基于零功率因數過勵試驗的水電機組勵磁電流的確定

曹登峰，潘羅平，周 葉，安學利

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 引言

在“一帶一路”倡議的推動下，我國承建的一批海外大中型水電工程接連投運，其涉及的水輪發電機組的性能考核是海外水電工程移交前的最后一道“關卡”。勵磁電流是水電機組運行中一項基本的重要參數，但由于制造、安裝等原因，勵磁電流實際值與設計值經常存在一些偏差[1，2]，導致機組不能順利通過性能考核，乃至延誤工程順利完工。

保梯電抗是水輪發電機的一項重要參數，其與發電機的勵磁電流密切關聯[3]。準確測定保梯電抗，繼而利用保梯圖、ASA圖或瑞典圖計算發電機的勵磁電流，有助于準確描述發電機的運行狀況及性能[4]。而零功率因數過勵試驗作為國內外相關標準中唯一推薦的測定同步電機保梯電抗的試驗方法，國內外在應用上仍存在一些差異。

本文在老撾一水電站機組上開展了零功率因數過勵試驗，測取并根據保梯電抗計算出了發電機在不同負荷下的勵磁電流，對實測勵磁電流值進行了復核。

2 測定原理

2.1 零功率因數過勵試驗

IEC 600034推薦以作圖法確定同步電機的保梯電抗，如圖1所示[5]。圖中，點A為零功率因數負載特性曲線上對應定子額定電壓和額定電流的點，AF長度等于短路特性曲線上對應額定定子電流的勵磁電流ifk，FH平行于氣隙線，與空載飽和特性曲線相交于H，HG長度即保梯電抗xp。然而，受發電機靜態穩定運行極限的限制，水輪發電機組很難在零功率因數、額定定子電流下運行，即在水電站現場無法測取到額定定子電流下的零功率因數負載特性曲線。

圖1 作圖法確定保梯電抗

文獻[6]提出了一種確定點A的方法，如圖2所示。圖中，點C為零功率因數試驗時對應定子電流i的實測點，CE長度等于短路特性曲線上對應定子電流i的勵磁電流，EJ平行于氣隙線，與空載飽和特性曲線相交于J。將空載飽和特性曲線沿JC向右下方平移至點N，其中JN/JC=1/i，平移后的曲線即額定定子電流下的零功率因數負載特性曲線，曲線上對應額定電壓的點即點A。

圖2 零功率因數負載特性曲線的確定

本文利用此方法，根據零功率因數試驗時的實測點，將空載飽和特性曲線平移，得到機組不同定子電流下的零功率因數負載特性曲線，進而得到保梯電抗，最后可計算機組在各個負載下的勵磁電流。

2.2 保梯圖

利用保梯圖和保梯電抗確定勵磁電流的原理圖如圖3所示。其中，在額定電壓向量UN的終端作保梯電抗壓降ixp與定子電流向量i相垂直，其與UN的向量和即電勢ep。作勵磁電流ifp向量垂直于ep，其長度等于空載飽和特性曲線上對應ep的勵磁電流。在ifp終端作向量ifa，其長度等于短路特性曲線上對應額定電流的勵磁電流ifk與空載飽和特性曲線上保梯電抗壓降ixp對應的勵磁電流之差。對應定子電流i的勵磁電流即ifp與ifa的向量和[7]。

圖3 保梯圖確定勵磁電流

2.3 ASA圖

利用ASA圖和保梯電抗確定勵磁電流的原理圖如圖4所示。其中，電勢ep的確定同2.2。Δif為空載飽和特性曲線上對應電壓ep的勵磁電流與氣隙線上對應ep的勵磁電流之差。氣隙線上對應額定電壓的勵磁電流ifg，短路特性曲線上對應電流i的勵磁電流ifk和Δif三者的向量和即對應電流i下的勵磁電流。

圖4 ASA圖確定勵磁電流

2.4 瑞典圖

利用瑞典圖和保梯電抗確定勵磁電流的原理圖如圖4所示。其中，ifo為空載飽和特性曲線上對應額定電壓的勵磁電流，ifk同2.2。DL長度為1.05倍的ifk，MP垂直平分BL。DK與以M為圓心、經過點L和點B的圓相交于點K，點K距原點的長度即對應電流i下的勵磁電流。

圖5 瑞典圖確定勵磁電流

3 實例分析

老撾一在建水電站，機組并網后在額定工況下運行時，實測勵磁電流超過設計值，業主對發電機性能產生質疑。因此，開展零功率因數過勵試驗，測定發電機保梯電抗，進而計算機組勵磁電流，對實測值進行復核。

3.1 機組參數

機組各項參數見表1。

表1 測試機組主要參數

3.2 數據處理

試驗時，機組在過勵狀態下運行，有功功率、功率因數為零。在發電機靜態穩定運行極限的限制內，調整無功功率，使定子電流盡量大。試驗期間，定子電壓不超過額定值的±15%。機組運行穩定后，記錄數據，利用實測點計算機組的保梯電抗。

保梯電抗的計算如圖6所示。經計算，保梯電抗實測值為0.147 7（標幺值）。由于零功率因數負載特性曲線由空載飽和特性曲線平移得到，故錄取空載飽和特性曲線時，應將發電機升壓至130%額定值，以保證計算的需要。試驗結束后，機組在額定功率因數、不同負載下的勵磁電流計算結果如表2所示。

圖6 保梯電抗的作圖求解

表2 機組不同負載下的勵磁電流計算結果

3.3 結果分析

機組在不同負載下的勵磁電流計算值與實測值、設計值的偏差如表3所示。

（1）偏差分析。從表3可以看出，根據實測的保梯電抗，利用保梯圖、ASA圖、瑞典圖計算得到的機組在不同負載下的勵磁電流計算值與實測值的偏差在±2%以內，表明電站實測勵磁電流值是準確的。

（2）容差判定。根據IEC 60034-1規定，同步電機勵磁電流實測值與設計值的允許容差為±15%[8]；表3的結果表明，機組在不同負載下的勵磁電流實測值、計算值（保梯圖、ASA圖、瑞典圖）與設計值的偏差在±4%以內，滿足容差的這一規定；由于制造、安裝等原因，實測勵磁電流值與設計值存在一定偏差，但仍在合理和可允許的范圍內。

根據試驗結果，繪制勵磁電流與定子電流的關系曲線，如圖7所示。

圖7 勵磁電流復核結果

4 總結

本文在水電機組上開展零功率因數過勵試驗，測定保梯電抗，進而利用作圖法計算機組在不同負載下的勵磁電流，對實測值進行了復核，結果表明：勵磁電流計算值與實測值偏差較小，零功率因數過勵試驗是復核勵磁電流實測值的可行方法；勵磁電流實測值與設計值不可避免的存在一些偏差，當偏差較大或超過合同、標準規定的容差范圍時，可實施零功率因數過勵試驗，對勵磁電流進行復核，以驗證其準確性和有效性。