬回路，在电气和水力机械事故时，保证拖动机组与被拖动机组同时灭磁。

鉴于以上问题，技术人员仔细分析监控系统原理图，首先通过继电器搭建出具有拖动关系机组的桥回路，该桥回路在机组启动流程前通过监控上位机画面选择触发建立；操作人员只需点击操作界面上的拖动机组即可选择，操作界面设计如图1所示。

图1 拖动机组选择操作画面

然后将机组发生事故时的保护跳闸信号用事故扩展继电器扩展，同时把信号送到拖动机组与被拖动机组的灭磁开关分闸线圈，这样保证拖动机组与被拖动机组的灭磁开关同时分闸，具体设计见图2。

图2 联跳灭磁开关设计方案一

在图2中，本机为被拖动机组，当被拖动机组出现保护动作时，会触发事故扩展信号励磁，机组保护通过该扩展信号跳开本机灭磁开关，同时机组保护跳闸继电器扩展的另外一路信号会通过已搭建好的联跳桥回路跳开相应拖动机组的灭磁开关，这样保证了拖动机组与被拖动机组灭磁开关的同时动作。以2号机拖动1号机为例，首先操作人员通过上位机操作使3KA4继电器励磁，此时联跳的桥回路搭建完成。如果1号机组发生保护跳闸时，3KA1继电器励磁，这时存在拖动关系的机组就会通过已搭建好的桥回路跳开本机及相关机组的灭磁开关。

这种设计思路虽然实现了拖动机组与被拖动机组同时跳灭磁开关的目的，但是由于继电器动作存在时间延时，导致当被拖动机组发生保护动作时，拖动机组与被拖动机组跳开灭磁开关的响应速度较慢，这样同样对机组存在影响。技术人员继续优化，通过查阅相关保护的资料发现保护动作跳灭磁开关存在两路出口，因此对该回路进行了进一步的优化设计。在拖动过程中，当被拖动机组发生故障时，直接通过保护动作的一路出口，跳开本机灭磁开关。同时保护的另一路出口通过之前的设计思想跳开其他机组灭磁开关，硬回路设计见图3。

图3 联跳灭磁开关设计方案二

通过分析，该种设计思路可以实现无延时跳开拖动机组与被拖动机组灭磁开关的目的，但仔细研究该硬件回路，发现该回路存在一定缺陷，由于跳开拖动机组灭磁开关的回路是并联设计，不同机组的跳闸回路采用的是不同的电源，所以有出现电源串源情况的可能。

设计人员鉴于以上问题继续优化，在联跳回路中增加一路桥回路，该桥回路与拖动关系的桥回路一样，也是在上位机开机前进行选择，但是通过增加该回路，避免了不同机组间的跳闸回路电源串源的现象，设计出的硬件回路原理图如图4所示。

图4 联跳拖动机组灭磁开关设计方案二优化

采用该种设计回路时，以2号机组拖动1号机组为例，在机组启动前首先通过上位机选择，将3KA4继电器触发，此时继电器的接点导通，两侧联跳桥回路搭建成功。之后2号机组拖动1号机组流程启动。当1号机组出现保护动作时，保护一路出口会直接跳开本机灭磁开关，同时保护另一路出口通过已经搭建好的桥回路跳开2号机组灭磁开关，从而达到同时跳开灭磁开关的目的。

4 应用

在张河湾监控系统改造中，搭建该硬回路，然后进行信号测试。静态测试时通过短接模拟被拖动机保护动作，读取上位机报文，检查发现本机与所选拖动机灭磁开关同时跳开。动态测试2号机组拖动1号机组启动，触发1号机组保护动作，1、2号机组灭磁开关同时跳开，灭磁开关分闸响应速度同步。

本厂采用该硬件回路进行设计，经过试验效果良好，达到了同时跳开灭磁开关的目的。采用该种硬回路联跳其他机组灭磁开关，保证了灭磁开关分闸动作的同步性，避免了因不同步跳灭磁开关而发生的发电机三相短路的相关故障，在抽水蓄能电站具有很大的推广意义。