华亚汽电厂发电机并入系统突波分析雷击与开关突波过电压作用在.DOC
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華亞汽電廠發電機併入系統突波分析
雷擊與開關突波過電壓作用在電力系統上,具有兩個相同的特徵,(1)暫態電壓的幅值可能遠大於系統運轉之線電壓,(2)暫態電壓上升或是下降的變化率,遠大於電壓在系統中的時變頻率變化率;而暫態過電壓的幅值與上昇率,是造成變壓器絕緣故障的原因之一。發電機組運轉控制項目包含(1)整步,(2)同步並聯及(3)與系統解聯;應用現場暫態現象量測技術,實測紀錄機組之整步並解聯暫態記錄,有其必要性與價值。
一、同步發電機並聯條件
機組併入系統前,調整電樞電壓與頻率之控制程序,稱為整步,因此在整步過程中,並聯斷路器兩端之跨壓,可以應用與相位、頻率差有關的電壓包絡線呈現其變化特徵,而同步裝置即應用包絡線的時變特性,檢測待並聯機端電壓與匯流排電壓之進入同相位之時機,並在斷路器兩端跨壓逐漸降為零瞬間,令斷路器完成閉合操作並將機組併入系統運轉。為簡化問題可將系統中運轉的機組等效成為一部發電機,稱之為G1發電機(Running System),G2發電機準備於開關S1閉合即加入系統運轉發電(Oncoming Generator),參考圖3;為避免發電機發生嚴重損壞以及負載失去電源,則準確的三相電壓與相位是S1在閉合之前的充分必要條件,若S1關閉的瞬間存有電位差,則在開關閉合時,將產生過電流,過電流振幅的大小、持續時間與次暫態電感、暫態電感、穩態電感及暫態時間常數有關。因此,考慮兩機並聯之匹配四條件如下述:
兩機的電壓均方根值必須相等。
兩機必須具有相同的相序。
兩機具有相同的相位。
待並聯機連接至系統前,其頻率應稍高於系統頻率。
待併入系統機組及自動同步裝置連接示意圖
條件1說明待並聯發電機,在並聯前經由激磁機調整磁場,使得電機輸出之端電壓振幅與系統電壓大小相等;若兩機輸出的電壓相等,同時兩機間的相角亦相等,此時兩機間將沒有電位差,則稱作滿足條件3;條件2是確定兩機之各相電壓峰值以相同的順序產生,若是兩機相序不同,則三相中僅有一相屬於同相(In phase),其餘的兩相將互差相位120?稱為異相(Out of phase),若是機組在上述的情況中投入斷路器將兩機並聯運轉,則在斷路器投入瞬間,在兩機異相之電樞繞組間,將發生嚴重的過電流。其次,若兩機的轉速或是頻率不是非常的接近,則在並聯瞬間,將產生相當大的暫態電流,此一過電流必將持續相當的時間,直到發電機穩定的運轉於系統頻率為止。因此並待並聯發電機在滿足電壓相等的限制條件後,需適度的調整轉速,使得發電機之頻率極為接近系統頻率,此時待並聯機與系統間的相角增量差值的變化亦相當緩慢,此一相角增量值亦即相角差的變化,可以包絡線方程式或是紀錄圖形觀察之,在包絡線等於零的瞬間,就是兩機準確於同相位瞬間準確並聯的最佳時機,此時閉合S1即可完成發電機的並聯加入運轉[1]。圖4係說明自動並聯設備的控制示意圖。
若待並聯機與系統之間存有頻率差,可應用同步儀順、逆時針轉動方向,觀察出電機速度稍高(fast)或是稍低(slow)於系統;其次,在整步程序中,因待並聯機與系統間的頻率差不為零,其間的電壓差幅值及相位角度變化量,可以電壓包絡線表示;例如待並聯機與系統電壓在同相位(in-phase)時間點上,此一包絡線電壓為零;反之,待並聯機與系統電壓相位偏移180?(out-of-phase),可產生兩倍幅值之電壓包絡線。電壓包絡線之瞬時值可以下式表之,
藉由電壓包絡線瞬時方程式,可推導出三相電壓包絡線方程式,藉由三相電壓包絡線方程式之最大值出現次序,亦表示待並聯機轉速高於或是稍低於系統同步速度,如在電機轉速稍高情況下,三相電壓包絡線峰值電壓以c-b-a相序出現;反之,電機速度較系統同步速度稍低時,其三相電壓包絡線峰值將依a-b-c順序出現;在機組控制室中,裝置於同步並聯配電盤上的同步儀,可顯示電機與系統同步速度差,同步儀表計如圖2所示;
同步儀示意圖
在此以MATLAB軟體模擬系統發電機之整步作業,模擬結果之系統電壓、發電機電壓及兩者之電壓波型及相位變化,如圖5所示;首先說明假設條件:設定系統電壓等於1pu、頻率等於60Hz,待並聯發電機之輸出端電壓等於系統電壓;其次,設定待並聯發電機頻率稍高於系統頻率為60.5Hz(此一頻率差設定值,係為便於觀察及說明包絡線)。圖5顯示V1及V2電壓振幅大小相等,在時間軸上0.096~0.104秒位置,二者相角相差接近180o,故2pu的電壓差達到週期中最大值;時間軸上靠近0.2秒的位置,顯示V2以較快的速度電壓逐漸接近V1,兩者間電壓的相角差亦逐漸靠近同相位之0o,此時二者間的電位差亦趨近零伏特;0.2秒以後,二者的相差亦隨著時間的流動而開始另一週期的變化。
為準確的在十二點鍾位置關閉開關完成並聯手續,必須考慮斷路器投入機構的動作延時特性,在適當的提前角度操作斷路器,
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