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        發(fā)電機無功功率沖擊原因分析及對策

        2013-10-19 12:31:18王貴來湯璐
        綜合智慧能源 2013年7期
        關鍵詞:發(fā)電機

        王貴來,湯璐

        (構皮灘發(fā)電廠,貴州 余慶 564408)

        1 機組概況

        1.1 構皮灘電廠主接線概況

        構皮灘水力發(fā)電廠(以下簡稱構皮灘電廠)總裝機容量為5×600 MW,主接線采用3/2接線,電壓等級為500kV,調度關系為南方電網直接調度,構皮灘電廠是烏江流域單臺容量、總裝機容量及電壓等級最高的特大電站。構皮灘電廠#1~#3發(fā)電機為天津阿爾斯通水電設備有限公司生產,#4,#5發(fā)電機為東方電機股份有限公司生產,發(fā)電機均為國內首臺自主研發(fā)和生產的600 MW水輪機組,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用瑞士ABB公司生產的UNITROL 5000型勵磁調節(jié)器,本文通過對構皮灘電廠#4,#5發(fā)電機多次受到系統(tǒng)沖擊后對勵磁電流、勵磁電壓、定子電流、定子電壓及定子鐵芯、基座振動曲線分析,查找出發(fā)電機多次受沖擊的原因并對其采取相應對策。構皮灘電廠電氣主接線如圖1所示。

        1.2 發(fā)電機基本參數(shù)

        構皮灘電廠#1~#3發(fā)電機:型號,SF600-48/13920;額定定子電壓,18 kV;額定定子電流,21 394 A;額定勵磁電壓,352 V;空載勵磁電壓,145 V;空載勵磁電流,1770A;額定勵磁電流,3230A。#4,#5發(fā)電機:型號,SF600-48/13850;額定定子電壓,18 kV;額定定子電流,21 383.3 A;額定勵磁電壓,475 V;空載勵磁電壓,186 V;空載勵磁電流,1 588 A;額定勵磁電流,2790 A。

        2 問題的引出

        2011-05-09,構皮灘電廠#1,#3,#4,#5發(fā)電機均并網運行,#2發(fā)電機B修,機組帶負荷情況見表1。

        表1 2011-05-09機組帶負荷情況

        2011-05-09 T 10:36,在#4,#5發(fā)電機運行過程中,運行人員突然聽到異常聲音,計算機監(jiān)控系統(tǒng)除#4發(fā)電機變壓器錄波裝置啟動外,沒有任何告警信號,調取并查看了錄波波形,錄波啟動量為勵磁電壓突變,運行人員經詢問電網調度人員后,確認電網無異常。為進一步跟蹤發(fā)電機受沖擊的過程,將全部錄波裝置模擬量突變量臨時由10%修改為5%,2011-05-10 T 19:08:07,#1,#3,#4,#5發(fā)電機并網運行時再次發(fā)出異常聲響,運行人員再次詢問電網總調度后,得知構皮灘電廠近區(qū)電網發(fā)生線路開關雷擊跳閘,系統(tǒng)電壓發(fā)生了突變,再次調取并查看了#1,#3,#4,#5發(fā)電機變壓器錄波波形,波形無畸變。

        3 原因分析

        3.1 2011-05-10 T 19:08:07#1發(fā)電機波形分析

        從錄波圖分析來看,#1發(fā)電機三相電流、三相電壓對稱且波形無畸變,發(fā)電機中性點電流無突變,500 kV母線電壓三相對稱且波形無畸變,說明發(fā)電機本體應無故障。此時,#1發(fā)電機無功功率發(fā)生了突變,無功功率由-10 MV·A,變化至3.3 MV·A,變化量約為13.3MV·A。通過查看錄波圖可知,在24ms內無功功率變化量達到13.3 MV·A,從時間軸上看,發(fā)電機機端及500kV母線電壓發(fā)生了變化后1.5ms,發(fā)電機無功功率發(fā)生突變,發(fā)電機定子電流增加約263 A,發(fā)電機勵磁電流增大約51A,勵磁電壓相應增加近182 V,達到了352 V額定勵磁電壓的10%的定值,故勵磁電壓突變量啟動了錄波裝置。

