新型大容量调相机超速保护策略研究

新型大容量调相机超速保护策略研究

刘懿 钟馨慧

国网湖南省电力有限公司水电分公司，湖南 长沙 410007

摘要：随着特高压电网的大规模建设，其电压等级、输电容量逐年提升，而直流大规模输送有功输送，需匹配大规模动态无功，新一代大型调相机因此在换流站被广泛应用。本文在分析目前在运特高压换流站大型调相机超速保护策略的基础上，研究超速保护对大型调相机安全稳定运行的影响，并进一步提出了超速保护使用改进措施。对大型调相机建设和运行具有很好的参考指导价值。

关键词：特高压电网；调相机；超速保护。

0、引言

目前我国正处于特高压电网发展过渡期，为保证电网安全稳定运行，维持系统频率、电压在正常水平，客观要求加强系统的无功支撑和运行灵活性，实现大直流输电和强无功支撑相匹配。^[1-2] 新一代调相机因不仅能满足次暂态和暂态强无功支撑的需求，还能兼顾电力系统稳态需求，拥有抑制电压波动、降低换流站直流换相失败几率、加快故障后交流电压恢复速度的功能，在特高压直流送、受端和高比例受电地区得到广泛应用。^[3-4]

调相机是高速旋转的设备，转动部分的离心力与转速的平方成正比关系，即转速增加时，离心力将急剧上升，当调相机的转速超过设计的额定转速的1.5倍时，此时不仅相关设备转动部件中紧配合的部位会发生松动，而且离心力一旦超设备材料允许强度，将会造成部件严重损伤，导致不可估量的损失。因此在调相机设置了相关超速保护，它能在机组转速超过额定转速110%时进行动作，使调相机进入事故停机程序。因此，分析并优化大型调相机超速保护策略对于保障大型调相机安全稳定运行意义重大。

1. 大型调相机超速保护原理

发电机组超速保护主要有机械式超速保护、DEH电超速保护和TSI电超速保护各种。机械超速保护即在机组转速超过额定转速110%时，此时机械危急遮断装置连杆将使高压遮断组件的紧急遮断阀动作，切断高压保安油的供给，同时将高压保安油的排油口打开，泄掉高压保安油，快速关闭各主油水汽调节阀门。DEH电超速保护和TSI电超速保护即当机组检测到转速达到额定转速的110%时，发出电气停机信号，使主遮断阀和机械停机电磁铁中的电磁遮断装置动作，泄掉高压保安油，同时DEH又将停机信号送到各阀门遮断电磁阀，快速关闭各主油水汽调节阀门。

目前换流站大型调相机超速保护通用方案采用的是TSI超速保护，使用的是美国GE公司的3701/55电子超速检测器，采用3支型号3300XL非接触式电涡流传感器与测速齿轮配套使用进行测量转速。

转子带动测速齿轮旋转，当测速齿轮的齿通过转速探头时，转速探头会输出一个电压脉冲信号，该电压信号通过信号电缆传输到 3701/55 型超速保护装置，该装置拥有3个独立的CPU模块，每个CPU能够处理2路转速输入，3个CPU模块能够完成6路转速信号的处理。

转速信号经在线监测系统转换后送至调相机监控系统后台进行监视，当转速超过额定转速103%即3090转/分时，发出超速报警信号，而当转速超过110%，即3300转/分时，发出跳机信号，强迫调相机停下来，确保机组的安全。

2、大型调相机超速保护配置

对于运转中的调相机，超速是非常危险的情况之一，如果不加以控制，会造成调相机发生重大的事故，导致飞车的危险。最坏的超速情况之一是调相机在SFC拖动进行并网时，若转速设置错误造成转速飞升。调相机超速的测量范围：0～5000rpm。一般转速超过额定转速105%即3150转/分时，超速保护仪表需要发出报警信号，而当转速超过110%，即3300转/分时，超速保护需发出跳机信号。根据相关规程设计要求，超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑，应采用“三取二”方式。

目前该调相机系统统一采用的是超速保护信号三取二方式动作，当有两个或两个以上的超速保护信号节点动作，且持续0.1秒时，才启动紧急停机出口。

3、大型调相机超速保护存在的问题

目前特高压换流站站在运调相机超速保护装置均采用本特利的 3701/55 型装置，该装置在调相机运行期间多次出现测速不准、转速信号跳变等现象，可能导致超速保护误动作从而影响调相机正常安全稳定运行。

经检查可能为以下原因导致：

1. 调相机投运后，转子由于离心力的作用沿旋转方向偏移，使得转子正常运行中与部分传感器的距离较近，与部分传感器的距离较远。同时，从静态到额定转速，转子大约上浮 0.3mm。

2. 转子支架固定不牢固，转子旋转过程中的振动可能导致支架固定部位向下移动，带动支架整体下沉。

3. 信号传输电缆抗干扰能力差。

针对上述分析的导致超速保护误动作原因，可采取以下措施进行处理。

1. 针对测速不准问题，调整转速探头与测速齿轮间隙时，需考虑转子旋转引起的位置偏移，保证转子额定转速时转速探头与测速齿轮间隙符合要求。

2. 将支架由测速齿轮上方移至下方，避免支架下沉造成转速探头与测速齿轮磕碰，同时增加支架厚度以提高刚度，避免支架下沉。

3. 采取超速保护装置外壳接地、合上柱塞压板、加强信号线屏蔽等措施提高超速保护装置抗干扰能力。

4、大型调相机超速保护建议

和汽轮发电机组和水轮发电机组相比，调相机是一种无功补偿装置，是运行于电动机状态且向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机，不带机械负载，同时也没有像发电机组中汽轮机、水轮机这样的原动机，其通过SFC进行拖动至额定转速进行并网，运行时从电网吸收少量有功功率维持其损耗，转速随电网频率同步变化，因此不存在调相机在并网后发生超速的情况。

在调相机运行过程中，超速保护功能不起任何作用，反而由于测速装置测速不准、转速信号波动跳变等原因可能导致超速保护误动作，造成机组非计划停运。

因此针对目前在运的调相机可修改超速保护逻辑，在调相机启动时投入超速保护，并网后退出该保护，并将 SFC 出口隔离刀闸或断路器的位置信号作为超速保护投入和退出判定条件。

图1 超速保护修改后动作逻辑图

对于正在建设的调相机建议在SFC系统配备冗余可靠防超速保护措施，确保调相机启机拖动过程中机组不会发生超速情况，即可取消调相机超速保护装置。

5、总结

本文详细分析了大型调相机超速保护配置策略，在此基础上结合目前在运的调相机超速保护出现的问题，指出了现有调相机超速保护的不足，并进一步提出了合理的建议和改进的措施，该改进措施具有非常良好的实用价值。本文的研究为特高压换流站大型调相机超速保护的运用提供了重要参考和借鉴，具有很强的实用性。

6、参考文献

[1]尹积军. 支持特高压互联网安全运行的供需友好互动技术研究[J].中国电机工程学报. 2016:36(21):5715-5723.

[2]淩卫军. 浙江交直流混连电网特性分析及运行控制[J].浙江电力. 2016:35(9):8-14.

[3]郭一兵.特高压交直流系统动态无功支撑大型调相机运行需求分析[ J] .湖北电力，2016:40(5):1-4.

[4]王强.应对多馈入直流换相失败的同步调相机布点方法[ J] .电力系统自动化，2019:43(1):222-227.