常永亮，张兵海，王 勇，何忠华

（1.河北省电力研究院，河北 石家庄 050021；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 井陉 050300）

0 引言

水泵工况启动是可逆式抽水蓄能机组重要的工况转换过程，而背靠背启动方式是抽水蓄能机组水泵启动的重要启动方式之一，该方式涉及拖动设备的选择、拖动机组和被拖动机组的流程控制、励磁、调速器以及保护配合等相关设备的联合控制，是一个复杂的机电协调控制过程，背靠背启动成功与否直接关系到抽水蓄能机组和电网的安全稳定运行。

目前，在国内多个抽水蓄能电站调试阶段，发生过抽水蓄能机组在背靠背启动过程中，由于拖动机组和被拖动机组励磁切除配合问题而导致的事故，有的引起继电保护装置误动作导致背靠背启动失败，有的严重时烧毁电气设备，所以在背靠背启动过程要采取必要的预防措施，以避免发生类似事件而影响主设备的正常运行。

1 背靠背启动介绍

1.1 背靠背启动流程

背靠背启动过程中，拖动机组及被拖动机组通过启动母线形成的电气轴传递拖动力矩。背靠背启动的主要步骤如下：

（1）建立一次设备的连接。拖动机组拉开中性点刀闸，合上拖动刀闸，合上机组出口开关；被拖动机组将换相刀闸合向抽水方向，合上被拖动刀闸。

（2）投入拖动机组和被拖动机组的励磁。建立电气轴并维持恒定励磁电流。

（3）根据设定开度打开拖动机组导叶。当导叶达到一定开度能够克服水轮机启动的阻力矩时，拖动机组开始缓慢启动。由于两机组间预先通入励磁电流，拖动机组必然会产生感应电动势，使定子上产生的低频电流通过启动母线流向被拖动机组定子。被拖动机组在励磁作用下产生拖动转矩，当拖动转矩大于启动阻力矩时，被拖动机组开始转动。

（4）被拖动机组同期装置启动。根据被拖动机组与电网的频差和压差，通过调节拖动机组调速器和励磁装置，满足同期条件后发出被拖动机组开关合闸命令，同时发出拖动机组开关分闸命令，解除拖动电气轴。

（5）被拖动机组根据设定至抽水调相或抽水工况运行。

（6）拖动机组根据设定至停机或发电工况运行。

1.2 监控跳机流程

监控流程是有许多子程序组成的，由两个总调用程序实时统一管理调用：其中，一个总调用程序使机组实时根据不同命令选择相应的子程序，从而在相应的工况之间进行正常转换；另一个总调用程序使机组实时根据不同的跳机条件选择相应的跳机子程序，来实现不同的跳机功能。注意只要机组得电投入备用，这两个总程序就实时地对子程序进行管理调用。

工况转换可以分解成若干步骤，且每一步都有定义许可的时间。在自动模式下，在许可时间内必须完成每一步定义对转换设备操作并收到相应的反馈状态信号；否则，机组工况转换失败，启动停机程序，若停机过程转换时间过长，将启动跳机程序。

1.3 背靠背方式故障情况下的跳机

以国内某抽水蓄能电站为例。上述信号传输的方法是技术改造前，在监控系统中设置公共就地控制单元 （LCU），由其进行机组的状态判断和跳闸信号的关联发送，这可配合各机组顺序控制流程。其优点是减少了机组二次接线，便于功能组态和修改；缺点是计算机运算和信号传输间存在的时延可能导致动作异常，严重时会导致损毁设备事故的发生。

本文提出的技术改造方案是，机组状态的判断取自计算机监控系统，但其信号的传输独立于计算机监控系统，设置硬布线回路，在机组背靠背拖动过程中形成拖动和被拖动机组的关联跳闸回路，各机组的继电保护动作后引出跳相关机组的信号，通过上述硬布线回路直接跳拖动机组和被拖动机组。其优点是动作迅速，缺点是增加了接线和维护量。

