發電機進相運行分析

朱建立

(華能嘉祥發電有限公司，山東 濟寧 272400)

隨著電網的發展及超高壓、遠距離輸電線路的應用，系統存在很大的電容電流，增加了系統產生的無功功率，尤其在負荷低谷時，電網無功功率過剩，易造成電網，特別是220 kV以上母線電壓偏高。此時，采用大機組進相運行，吸收系統過剩的無功功率，降低電壓，是最佳的經濟和技術選擇。現以某電廠1號發電機為例，從進相運行的原理、進相運行參數測試、運行注意事項等方面進行分析討論，為進相運行提供技術支持。

1 發電機進相運行的概念及影響

當發電機電樞電流I1與系統電壓U同相位時，電樞電流全部為有功電流，發電機只向電網輸送有功功率，這種勵磁狀態為正常勵磁狀態，所對應的發電機電勢為E1。保持發電機有功功率不變，調節勵磁電流使其大于正常勵磁電流，此時為過勵狀態，對應的發電機電樞電流為I2，電勢為E2。過勵時，I2＞I1，E2＞E1，此時發電機電樞電流滯后電網電壓U,即功率因數滯后，電樞電流除有功分量外，還有一個滯后的無功電流分量,即發電機向電網輸送感性無功功率，這種運行狀態稱為滯相(遲相)運行。保持發電機有功不變，減少發電機勵磁電流，使其小于正常勵磁電流，這種勵磁狀態稱為欠勵狀態，對應的發電機電樞電流為I3，電勢為E3，此時I3＞I1，E3＜E1，發電機端電壓低于電網電壓。發電機電勢減小，電樞電流超前于電網電壓，即功率因數超前，電樞電流除有功分量外，還有一個超前的無功電流分量，發電機向系統輸送有功功率，也吸收感性無功功率，這種運行狀態稱為進相運行。進相運行向量如圖1所示。

圖1 進相運行向量示意

由圖1可以看出，在保持發電機有功功率不變的情況下，發電機的電勢和電網電壓之間的相角差(功角δ)隨著勵磁電流的增大而減小，隨著勵磁電流的減小而增大，勵磁電流越小功角越大。發電機功角特性如圖2所示。

圖2 發電機功角特性

由圖2可知：當0<δ<δm時，隨著δ的增大，Pm亦增大，同步發電機在該區間能夠穩定運行；當δ>δm時，隨著δ的增大，Pm反而減小，電磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，發電機轉速越來越大，發電機將失去同步，故在該區間發電機不能穩定運行。在有功功率不變的情況下，當發電機進相運行時，功角δ勢必增大，所以發電機進相運行時允許吸收多少無功功率、發出多少有功功率取決于靜穩定的極限功角。

另外，汽輪發電機運行時，定子繞組端部的漏磁場也以同步轉速相對定子旋轉，其漏磁場的一部分經過定子繞組端部空間、轉子護環、氣隙及定子端部鐵芯構成磁路，可使定子端部鐵芯平面上因產生渦流而發熱。此外，由于勵磁繞組緊靠護環，它的漏磁場主要經護環閉合，當發電機進相運行時，由于勵磁電流減小，勵磁繞組端部漏磁場減弱，護環的飽和程度下降，從而減小了定子端部漏磁場所經過磁路的磁阻，增大了定子端部漏磁場，加大了鐵損，最終導致定子端部鐵芯嚴重受熱。

發電機進相運行會造成發電機端部電壓下降，所帶廠用電電壓下降，若母線電壓低于額定電壓的5 %將影響廠用電動機的運行，進而影響機組的安全運行。發電機進相運行時，若保持輸出有功功率不變，會使發電機定子電流增加，定子線圈發熱。

