梁慶春 陳鶴虎

（華東宜興抽水蓄能電站，江蘇 宜興 214205）

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，裝機(jī)容量的增加，高電壓長(zhǎng)距離輸電線路的大量投入，電力系統(tǒng)中的充電無(wú)功日益增大。當(dāng)夜間或節(jié)假日負(fù)荷處于低谷時(shí)，需要的無(wú)功功率大為減少，過(guò)剩的無(wú)功功率會(huì)使系統(tǒng)的電壓增高，甚至超過(guò)允許的規(guī)定值，嚴(yán)重地影響到電能質(zhì)量與設(shè)備安全［1］。因此，吸收電網(wǎng)中的無(wú)功，降低偏高的電網(wǎng)電壓就成了電網(wǎng)的當(dāng)務(wù)之急。采用并聯(lián)電抗器、同步調(diào)相機(jī)和發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行等措施是降壓常用的手段。僅從調(diào)相調(diào)壓的角度看，前兩者投資太大，所以發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是適應(yīng)這一要求的最經(jīng)濟(jì)、有效、便利的措施之一［2］。宜興抽水蓄能電站是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，電站總裝機(jī)容量為1 000MW，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為250MW的立軸單級(jí)混流可逆式機(jī)組。電站機(jī)組本身在電網(wǎng)起到了調(diào)峰作用，如果能夠采用進(jìn)相運(yùn)行又能起到降低電網(wǎng)電壓的作用。因此，有必要驗(yàn)證機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力，確定穩(wěn)定運(yùn)行的范圍，以指導(dǎo)電站在適當(dāng)時(shí)候采用該運(yùn)行方式。

1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)相運(yùn)行限制因素

發(fā)電機(jī)的運(yùn)行范圍受冷卻條件、電壓水平、系統(tǒng)運(yùn)行方式、AVR以及發(fā)電機(jī)參數(shù)的非線性（飽和作用）等多種因素的影響，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)還受發(fā)電電動(dòng)機(jī)端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱和在電網(wǎng)中運(yùn)行的穩(wěn)定性限制［3］。

1.1 靜穩(wěn)定限制

抽水蓄能機(jī)組屬于凸極式發(fā)電電動(dòng)機(jī)，凸極機(jī)的特點(diǎn)是Xd≠Xq，以標(biāo)幺值表示的凸極機(jī)的電磁功率為：

式（1）中U為系統(tǒng)電壓，δ為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq與U的夾角，Xd為直軸電抗，Xq為交軸電抗。上式第一項(xiàng)為勵(lì)磁電磁功率，其值與勵(lì)磁電流的大小有關(guān)；第二項(xiàng)為附加電磁功率，其值僅取決于發(fā)電機(jī)Xd與Xq的差值和機(jī)端電壓的高低，與勵(lì)磁電流無(wú)關(guān)。

1.2 定子端部鐵心和金屬結(jié)構(gòu)件的溫度限制

發(fā)電機(jī)端部漏磁通是由轉(zhuǎn)子和定子漏磁通合成的，它是一個(gè)隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)的合成磁場(chǎng)，其大小與定子繞組的結(jié)構(gòu)、端部的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇的材料、尺寸和位置等發(fā)電機(jī)制造工藝有關(guān)。該旋轉(zhuǎn)漏磁通磁場(chǎng)在切割靜止的定子端部各金屬結(jié)構(gòu)件時(shí)，就會(huì)在其中感應(yīng)渦流和磁滯損耗，引起發(fā)熱。當(dāng)發(fā)電機(jī)由遲相向進(jìn)相運(yùn)行方式變化時(shí)，端部合成漏磁通將隨之顯著增大，端部元件的溫升也將升高，成為限制進(jìn)相運(yùn)行的條件之一。

1.3 低勵(lì)限制和失磁保護(hù)