2 技术改造方案

2.1 技术改造必要性

背靠背启动升速过程中，由于被拖动机组的原因造成启动失败，被拖动和拖动机组需分别执行紧急停机流程，此时要保证拖动机组和被拖动机组的励磁切除时间的配合。假如被拖动机组的励磁先切除，拖动机组励磁后切除，在这段配合时间内，被拖动机组将处于失磁状态，由于该机组的电枢反应消除，电磁制动力矩也将消失，其电机定子绕组阻抗将呈现非常低的状态，拖动机组的定子三相电流在被拖动机组定子中三相短路，会在启动回路产生大的短路电流。该电流远大于启动回路额定电流，会引起主变大差动保护动作，严重时将烧毁启动回路相关设备。例如，国内某大型抽水蓄能电站调试阶段，背靠背拖动时曾发生过损毁电气设备的情况，事故后查看故障录波仪得知，其跳开拖动机和被拖动机灭磁开关的时间差高达400 ms之久，是造成损毁设备的直接原因，所以对其进行技术改造很有必要。

2.2 技术改造方案

通过在机组保护系统中添加 “跳相邻机组单元”接点，使其与 “跳本机组”接点同时动作。若背靠背启动过程中机组出现电气或机械故障跳机时，跳本机的灭磁开关 （以下简称 “FCB”），同时发出相邻机组的FCB令。跳相邻机组令是通过硬布线送至另一机组，可以达到同时跳拖动机和被拖动机灭磁开关的目的，其时间差很小 （见模拟试验表1），可以忽略。背靠背跳闸技术改造示意图见图1所示。

本次背靠背跳闸技术改造涉及监控系统、保护系统、励磁系统部分的修改。

在监控系统中，为将故障机组保护跳闸信号和相邻机组的励磁FCB跳闸线圈相连，在监控系统中设置机组选择逻辑。即将对应拖动机和被拖动机的保护和励磁相连，见图2所示。在保护系统中，添加 “跳相邻机组单元”功能，用于跳相邻机组FCB。在保护系统和监控系统间敷设电缆，并修改程序。即在FCB跳闸回路中引入4台机组监控系统的跳闸信号，见图3所示。在励磁系统中，监控系统跳闸信号要引入励磁系统的FCB跳闸线圈，需敷设控制电缆，用于跳有关机组的FCB。

图1 背靠背跳闸技术改造示意

图2 背靠背跳闸回路监控系统机组选择逻辑示意

图3 背靠背跳闸回路监控系统修改示意

3 技术改造后试验

3.1 技术改造后背靠背模拟试验

国内某大型抽水蓄能机组背靠背跳闸技术改造后，在4台机组两两背靠背拖动过程中现场分别模拟电气故障和机械故障跳机，测量跳开拖动机组和被拖动机组灭磁开关的时间差，结果见表1。

现场试验 （包括现地单步流程方式和主控室自动方式）表明，4台机组相互间的背靠背流程正确，功能正常，满足设计要求。

表1 模拟故障跳机时跳开机组灭磁开关的时间差ms

3.2 试验中发现的问题及建议

在4号机组拖动1、2号机组过程中在被拖动机组转速达到220 r/min时，系统出现故障跳开拖动机组和被拖动机组的灭磁开关，导致试验失败。检查分析其因为，4号机组在监控发出打开小导叶命令后，由于4号机组本身的机械特性使打开小导叶时间超时。增加相应延时后，问题得到解决，系统功能正常。

由于机组机械特性间的个性差异，使被拖动机组在初始投入励磁到机组转动起来的时间存在差异，但时间差应控制在30 s之内。因为，若在被拖动机组投入励磁后，机组转子长时间拖动不起来，会对机组造成损坏。建议在监控中增加相应保护逻辑，使该种情况下跳开拖动机组和被拖动机组的灭磁开关，有效保护机组的安全。

4 结论

国内某大型抽水蓄能机组背靠背跳闸的技术改造，解决了由于背靠背方式下发生电气或机械故障时不能同时跳开拖动机组和被拖动机组灭磁开关而引起保护误动或损毁设备的问题，现场模拟试验验证了技术改造方案的正确性和有效性。

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