        圖1 構皮灘電廠電氣主接線圖

        3.2 2011-05-10 T 19:08:07#3發(fā)電機波形分析

        從錄波圖分析來看,#3發(fā)電機三相電流、三相電壓對稱且波形無畸變,發(fā)電機中性點電流無突變,500 kV母線電壓三相對稱且波形無畸變,說明發(fā)電機本體應無故障。此時,#3發(fā)電機無功功率發(fā)生了突變,無功功率由-10 MV·A變化至2 MV·A,變化量約為12 MV·A。通過錄波圖分析可知,在46 ms內無功功率變化量達到12 MV·A,從時間軸上看,發(fā)電機機端及500 kV母線電壓發(fā)生變化后(1.5 ms),發(fā)電機無功功率發(fā)生突變,發(fā)電機定子電流增加約301 A,發(fā)電機勵磁電流增大約26 A,勵磁電壓相應增加近205 V,達到了352 V額定勵磁電壓的10%的定值,故勵磁電壓突變量啟動了錄波裝置。

        3.3 2011-05-10 T 19:08:07#4發(fā)電機波形分析

        從錄波圖分析來看,#4發(fā)電機三相電流、三相電壓對稱且波形無畸變,發(fā)電機中性點電流無突變,500 kV母線電壓三相對稱且波形無畸變,說明發(fā)電機本體應無故障。此時,#4發(fā)電機無功功率發(fā)生了突變,無功功率由-17 MV·A變化至16 MV·A,變化量約為33 MV·A。通過錄波圖分析可知,在46 ms內無功功率變化量達到33 MV·A,從時間軸上看,發(fā)電機機端及500 kV母線電壓發(fā)生了變化后1.5 ms,發(fā)電機無功功率發(fā)生突變,發(fā)電機定子電流增加約307 A,發(fā)電機勵磁電流增大約30 A,勵磁電壓相應增加近420 V,達到了475 V額定勵磁電壓的10%的定值,故勵磁電壓突變量啟動了錄波裝置。

        3.4 2011-05-10 T 19:08:07#5發(fā)電機波形分析

        從錄波圖分析來看,#5發(fā)電機三相電流、三相電壓對稱且波形無畸變,發(fā)電機中性點電流無突變,500 kV母線電壓三相對稱且波形無畸變,說明發(fā)電機本體應無故障。此時,#5發(fā)電機無功功率發(fā)生了突變,無功功率由-17 MV·A變化至16 MV·A,變化量約為33 MV·A。通過錄波圖分析可知,在46 ms內無功功率變化量達到33 MV·A,從時間軸上看,發(fā)電機機端及500 kV母線電壓發(fā)生了變化后1.5 ms,發(fā)電機無功功率發(fā)生突變,發(fā)電機定子電流增加約292 A,發(fā)電機勵磁電流增大約30 A,勵磁電壓相應增加近420 V,達到了475 V額定勵磁電壓的10%的定值,故勵磁電壓突變量啟動了錄波裝置。

        2011-05-10 T 19:08:07,系統(tǒng)電壓波動時#1,#3,#4,#5機組同一時段無功功率、勵磁電壓、電流及機端電流變化量見表2。

        從表2可以看出,當系統(tǒng)電壓發(fā)生變化時,#5,#4機組無功功率變化量遠大于#1,#3機組的變化量。為分析引起無功功率不等分配的原因,對上述4臺機組勵磁調節(jié)器定值核對后發(fā)現(xiàn),#1,#3機組無功功率補償系數(shù)(調差系數(shù))為4%,而#4,#5機組無功功率調差系數(shù)整定為0%。

        4 關于發(fā)電機調差特性及調差系數(shù)的說明

        4.1 調差特性

        調差系數(shù)的定義為

        式中:UG0,UGe分別為空載運行和帶額定無功電流時的發(fā)電機電壓。

        由此可見,調差系數(shù)表示無功電流從零增加到額定值時發(fā)電機電壓的相對變化,調差系數(shù)越小,無功電流變化時發(fā)電機電壓變化也越小,所以,調差系數(shù)表征了勵磁控制系統(tǒng)維持發(fā)電機電壓的能力。

        圖2為3種類型的發(fā)電機調節(jié)特性曲線,由上式可知:具有正調差系數(shù)的特性曲線向下傾,即發(fā)電機端電壓隨無功電流的增大而降低,具有負調差系數(shù)的特性曲線上翹,發(fā)電機端電壓隨無功電流的增大而上升,具有無差特性(δ=0)的發(fā)電機電壓為恒定值。

        在圖2中:UG為發(fā)電機機端電壓;IQ為發(fā)電機無功電流;IQe為發(fā)電機額定無功電流。

        4.2 多臺發(fā)電機直接并聯(lián)運行時發(fā)電機之間無功功率的分配

        4.2.1 幾臺具有無差特性調壓器的機組不能并聯(lián)運行

        假定有2臺具有無差特性調壓器的發(fā)電機并聯(lián)在母線上,2臺發(fā)電機直接并聯(lián)運行時發(fā)電機之間無功功率的分配情況如圖3所示。