發電機進相運行和失磁都是勵磁電流低于正常勵磁電流，且都從系統吸收無功功率；但失磁是由設備故障或人員調整不當引起的，在相同有功功率輸出下，其勵磁電流將更小，使其功角特性的電磁功率幅值小于當時的原動機輸出功率，可能會進入失步狀態；但一般還未進入失步狀態保護就會動作跳閘，故發電機不允許長時間失磁運行。隨著電網的完善及電源的增多，系統允許發電機進相運行，其功角特性的電磁功率幅值仍大于當時的原動機輸出功率Pm，故仍然與系統同步。因此，只要發電機進相進行不超過試驗的深度，就能保證機組安全。

2 發電機進相運行深度的確定

同步發電機進相運行要通過試驗確定進相運行深度。即在有功功率一定的狀態下，吸收多少無功功率才能保持系統靜態穩定和暫態穩定，使各部件溫升不超限，并能滿足廠用電壓的要求。現在以該電廠的1號發電機為例進行介紹。

2.1 設備介紹

該電廠1號發電機為山東發電設備廠引進技術生產的空冷兩極三相交流同步發電機，型號為WX25R-127，以汽輪機為驅動機。額定容量為388.2 MVA，額定功率為330 MW，定子電壓為22 kV，定子電流為10 188 A，轉子電壓為385 V，轉子電流為1 680 A，額定轉速及頻率分別為3 000 r/min及50 Hz，效率為98.73 %。勵磁方式為自并勵靜止可控硅勵磁，勵磁調節器采用南京南瑞集團公司電氣控制分公司生產的SAVR-2000雙自動通道數字式自動電壓調節器。冷卻方式為密閉循環空氣冷卻(轉子繞組為空內冷，其余為空外冷)。該發電機具有結構簡單、輔助設備少、安裝維護方便、運行安全可靠、運行費用低等特點。1號發電機通過1號主變壓器連接到山東500 kV電網。2006年10月由山東電力研究院負責對1號發電機進行進相試驗，以確認該機的進相運行深度。

2.2 試驗措施與步驟

本次試驗主要測試限制發電機進相運行能力的3個主要因素：發電機的靜穩定、定子鐵芯端部的溫升、廠用電壓的降低。為了保證試驗的安全，試驗時采取了以下措施。

(1)為保證發電機的靜穩定，在試驗中監視發電機的功角δ不超過70°，且只在自動勵磁調節器投入運行下進行進相運行試驗。自動勵磁調節器投入運行大大提高了發電機的靜態穩定極限，增強了穩定運行的能力。

(2)為減少定子鐵芯端部發熱，1號發電機鐵芯端部安裝了銅屏蔽和磁屏蔽，大大減少了端部漏磁的影響，但由于設計制造的原因，端部未安裝測溫元件，由廠家保證端部溫度不超溫。

(3)發電機進相運行時，隨著發電機勵磁電流的減小，發電機端電壓降低，廠用電壓也會降低。發電機進相運行試驗時，要求發電機電壓不低于20 kV，6 kV母線電壓不低于5.7 kV，400 V母線電壓不低于360 V。若低于上述值則進相深度不僅不能繼續加大，還會增加勵磁以減小進相深度。

發電機并網帶負荷正常運行后，試驗分有功功率為180 MW(最低穩燃負荷)，240 MW，300 MW 3種工況進行。其中180 MW和240 MW試驗工況在高廠變帶廠用電下進行，300 MW試驗工況在高備變帶廠用電下進行。

試驗時1號發電機置于自動勵磁的方式下，運行人員在試驗過程中保持該機組的有功功率、進風溫度、空冷器進水溫度、進水壓力不變。

在上述工況下，運行人員手動降低勵磁，直至滿足限制進相運行的條件(功角δ不大于70°，定子鐵芯及端部結構件溫升不超過廠家規定，不超過廠家P-Q圖要求，發電機電壓不低于20 kV，6 kV母線電壓不低于5.7 kV，400 V母線電壓不低于360 V)為止。試驗完畢后，機組恢復至滯相運行。試驗結果如表1所示。

