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
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；
（$）合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。
自同期并列操作，就是将发电机升速至额定转速后，在未加励磁的情况下合
闸，将发电机并入系统，随即供给励磁电流，由系统将发电机拉入同步。
自同期法的优点：
!
合闸迅速，自同期一般只需要几分钟就能完成，在系统
急需增加功率的事故情况下，对系统稳定具有特别重要的意义；"操作简便，易
于实现操作自动化。
因为在发电机未加励磁电流时合闸并网，不存在准同期条
件的限制，不存在准同期法可能出现的问题；#在系统电压和频率因故降低至不能使用难同期法并列操作时，自同期方法将发电机投入系统提供了可能性。
自同期法的缺点是：
未加励磁的发电机合闸并入系统瞬间，相当一个大容量的电感线圈接入系统，必然会产生冲击电流，导致局部系统电压瞬间下降。
一般自同期法使用于水轮发电机及发电机—变压器组接线方式的汽轮发电机。
在采用自同期法实施并列前，应经计算核对。
发电厂发电机的并列操作断路器，称为同期点。
除了发电机的出口断路器之外在一次电路中，凡有可能与发电机主回路串联后与系统（或另一电源）之间构成唯一断路点的断路器，均可作为同期点。
例如，发电机—变压器组的高压侧断路器，发电机—三绕组变压器组的各侧断路器，高压母线联络断路器及旁路断
路器，都可作为同期点。
在同期点应装设准同期装置。
对于电压在!
!
"#$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
-./（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
（$）主电路；（%）&’、&（波形；（））滑差电压&*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
",!
*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网，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
（!
"#!
$）是不可能的。
因为发电机的转子是由动力机械（如汽轮机）带动的，在并网之前，它的转速不可能稳定保持额定转速，而总是有微小的反复变动，机端电压的频率，也就不可能长时间保持与系统频率相等。
正是由于电压频率的微小变动，两侧电压相位随之变化，才产生同期点［图%&’（（）中）和*!
点］，才能实现在四项同期条件同时满足时刻断路器主触头接通，使发电机平稳并网。
从图
%&’不难看出，正是由于待并发电机转速不稳定，才能给同期并列创造条件。
如果待并发电机转速长时间保持恒定，使同期点两侧电压的频率保持绝对相等，那么+$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，’.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。
（!
）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，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!
$%$、!
$%$0转至“退出”位置。
至此，手动同期装置退出，并网操作结束。
—"!
!
—
二、自动准同期
自动准同期是利用自动准同期装置实现发电机按准同期条件并入系统的操作。
当发电机电压或频率与系统电压或频率有偏差时，该装置发出调节脉冲，分别调节发电机的电压或频率，直到准同期条件基本满足时，自动准同期装置在适当的提前角度下（满足提前时间）自动发出合闸命令，使发电机平稳并网。
图!
"#同期系统图
（一）（$）系统图
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
!
"#"$触点表
"#"$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）同期点断路器控制合闸回路
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允许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，"#$%保持在“跳闸后”位置。
（&）将&#$#%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&05&6!
+#7触点!
&-#%!
&#$#%触点&’5&!
!
+%,&触点!
’-#%3"#$%触点&5!
!
"#$#触点058!
"12合闸回路。
）此时
"#$%的红灯闪亮。
（!
）"12合闸后，手动将"#$%转至“合闸后位置”，"#$%之红灯稳亮，将"#$#、"#$#%、&#$#%旋转至“退出”位置，使手动准同期装置和自动准同期装置均退出工作，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69（&
:
）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、"母线（或!
母线）向系统送电。
无疑，高压母线>、!
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
$%"&’与$"（’上的电压同样是同期的（包括同相位）。
如果在运行中发生!
）*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$%"’上电压+&’随高压母线!
、"上的电压同步变化；而同期小母线$"（’上的电压+’随发电机电压同步变化。
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/，011接线方式，电压互感器!
（5与（5接线方式相同，当同期点）*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，（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，如果
将!
（5的二次电压+’（;
即+&’）和（5的同名电压+’（;
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"#"
图!
"#同期系统电压回路
（一）
$%&—’’（）*母线电压；$+%&—,-之二次电压；$%&—,*之二次电压
连接于电压互感器.,*的二次侧，其二次侧引至同期小母线/01+%、/*230,-
的变压比为.（（
（（*。
因为,-也采用5，677接线方式，使得,-的二次侧电压超
.
!
4
前于一次侧同名相电压4（8。
又因为,*的一次电压与二次侧电压同相位，所以
当同期点9:
两侧电压同期时，/01+%上的电压超前于高压母线!
的电压4（8；
··
/1,%上的电压同样超前高压母线!
的电压4（8，$%&与$+%&同相位，使难同期装
置能作出正确的准同期判断，故能发出正确的命令。
二、将发电机同期电压移相
在发电机出口电压互感器,*的二次回路，增加转角变压器;（见图!
"<）。
该转角变压器采用=，>接线。
-的一次侧连接于,*的二次侧，而见的二次侧引至同期电压小母线/1,%、/*23转角变压器的二次电压滞后于一次电压4（8，
变压比为.（（.（（*，其接线如图!
"!
所示。
!
4
当使用准同期装置时，系统侧电压互感器.,*之二次电压经同期开关1@1
··
直接引至同期小母线/01+%、/*23。
其电压$+%&与!
母线电压$%&A!
同相位
（见图!
"<）。
由于电力变压器,采用5，677接线，在同期点两侧同期状态下，发
·
电机端电压$%&超前于高压母线电压$%&A!
4（8。
发电机出口电压互感器,*之
··
两侧电压同相位，经!
"之后的二次电压#$%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
··
#）$%同相位，（#$%与下*+下端的电压同步，#）$%与!
母线电压同步），使得同期电
压的相位分别与同期点两侧的电压相位一致，同期装置能正确地判断同期点*+
两侧的同期参数，实现同期系统正确工作。
图,-.同期系统电压回路
（二）
··
#）$%—
-%..-%..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$%%&$%%’。
当利用线路断路器$（）作为同期点时，投入线路*+*。
系统侧电压为线路侧电压抽取装置的,相二次电压,,-，,,-与一次,相电压同相位，其额定数值为$%%’；发电机侧电压仍为$!
’之二次三角测线电压,./。
从图012看出，此电压,./与一次侧,相电压同相位，所以选用此二电压作为线路断路器同期电压。
第四节同期系统设备
同期系统所使用的设备标示于图013（4）之中，其中自动同期装置和同步监察继电器一般安装于控制室后排的继电器屏上；切换开关、按钮、指示仪表则安装于控制屏正面，便于运行人员操作时观察。
同期系统的指示仪表有：
!
接于系统侧的电压表；"接于待并发电机侧的电压表；#接于系统侧的频率表；$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015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$和83在相位上也相差9%:
。
根据电工测量仪表的原
理，当整步表接入电路时，此二线圈的合成磁势产生旋转磁场。
另一个线圈6
布置在6$、63的内部，沿轴向绕在;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$、83。
适当选择附加电阻，使
—!
"!
—
图!
"#电磁式同步表内部结构示意图
（$）侧视图；（%）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。
/（/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&#和&’中电流相量；（（）线圈）中电流相量；
···
（*）+,-滞后于+.+/；（0）++/超前于+.+/
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。
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