        在圖3中,UⅠ表示第1臺發(fā)電機調壓器的電壓整定位,UⅡ表示第2臺發(fā)電機的電壓整定位,設UⅡ>UⅠ。假定母線上的電壓低于 UⅠ和UⅡ,這時,2臺機組的勵磁調節(jié)器要增加自己發(fā)電機的勵磁電流,500 kV母線電壓便開始上升。當電壓升到UⅠ時,第1臺發(fā)電機的調節(jié)器就不再增加勵磁了,但第2臺發(fā)電機的調節(jié)器還繼續(xù)增加勵磁電流,因為500 kV母線電壓決定于這2臺機組的勵磁,它會因第2臺發(fā)電機調節(jié)器的作用而繼續(xù)上升。當500 kV母線電壓數(shù)值介于UⅠ與UⅡ時,第1臺發(fā)電機的調節(jié)器就開始減少勵磁電流,而第2臺發(fā)電機的調節(jié)器仍繼續(xù)增加勵磁電流。最后,第1臺調節(jié)器使第1臺發(fā)電機的勵磁電流達到最低值,而第2臺發(fā)電機則把500 kV母線電壓提高到UⅡ,這時,第2臺發(fā)電機將負擔發(fā)電廠全部無功負荷,而第1臺發(fā)電機不但卸去了它原來的無功負荷,而且可能會吸取無功功率。顯然,這種方式是完全不能采用的。

        假定整定一下調節(jié)器的整定元件,使圖3中的2條電壓調節(jié)特性曲線重合,這時500 kV母線電壓等于2個調節(jié)器的共同整定值,但無功功率將在這2臺發(fā)電機之間任意分配。無功功率在機組間的分配不確定是不允許的,因為在這種情況下不可能穩(wěn)定并聯(lián)運行。

        表2 2011-05-10 T 19:08:07機組電氣情況

        4.2.2 一臺具有無差特性的機組與另一臺或幾臺具有有差特性的機組并聯(lián)運行

        假設第1臺發(fā)電機具有無差特性,其調節(jié)特性如圖4曲線UⅠ所示,第2臺發(fā)電機具有有差特性,其調節(jié)特性如圖4曲線UⅡ所示。若1臺有差機組與1臺無差機組并列運行,當系統(tǒng)無功負荷變化時,機組間可以穩(wěn)定運行,為了保持并列點500 kV母線電壓的恒定,無差機組須承擔全部的無功功率變化,這容易引起無差機組過負荷。

        圖4 一臺具有無差特性的機組與另一臺具有有差特性的機組并聯(lián)運行

        4.2.3 幾臺具有有差調節(jié)特性的發(fā)電機并聯(lián)運行在公共母線上

        假定2臺正調差特性的發(fā)電機在公共母線上并聯(lián)運行,其調節(jié)特性如圖5所示。

        圖5 幾臺具有有差調節(jié)特性的發(fā)電機并聯(lián)運行在公共母線上

        由于2臺發(fā)電機的端電壓相同,等于500 kV母線電壓UG1,因此,每臺發(fā)電機承擔的無功電流是確定的,分別為IQ1和IQ2,當無功負荷增加時,500 kV母線電壓下降,勵磁調節(jié)器將通過增加勵磁電流,到達新的穩(wěn)定電壓UG2,這時,2臺發(fā)電機承擔的無功電流分別為I'Q1和I'Q2,2臺發(fā)電機分別承擔一部分增加的無功負荷,大小取決于各自的調差系數(shù)。

        如圖5所示,線條2的調差系數(shù)大于線條1,2條線的調差系數(shù)均大于0。無功電流為零時發(fā)電機端電壓為UG0,無功電流為額定值IQe時,發(fā)電機端電壓為UGe,500 kV母線電壓為UG1時#1發(fā)電機的無功電流,可由下式表示

        假設有2臺有差機組并列運行機組的調差系數(shù)分別為δ1=2%,δ2=5%,當并列點母線運行電壓從0.98降低到0.97,即當并列點500 kV母線電壓變化量為-0.01時,機組1、機組2各自承擔的無功功率變化分別為

        由以上分析可得出如下結論

        (1)2臺及2臺以上機組并列運行時,必須在并列點母線上看到每臺機組均為正調差。

        (2)當電壓變化時,發(fā)電機組之間的無功功率分配與電壓偏差成正比,與調差系數(shù)的大小成反比。調差系數(shù)小的分配的無功功率多,而調差系數(shù)大的分配到的無功功率少。

