某巨型水電站機組進相能力分析與試驗

黃柯維，張 凱，楊巖巖

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

現如今電力系統電功率過剩已經成為較為普遍的問題。為了降低系統電壓，發電機需要進行進相運行從而吸收電網過剩的無功功率。雖進相運行原理較為簡單，但發電機組作為一個龐大而復雜的整體，其進相運行能力受多種因素的影響，如機端電壓、廠用電壓、定子鐵心溫度、定子電流等。因此為確保發電機組在進相運行時安全可靠，需對機組進相運行能力進行相應分析和試驗。

1 同步發電機進相運行基本原理

水輪發電機采用同步發電機，其進相運行的基本原理如下。

1.1 同步發電機進相運行基本原理

一般情況下，水輪發電機處于發電狀態，即遲相運行，此時發電機發出有功功率和感性的無功功率。但當發電機組處于進相運行時，將向系統發出容性無功功率，即從系統內吸收感性無功功率。

一般分析時將系統假設為無窮大，基本參數如下：

Ug—發電機的機端電壓；E0—感應電動勢；I—定子電流；cosφ—功率因素。

功率因素角的大小及勵磁電壓都會隨著勵磁電流大小的變化隨之變化。

如圖1 所示，當發電機處于遲相運行狀態時，若將勵磁電流增大，則感應電動勢E0也隨之增大，且電樞電流產生去磁電樞反應，電流滯后電壓，cosφ大于0，那么此時發電機向無窮大系統輸送感性無功功率。

圖1 同步發電機遲相運行

如圖2 所示，當發電機處于進相運行狀態時，若將勵磁電流減小，則感應電動勢E0也隨之減小，且電樞電流產生助磁電樞反應，電流相位超前電壓相位，cosφ小于0，那么此時發電機向無窮大系統輸送容性無功功率。

圖2 同步發電機進相運行

1.2 同步發電機進相運行的限制因素

不同的發電機在正常運行中，其進相運行時能提供的無功功率調節的容量是不同的，與發電機本體結構部件的發熱水平和所處電網的靜態穩定性有較大的關系，因此一般會通過相關試驗對發電機的實際進相能力進行測試和驗證，以此確定相關限制因素的允許值。

以下為同步發電機進相運行時的一般限制因素。

（1）廠用電電壓：當發電機進相運行時，隨著進相的深度加深，發電機機端電壓也會隨之降低。而廠用電通常取自發電機出口母線電壓，因此在進相程度較大時，廠用電可能降低過多導致其供電的設備無法正常工作。

（2）定子鐵心及繞組溫度：當發電機正常運行時，轉子和定子的漏磁場在定子端部疊加，導致定子端部鐵心及金屬結構中產生磁滯渦流損耗。而當發電機處于進相運行狀態，定子的電樞反應產生增磁效果，此時定子底部漏磁迅速增大，導致定子鐵心和繞組的溫度持續上升，可能導致定子繞組絕緣降低等較為嚴重的后果。

（3）發電機冷熱風溫度：當發電機進相運行且運行時間較長時，發電機的熱風溫度也會隨之增加，若其溫度超過允許值，也會導致相應保護動作從而影響機組的進相運行。

2 某巨型水電站機組進相能力試驗

2.1 發電機及主變設備參數

該發電機主要參數如表1 所示。

表1 試驗對象發電機參數

發電機主要溫度限值如表2 所示。

表2 發電機各部分溫度限值

主變主要參數如表3 所示。

表3 主變主要參數

2.2 進相試驗技術指標

在發電機進相能力測試過程中，當機組運行參數達到以下指標時，應立即停止減磁，并根據此時的發電機無功功率值整定低勵限制環節定值。

（1）發電機定子電壓不得低于額定電壓20 kV 的90%（18 kV）。

（2）發電機定子電流不大于額定電流(22 453 A)。

（3）由于不同有功功率時，水輪機的極限功角也不同，因此，試驗前應根據水輪發電機及主變參數計算出試驗條件下的極限功角，在試驗過程中應確保功角相對于極限功角有一定（15°～20°）的安全裕度。

（4）發電機的最大進相無功功率不超過調度要求值-350 Mvar。

（5）發電機定子繞組溫度不超過75 ℃，鐵心和端部構件溫度不超過110 ℃。

（6）500 kV 母線電壓不低于調度允許的最低值519 kV。

（7）發電機10.5 kV 廠用電壓不低于9.97 kV。（8）發電機400 V 廠用電壓不低于361 V。

（9）根據《電力系統安全穩定導則》規定，通過靜態穩定計算，得到進相試驗工況下水輪發電機靜態穩定極限功角δm如表4 所示。

表4 靜態穩定極限工角

3 試驗結果與分析

該試驗發電機正常運行，且設備狀況良好。試驗機組AGC 和AVC 退出運行，低勵限制、失磁保護、失步保護等功能正常投入運行；根據國調要求，進相試驗過程中試驗機組廠用電采用其他廠用電源供電方式。

