異步發電機轉向試驗的安全措施分析

李海存

（云南天安化工有限公司，云南安寧650309）

云南天安化工有限公司（以下簡稱天安化工）3套硫磺制酸裝置共有4臺同步發電機和3套汽輪機驅動風機，發電機為6 MW中壓發電機2臺、12 MW凝汽式低壓發電機1臺、12 MW抽背式中壓發電機1臺。汽輪機驅動風機為一期800 kt/a硫酸裝置風機（國產）、二期300 kt/a硫酸裝置風機和二期800 kt/a硫酸裝置風機（進口）。目前除裝置正常生產使用的蒸汽外，富余蒸汽用來發電。3.2 MPa中壓裝機容量24 MW，正常發電負荷約12 MW；0.6 MPa低壓余熱裝機容量12 MW，正常發電負荷約9 MW。按照電價0.3元/kWh、每年運行300 d計算，可節約電費約4 536萬元/a。

中壓發電機和驅動風機汽輪機進口蒸汽壓力3.2 MPa，出口蒸汽壓力 0.6 MPa。0.6 MPa 低壓蒸汽有2個用途：主要供給磷酸裝置的濃縮工序生產使用，剩余蒸汽進入1臺12 MW凝汽式低壓發電機發電。在濕法磷酸裝置濃縮工序，石墨換熱器使用的蒸汽壓力為0.2 MPa，目前是通過噴射脫鹽水的減溫減壓裝置將0.6 MPa蒸汽減壓到0.2 MPa，減溫減壓過程中有大量的熱能被浪費。經過某設計院測算，可設置3臺3.15 MW異步發電機代替傳統的減溫減壓裝置，將0.6 MPa蒸汽減溫減壓到0.2 MPa，同時用于發電回收余熱。

按照目前的蒸汽量計算，每臺異步發電機按2 400 kW發電負荷運行，按照電價0.3元/kWh、每年運行300 d計算，可節約電費約1 555萬元/a。項目投資約3 800萬元，項目資金回收期不超過2年，投資預期效果良好。

1 異步發電轉向試驗必要性

同步發電機轉差率S=0，有配套的勵磁系統，可以通過沖轉、勵磁升壓后在并網柜處核對發電機和電力系統的相序正確性。異步發電機不可能裝設配套的勵磁系統，只能依靠轉差率建立定子與轉子之間能量轉換的磁場。采取異步發電機并電網的發電方式，其正常運行就必須從電網吸收無功功率才能建立定子和轉子之間的磁場。從異步電動機的機械特性曲線（見圖1）可以看出：在第一象限中電動機處于電動狀態，其額定轉速ne不會超過同步轉速n0；當電動機轉子在其自然轉向基礎上繼續升速超過同步轉速n0時，電動機運行狀態進入第二象限，運行狀態轉為異步發電狀態，即當汽輪機推動異步發電機轉子超過同步轉速才能發電[1]。轉向試驗的目的就是要保證發電狀態時汽輪機推動轉子的轉向要和電動機狀態時的自然轉向一致[2]。若2個轉向不一致，會導致待并側和系統側的兩相短路和機組軸系的嚴重機械事故。

圖1 異步電動機的機械特性曲線

2 異步發電機轉向時存在問題

異步發電機確認自然轉向時，需要當作電動機狀態啟動一次（不必完成啟動全過程）。相對一般的電動機容量，異步發電機機組容量比較大，其脫開汽輪機直接空載啟動需要從電網吸收大量的無功。因此，異步發電機當作異步電動機狀態直接空載啟動過程中，可能會出現電力系統的電壓暫降、母線電流過大等問題。如果異步發電機容量特別大，在其啟動過程中極有可能導致系統母線電壓降深度過大，可能會由于電壓暫降使在網運行其他電動機發生低電壓動作保護跳閘。此外，還有可能因啟動電流過大、時間過長導致母線進線開關速斷保護，或者帶時限過電流保護動作跳開進線柜，進而擴大影響范圍。

3 異步發電機轉向試驗前的措施

異步發電機轉向試驗主要會引起母線電壓暫降和過電流，其主要原因是由于啟動過程中吸收大量的無功。在轉向試驗前可以采取提高系統母線電壓或者增加系統的無功功率儲量的措施，對此，轉向試驗前可采取的措施有：

1）如果并網接入點母線上有同步發電機或者同步電動機運行，可強制加勵磁降低發電機功率因數（超前），抬高母線運行電壓，但一般不超過電網標稱電壓的1.05倍，即抬高至系統的平均電壓1.05 Un（Un為電網標稱電壓）。

2）一般異步發電機都裝設有電容補償裝置，可在試驗前手動投入電容器，以提升母線電壓至系統電壓的平均電壓水平。

3）電源側降壓站有載調壓主變壓器，改變變壓器的檔位，提升母線電壓水平。

4）如果同一母線上有比異步發電機容量還大的直接啟動的電動機，可以不進行電壓降核算，但最好減負荷或者空母線試驗轉向。

5）計算母線電壓降是否滿足要求，同時核算進線斷路器的速斷和過電流保護定值，如果不滿足要求就要采取減負荷的方式使用空母線，并設置零時繼電保護整定值，確保不影響上級供電系統的正常運行。

6）如果以上措施均不能保障異步發電機轉向試驗要求，可采取串入臨時電抗器的方式降壓啟動。

以上幾點措施主要是增加系統的無功功率或者增加PCC點的短路容量，提升母線電壓。進一步梳理各項措施之間的邏輯關系見圖2，可以單獨采取一種措施也可以多項措施并舉。

圖2 轉向試驗措施步驟確認邏輯

4 轉向試驗前的電壓降核算和保護定值核對

4.1 電力系統概述

3臺3.15 MW異步發電機發出的電能通過電纜線路接入302配電室6 kV I段高壓母線，達到就地消耗電能的目的。多余的電能再反饋回總降壓站6 kV系統消耗，PCC點即為302配電室的6 kV I段母線。異步發電機系統見圖3。

