宜興抽水蓄能電站機組進相運行試驗與分析

梁慶春 陳鶴虎

（華東宜興抽水蓄能電站，江蘇 宜興 214205）

隨著電網的不斷發展，裝機容量的增加，高電壓長距離輸電線路的大量投入，電力系統中的充電無功日益增大。當夜間或節假日負荷處于低谷時，需要的無功功率大為減少，過剩的無功功率會使系統的電壓增高，甚至超過允許的規定值，嚴重地影響到電能質量與設備安全［1］。因此，吸收電網中的無功，降低偏高的電網電壓就成了電網的當務之急。采用并聯電抗器、同步調相機和發電機進相運行等措施是降壓常用的手段。僅從調相調壓的角度看，前兩者投資太大，所以發電機進相運行是適應這一要求的最經濟、有效、便利的措施之一［2］。宜興抽水蓄能電站是一座日調節純抽水蓄能電站，電站總裝機容量為1 000MW，裝設4臺單機容量為250MW的立軸單級混流可逆式機組。電站機組本身在電網起到了調峰作用，如果能夠采用進相運行又能起到降低電網電壓的作用。因此，有必要驗證機組進相運行能力，確定穩定運行的范圍，以指導電站在適當時候采用該運行方式。

1 發電電動機進相運行限制因素

發電機的運行范圍受冷卻條件、電壓水平、系統運行方式、AVR以及發電機參數的非線性（飽和作用）等多種因素的影響，進相運行時還受發電電動機端部結構件的發熱和在電網中運行的穩定性限制［3］。

1.1 靜穩定限制

抽水蓄能機組屬于凸極式發電電動機，凸極機的特點是Xd≠Xq，以標幺值表示的凸極機的電磁功率為：

式（1）中U為系統電壓，δ為發電機內電勢Eq與U的夾角，Xd為直軸電抗，Xq為交軸電抗。上式第一項為勵磁電磁功率，其值與勵磁電流的大小有關；第二項為附加電磁功率，其值僅取決于發電機Xd與Xq的差值和機端電壓的高低，與勵磁電流無關。

1.2 定子端部鐵心和金屬結構件的溫度限制

發電機端部漏磁通是由轉子和定子漏磁通合成的，它是一個隨轉子同速旋轉的合成磁場，其大小與定子繞組的結構、端部的結構和轉子、風扇的材料、尺寸和位置等發電機制造工藝有關。該旋轉漏磁通磁場在切割靜止的定子端部各金屬結構件時，就會在其中感應渦流和磁滯損耗，引起發熱。當發電機由遲相向進相運行方式變化時，端部合成漏磁通將隨之顯著增大，端部元件的溫升也將升高，成為限制進相運行的條件之一。

1.3 低勵限制和失磁保護

低勵限制的功能是防止發電機進相運行時過度進相引起失磁和失步。低勵限制的動作值是按發電機靜穩定極限并留有一定余量進行整定的。失磁保護則是針對發電機勵磁突然部分或全部消失而設置的繼電保護。考慮到試驗時一旦發電機失磁，發電機轉子電流將按指數規律衰減，同時將過渡到異步運行狀態，此時發電機將從電網大量吸收無功，嚴重影響系統安全穩定運行。因此，低勵限制需要根據機組實際運行情況重新核定，而失磁保護則要求一直投入。

1.4 進相工況的確定

試驗前對進相工況進行計算，功角以不超過50°為準，進相時主要測量定子電流、電壓，機組有功無功、頻率及功角等電氣參數和定子鐵心上部、鐵心下部、線棒等溫升值［4-5］。另外，考慮宜興抽蓄機組在低負荷時振動情況較差，將最低考核工況的有功負荷設置為略大于125MW（額定負荷的一半值）。經核算后選取的進相考核工況見表1。

2 實際試驗情況

2008年10月19日宜興抽蓄進行了4號機進相試驗，試驗期間，為了維持系統電壓穩定、保證系統無功儲備，同一單元的3號機組采用抽水調相的運行方式配合調節無功功率。

表1 進相考核試驗工況

首先進行第一個工況，有功功率250MW時機組的進相。進相前系統電壓為512.0kV，進相到試驗計劃工況，無功為-86.78Mvar。此時3號機配合發出無功41.29 Mvar，功角為40.3°，系統電壓為511.33kV。穩定20分鐘后，進行溫度測量。