        (3)如果要求無功功率負荷的變化量按各機組的容量分配,則每臺機組的調差系數(shù)必須相等。

        4.3 自然調差、附加調差及總調差

        對于按電壓偏差進行比例調節(jié)的勵磁調節(jié)器,當調差單元退出工作時,其固有的無功功率調節(jié)特性也是下傾的,成為自然調差系數(shù),用δ0表示。其值隨控制系統(tǒng)的放大倍數(shù)的增大而減小。發(fā)電機的自然調差系數(shù)一般小于0.5%,在自動電壓調節(jié)器(AVR)中加入的調差稱為附加調差。那么,發(fā)電機的總調差特性為自然調差加附加調差,由此可知,雖然構皮灘電廠#1~#3發(fā)電機勵磁調差系數(shù)均為4%,#4~#5發(fā)電機勵磁調差系數(shù)為0%,但當母線突變時,相同調差系數(shù)的發(fā)電機無功功率分配并不相同,這與發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)本身的參數(shù)和自然調差特性有關。

        5 500 kV母線電壓突變時機組無功功率分配不同的原因分析

        由發(fā)電機調差特性及調差系數(shù)原理可知,構皮灘電廠將#1~#3發(fā)電機勵磁調差系數(shù)整定為4%,誤將#4,#5發(fā)電機勵磁調差系數(shù)整定為0%,當電壓變化時,發(fā)電機組之間的無功功率分配與電壓偏差成正比,與調差系數(shù)的大小成反比,故500 kV母線電壓突變時,#4,#5發(fā)電機調差系數(shù)小,分配的無功功率多,而#1~#3發(fā)電機調差系數(shù)大,分配到的無功功率少。若要無功功率負荷的變化量按各機組的容量分配,則每臺機組的調差系數(shù)必須相等。故構皮灘電廠將#4,#5發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)調整為4%。

        6 500 kV母線電壓突變時#4,#5發(fā)電機發(fā)出異常聲音的原因分析

        依據(jù)電機學原理,發(fā)電機帶電感或電容負載(負載無功功率)時,產生直軸去磁(或助磁)電樞反應磁場。勵磁繞組載流體在該磁場作用產生電磁力,但不形成電磁轉矩原理,結合左手法則,可知無功電流突變產生的電磁力方向是沿發(fā)電機定子線棒,即垂直于定子鐵芯和定子機架的方向,通過同一時刻發(fā)電機定子鐵芯和定子機架垂直振動值突變量可證明,見表3。

        表3 發(fā)電機定子鐵芯和定子機架垂直振動值突變量

        從表3可知,僅有自然調差特性的#4,#5發(fā)電機定子鐵芯和定子機架垂直振動值突變量遠遠大于具有4%調差特性加自然調差特性的#1,#3發(fā)電機,從4臺機組機端無功電流變化量上看,#4,#5發(fā)電機機端無功電流變化量遠遠大于#1,#3發(fā)電機機端電流變化量,系統(tǒng)電壓突變時#4,#5發(fā)電機無功功率變化量遠遠大于#1,#3發(fā)電機無功功率變化量。

        7 結束語

        從構皮灘電廠#4,#5發(fā)電機勵磁調節(jié)器調差系數(shù)誤整定造成機組無功功率沖擊的結果可知,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)整定時應注意以下幾點。

        (1)2臺及2臺以上機組并列運行時,必須在并列點母線上看到每臺機組均為正調差。

        (2)如果要求無功功率負荷的變化量按各機組的容量分配,容量相同的則機組調差系數(shù)必須相等。

        (3)應充分考慮各臺機組的自然調差和附加調差對機組間無功功率分配的影響,可經過多次無功功率波動測試分析機組間無功功率分配比例,必要時進行相應調整,避免某臺機組總是受到系統(tǒng)沖擊。

        (4)應充分認識到無功功率突變對發(fā)電機的危害,電廠應高度重視發(fā)電機勵磁系統(tǒng)定值的管理,將發(fā)電機勵磁系統(tǒng)定值提升為廠級控制,當檢查發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)不同時,應組織對勵磁調差系數(shù)小的機組進行檢查,避免無功功率沖擊對機組的危害擴大。

        [1]黃雄群,李興源.同步電機現(xiàn)代勵滋系統(tǒng)及控制[M].成都:成都科技出版社,1993.

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        [3]蔣建民,馮志勇,劉美儀.電力網電壓無功功率自動控制系統(tǒng)[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2010.

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