圖3 異步發電機系統示意

4.2 PCC點的母線電壓降和啟動電流計算

按照最嚴苛條件進行核算，即PCC點（302配電室6 kV I段母線）帶本段負荷正常運行，母線上無電容器投入，PCC點最小運行方式下如果校驗通過，則其他情況下保證能正常運行。母線電壓降計算如下[3]。

4.3 核算啟動時電壓降是否滿足要求

啟動時母線電壓值（線電壓）計算如下：

母線上電動機低電壓整定值（線電壓）計算如下：

得出結論：UstB＞Uop滿足要求，可以直接啟動。

4.4 302配電室6 kV進線601開關保護定值驗證

母線上設備正常運行時進線開關經過的運行電流值為：

異步發電機啟動時，進過601開關的負荷電流峰值為：

根據電動機啟動特性曲線，其啟動峰值電流在2～4 s。

各級開關柜保護定值與計算值比較見表1。

表1 各級開關柜保護定值與計算值比較判斷

轉向試驗主要保證上級開關601不動作，“過電流”保護在按照6.5倍啟動倍數計算時可能不通過，在確保不跳閘又保證上下幾個梯級配合的情況下，修改601開關的過電流保護動作值為2（3200）A，延時時間為1.5 s。其他下級開關動作不影響PCC點的正常運行。

由于轉向試驗沒必要要求電動機進入穩定狀態，異步電動機柜的“過負荷”保護雖然可能在峰值過后超過6 s但還沒有下降到400 A的設定值而跳閘，但電動機的旋轉方向已經足以確認，所以其“過負荷”保護整定值可不做試驗階段的臨時修改。

4.5 加強措施計算方式

按照4.2節計算，在加強保障措施時計算方法如下：①考慮投入同步發電機或同步電動機時等于提高了系統的短路容量，應核算到計算式中；②考慮投入無功補償設備（電容器組）時，相當于減小了預計負荷，應核算到計算式中，需要注意的是投入無功補償應在基礎上減去相應的投入無功負荷；③考慮PCC點停運正常負荷時，相當于減小了預計負荷應核算到計算式中；④在改變變壓器分接頭提升母線電壓時，如果電網無功缺額較大，母線電壓提升不明顯；如果電網無功充足，其效果明顯，改變分接頭實際上減小了PCC點的短路阻抗，相當于提升了PCC點的短路容量，計算時應核算到計算中，其計算復雜，不在此贅述。

以上措施可以同時采用，有些異步發電系統在設計時機組容量會超過10 MW，其啟動電流非常大，但如果采取措施后計算結果仍不滿足直接啟動要求，則需要考慮采取串入臨時電抗器的方式降壓啟動。一般確認異步發電機轉向時不必完成整個啟動過程，也就是說可以采取點動的方式確認轉向。如果系統容量確實不滿足直接啟動轉向試驗時，可在保證PCC點不跳閘的情況下將異步發電機回路中的其他開關柜（如645、6001、6003）保護動作值設置得更加保守，寧可犧牲異步發電回路的跳閘也要保證PCC點的正常。

5 實際轉向試驗的記錄數據和分析

5.1 試驗數據記錄

建議試驗采用電磁式電壓表和電流表。轉向試驗過程中發現尖峰電流時刻滿足直起要求，對系統影響較小，天安化工的轉向試驗完成了整個啟動過程。空載試驗數據為：

1）啟動時間 5.5～6.5 s，啟動尖峰電流 1 850 A。

2）空載運行電流60 A，空載有功消耗60 kW，空載無功消耗 650 kVar。

3）空載啟動時母線電壓降約為0.7 kV，即母線電壓 5.3 kV。

試驗轉向和汽輪機推動轉向一致，滿足項目投產運行需求。如果發電機的自然轉向與汽輪機推動轉向不一致，可在機端或者并網柜6003的出線側調相序即可。

5.2 空載試驗數據分析

試驗階段601、645、6001和6003開關柜保護器無保護動作記錄，即試驗階段臨時保護整定值滿足試驗要求。

啟動電流倍數為1 850÷344.1=5.4倍（相當于5.5倍），其數值小于計算時的6.5倍。計算母線電壓為5.26 kV（實際值為5.3 kV）。考慮到計算時部分阻抗的計算誤差和倍數取高，因此在啟動時母線電壓稍高于計算值。

從空載電流、有功和無功的消耗角度看，電動機空載運行的功率因素極低，主要消耗大量的無功。考慮同步電動機提供的系統容量、手動投入無功補償、調整變壓器分接頭和減正常負荷都是直接有效可行的措施手段。

6 結語

異步發電機能量轉化效率明顯高于同步發電機，特別是在低壓蒸汽系統中其優勢更加明顯，近幾年發展趨勢非常好。同步發電機正常發機時既發有功同時也發無功，對電力系統造成的影響不是很大。但是異步發電機沒有專門的勵磁系統，在發電狀態要想完成電磁交換就需要從電網中吸收大量的無功，這對電網的電壓造成了很大的影響，雖然采取了增加無功補償的方式有效彌補了一部分電網無功的缺額，但其補償的快速性和穩定性仍是一個待研究課題。天安化工完成了異步發電轉向現場試驗，驗證了異步發電機代替傳統的減溫減壓裝置的技術可行性，為下一步項目建設打下堅實的基礎。