該發電機50%額定有功功率350 MW 工況處于振動負荷區，進相試驗時避開振動負荷區，因此該發電機進相試驗在發電機有功功率為0 MW、525 MW、700 MW 3 種工況下進行。

發電機有功功率為5 MW，發電機進相深度為-305 Mvar 時，發電機功角為0.48°，發電機定子電壓降低到18.07 kV。發電機有功功率為525 MW，發電機進相深度為-274 Mvar 時，發電機功角為39.89°，發電機定子電壓降低到18.02 kV。

發電機有功功率為700 MW，發電機進相深度為-147 Mvar 時，發電機功角為40.7°，發電機定子電流為22.52 kA。（發電機定子電流超過額定電流22.45 kA）

以下為發電機有功功率0 MW、525 MW、700 MW 3 種工況下發電機進相運行時，發電機電氣量及各部分溫度的變化情況。

3.1 發電機試驗運行參數

通過觀察分析表5 數據可以看出，該發電機在進相運行時其定子電壓、電流變化規律正常；發電機勵磁電壓、勵磁電流的變化規律與發電機無功功率相符。且發電機功角隨發電機有功功率增加及發電機進相無功功率的增加而增大。進相試驗中功角最大值為40.7°，未達到靜穩極限功角。

表5 試驗對象發電機運行參數

試驗機組在0 MW、525 MW 兩種工況進相能力測試過程中均是發電機定子電壓接近額定電壓20 kV的90%（18 kV）時達到進相試驗限制值，而700 MW工況下發電機定子電流超過額定電流22.45 kA，故該發電機定子電壓和定子電流是此次進相試驗影響機組進相深度的主要因素。

3.2 廠用電壓的變化

試驗機組的廠用電由其他廠用電源供電，所以進相試驗過程中10.5 kV 及400 V 廠用電母線電壓沒有變化。

表6 廠用電壓的變化

3.3 母線電壓的變化

該機組所在母線有其他機組并列運行，故當其進行進相運行時500 kV 母線電壓降低效果較小。

表7 母線電壓的變化

3.4 發電機冷熱風溫度變化

該實驗機組工況保持不變，經長時間運行后記錄各測點溫度于表8。從表8 中可以看出變，發電機熱風溫度隨發電機有功功率的增加，呈緩慢上升趨勢，且最終溫度也小于規程中允許的發電機出風溫度75 ℃，不影響機組的正常進相運行

表8 發電機冷熱風溫度變化

3.5 發電機定子鐵心、繞組溫度變化

從表9 中可以發現，發電機定子鐵心溫度僅隨發電機有功功率的增加，呈緩慢上升趨勢。發電機進相無功功率的增加，呈緩慢上升趨勢。定子繞組出水端最高溫度52.8 ℃小于規程中允許的定子繞組溫度限制值75 ℃。定子鐵心最高溫度 44.6 ℃小于規程中允許的定子繞組溫度限制值110 ℃。

表9 發電機定子鐵心、繞組溫度變化

3.6 調節器低勵限制功能校核

勵磁調節器低勵限制功能完好，整定值可在線修改。機組在緩慢進相過程中低勵限制環節正常動作，并發出報警信號，低勵限制環節的靜態限制特性正常。

發電機在低勵限制線上進相運行，機端電壓進行2%下階躍，記錄發電機有功功率、無功功率以及勵磁電壓等電氣量。

低勵限制功能校核錄波曲線如圖3 所示。

圖3 低勵限制曲線校核錄波曲線

試驗表明無功功率進相到低勵限制線時，低勵限制動作，使得機組保持在低勵限制值以上運行，即該機組勵磁調節器低勵限制功能正常。其調節器實際低勵限制值如表10 所示。

表10 發電機調節器實際低勵限制值

4 結語

通過進相試驗可以看出，該機組具備進相運行的能力，且其勵磁調節器低勵環節工作正常。

通過對本次進相試驗數據進行分析，對于該機組，當有功P=0 MW 的時，最大進相無功Q=-305 Mvar;當有功P=700 MW 時，最大進相無功Q=-274 Mvar;當有功P=700 MW 時，最大進相無功Q=-147 Mvar。其中，當該機組處于有功為0 MW 和525 MW 兩個工況時，其進相深度主要受到定子電壓限制，當處于有功為700 MW 的工況時，主要受到定子電流的限制，而發電機功角、發電機端部結構件、端部鐵心溫度有足夠的裕度。