之后進行第二個工況，有功降至200MW進行進相。進相前系統電壓為512.97kV，進相到試驗計劃工況，無功為-129.49Mvar。此時3號機配合發出無功81.68Mvar，功角為43.2°，系統電壓為511.29kV。穩定20分鐘后，進行溫度測量。

最后進行第三個工況，有功繼續下降至140MW進行進相。進相前系統電壓為513.27kV，進相到無功為-135.15Mvar時，發電機機端電壓下降至14.45kV，已低于額定電壓的92.5%（14.56kV）,停止繼續進相。此時3號機配合發出無功92.00Mvar，功角為37.4°，系統電壓為511.96kV。穩定20分鐘后，進行溫度測量。實際進相試驗工況數據見表2。

表2 實際進相試驗數據

3 數據分析

3.1 靜態穩定極限

從表4中可以看出，在3個試驗工況中，功角最大值為43.2°，不超過45°的靜穩定極限，因此該進相范圍可以作為機組的進相運行范圍。且在試驗過程中，低勵限制和失磁保護都未發信，驗證了保護的正確性。

3.2 進相運行對鐵芯溫升的影響

從測得的定子鐵芯溫升數據看，在3個進相工況中，鐵芯溫升的最高點都在鐵芯上部指壓板。最高溫升出現在有功為250MW，進相-86.78Mvar工況時，此時鐵心上部指壓板溫升為69.6K。其余2個工況的溫升最高值均低于此值，未超過發電機定子鐵芯的溫升限額80K，且有一定預度。

3.3 進相運行對發電電動機端電壓的影響

發電電動機運行規程中規定機端電壓不得低于額定電壓的92.5%（14.57kV），同時廠用電電壓不得低于額定電壓的95%。試驗前，為保證電站其他設備的安全，廠用電倒至其他機組。試驗中，隨著進相深度的增加，發電電動機端電壓U隨之下降，在250MW進相時，機端電壓從進相前的15.54kV跌至進相后的14.78kV。在200MW進相時，機端電壓從進相前的15.58kV跌至進相后的14.48kV，此時機端電壓已略低于額定電壓的92.5%（14.57kV）。在140MW進相時，機端電壓從進相前的15.66kV跌至進相后的14.45kV，此時機端電壓已低于額定電壓的92.5%（14.57kV），此工況的進相試驗由于機端電壓過低而停止繼續進相。因此，發電電動機進相時進相深度受到機端電壓的限制。

3.4 進相運行對500kV電網的調壓作用

進相運行時，隨進相深度的增加，發電機功角逐漸增大，吸收系統的無功增多，系統電壓相應下降。試驗時3號機組配合4號機組進行無功調節，但在進相后，系統電壓還是有所下降。在250MW進相時，系統電壓從進相前的512.00kV跌至進相后的511.33kV。在200MW進相時，機端電壓從進相前的512.97kV跌至進相后的511.29kV。在140MW進相時，機端電壓從進相前的513.27kV跌至進相后的511.96kV。表明發電機進相運行對系統電壓具有一定的調節作用。

4 結論

4.1 宜興抽蓄4號發電電動機具有一定的進相運行能力，在AVR投入運行方式下，在表3所列工況的范圍，即圖1 a/b/c范圍內進相運行是安全的。

表3 實際進相試驗數據

圖1 宜興抽蓄4號發電機進相范圍

4.2 進相運行時失磁保護須投入，AVR低勵限制可參照上述范圍整定。

4.3 通過進相試驗數據分析，發電電動機端部結構件的溫升在進相運行時有一定的預度，不會對發電電動機進相運行構成限制。

4.4 發電電動機進相試驗時機端電壓下降明顯，進相運行時應監視機端電壓和廠用電電壓的下降，不得低于電廠規定最低值。

4.5 進相運行對500kV系統降壓作用是有效的，對解決電網無功過剩，改善電壓質量是一種有效而且經濟的技術措施之一。

［1］陸明智,董功俊.發電機進相運行研究與分析［J］.華東電力,2001（4）.

［2］朱啟貴,田春光.發電機靜態穩定計算方法的改進［J］.吉林電力,2001（1）.

［3］周惠東.湛江發電廠300MW發電機進相運行試驗分析［J］.內蒙古電力技術,2003（1）.

［4］雷斌.李家峽水電站水輪發電機的進相運行［J］.西北水力發電,2002,18（3）.

［5］康健.水輪發電機組進相試驗及功角測量［J］.貴州水力發電,2000（4）.