表1 1號發電機進相運行相關數據

從此次實測結果可以看到，鐵芯溫度最高的工況為300 MW下進相102.7 Mvar，此時發電機端部的磁密最高，最高溫度為70.4 ℃，溫升為40.5 K，離溫度限額120 ℃差距很大，因此該機在進相時不受端部結構件發熱的限制。

從試驗數據可以看出，3種工況(300 MW，240 MW，180 MW)進相到最大深度時發電機的功角分別為68.13°，57.15°和53.10°，均不超過70°，因此該機在進相時不受靜穩定的限制。從試驗結果可以看出，該機進相深度受廠用電電壓降低條件限制。廠用電由高廠變帶的工況是400 V降至360 V限制住進相深度，此時500 kV母線電壓較滯相時下降5 kV左右，調壓效果明顯。

3 發電機進相運行注意事項

(1)根據發電機進相運行的理論分析，發電機進相運行時靜態穩定性降低，端部漏磁引起定子端部溫度升高，廠用電電壓降低，且由于機端電壓降低，在輸出功率不變的情況下發電機定子電流增加，易造成過負荷。因此在發電機進相運行時應注意監視發電機的靜穩定情況，確保發電機各表計指示正常無擺動，以防發生發電機失步；監視發電機定子電壓、定子電流不超過運行限額，特別是在高負荷情況下，否則停止繼續降低無功負荷；注意監視發電機各部分溫度、溫升不能超過運行限額，否則立即停止進相運行；注意監視各母線電壓，保證輔機運行安全。

(2)在發電機進相運行時，應根據進相試驗結論，控制進相運行深度。該電廠1號機組在240 MW負荷工況時，進相深度不能超過-80 Mvar，如果繼續減小勵磁電流，雖然發電機還可能在靜穩定區域運行，但是400 V常用電動機電壓已經低于最低允許范圍，將嚴重影響機組低壓電動機的安全運行。所以，發電機在任何有功負荷狀態下進相運行，都應以進相試驗報告為依據，進相深度不應超出進相報告的結論。

(3)要注意監視發電機勵磁參數。發電機進相運行時要控制勵磁參數不低于本機組低勵限制定值。為了確保發電機進相運行時的安全，不允許退出低勵磁限制保護和失磁保護。在降低發電機勵磁時，若低勵限制器動作，應立即停止降低發電機勵磁，適當增大勵磁電流。因此，為維持發電機的合理進相運行工況，要根據預定進相深度重新計算整定低勵限制定值并通過試驗確定。

(4)禁止發電機在不正常運行狀態及事故處理的情況下進相運行。發電機在進相運行中發生振蕩或者失去同步時，應立即增加勵磁電流，使之為滯相運行，必要時可減少有功負荷。

(5)發電機升(降)負荷時應先增加無功功率再增加(減少)有功功率，待負荷穩定再減小無功功率至進相運行。如發現其他運行機組有功功率、無功功率有明顯擺動現象，應即刻增加發電機的勵磁電流，同時向調度申請恢復發電機滯相運行。發電機進相運行時，若因電網出現跳機等原因引起電網無功大幅波動，不應干涉發電機勵磁調節器動作。

4 結束語

發電機進相運行時所受到的限制因素很多，而且在不同的條件下，起作用的因素也不同，這就決定了進相深度的限制判據應是由多種因素組成的綜合判據，因此，運行人員應該熟練掌握進相運行的相關理論及其注意事項，以提高發電機進相運行的安全性。

1 涂光瑜．汽輪發電機及電氣設備[M]．北京：中國電力出版社，1998.

2 陳道舜．電機學[M]．北京：中國水利水電出版社，2001.

3 河南省電力工業局．火電廠電氣設備運行[M]．北京：中國電力出版社，1995.

4 范錫普．發電廠電氣部分[M]．山東：山東工業大學出版社，1987.