低勵(lì)限制的功能是防止發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)過(guò)度進(jìn)相引起失磁和失步。低勵(lì)限制的動(dòng)作值是按發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)定極限并留有一定余量進(jìn)行整定的。失磁保護(hù)則是針對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁突然部分或全部消失而設(shè)置的繼電保護(hù)?？紤]到試驗(yàn)時(shí)一旦發(fā)電機(jī)失磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流將按指數(shù)規(guī)律衰減，同時(shí)將過(guò)渡到異步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)將從電網(wǎng)大量吸收無(wú)功，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，低勵(lì)限制需要根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況重新核定，而失磁保護(hù)則要求一直投入。

1.4 進(jìn)相工況的確定

試驗(yàn)前對(duì)進(jìn)相工況進(jìn)行計(jì)算，功角以不超過(guò)50°為準(zhǔn)，進(jìn)相時(shí)主要測(cè)量定子電流、電壓，機(jī)組有功無(wú)功、頻率及功角等電氣參數(shù)和定子鐵心上部、鐵心下部、線棒等溫升值［4-5］。另外，考慮宜興抽蓄機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)情況較差，將最低考核工況的有功負(fù)荷設(shè)置為略大于125MW（額定負(fù)荷的一半值）。經(jīng)核算后選取的進(jìn)相考核工況見(jiàn)表1。

2 實(shí)際試驗(yàn)情況

2008年10月19日宜興抽蓄進(jìn)行了4號(hào)機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)，試驗(yàn)期間，為了維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、保證系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備，同一單元的3號(hào)機(jī)組采用抽水調(diào)相的運(yùn)行方式配合調(diào)節(jié)無(wú)功功率。

表1 進(jìn)相考核試驗(yàn)工況

首先進(jìn)行第一個(gè)工況，有功功率250MW時(shí)機(jī)組的進(jìn)相。進(jìn)相前系統(tǒng)電壓為512.0kV，進(jìn)相到試驗(yàn)計(jì)劃工況，無(wú)功為-86.78Mvar。此時(shí)3號(hào)機(jī)配合發(fā)出無(wú)功41.29 Mvar，功角為40.3°，系統(tǒng)電壓為511.33kV。穩(wěn)定20分鐘后，進(jìn)行溫度測(cè)量。

之后進(jìn)行第二個(gè)工況，有功降至200MW進(jìn)行進(jìn)相。進(jìn)相前系統(tǒng)電壓為512.97kV，進(jìn)相到試驗(yàn)計(jì)劃工況，無(wú)功為-129.49Mvar。此時(shí)3號(hào)機(jī)配合發(fā)出無(wú)功81.68Mvar，功角為43.2°，系統(tǒng)電壓為511.29kV。穩(wěn)定20分鐘后，進(jìn)行溫度測(cè)量。

最后進(jìn)行第三個(gè)工況，有功繼續(xù)下降至140MW進(jìn)行進(jìn)相。進(jìn)相前系統(tǒng)電壓為513.27kV，進(jìn)相到無(wú)功為-135.15Mvar時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降至14.45kV，已低于額定電壓的92.5%（14.56kV）,停止繼續(xù)進(jìn)相。此時(shí)3號(hào)機(jī)配合發(fā)出無(wú)功92.00Mvar，功角為37.4°，系統(tǒng)電壓為511.96kV。穩(wěn)定20分鐘后，進(jìn)行溫度測(cè)量。實(shí)際進(jìn)相試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 靜態(tài)穩(wěn)定極限

從表4中可以看出，在3個(gè)試驗(yàn)工況中，功角最大值為43.2°，不超過(guò)45°的靜穩(wěn)定極限，因此該進(jìn)相范圍可以作為機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行范圍。且在試驗(yàn)過(guò)程中，低勵(lì)限制和失磁保護(hù)都未發(fā)信，驗(yàn)證了保護(hù)的正確性。

3.2 進(jìn)相運(yùn)行對(duì)鐵芯溫升的影響

從測(cè)得的定子鐵芯溫升數(shù)據(jù)看，在3個(gè)進(jìn)相工況中，鐵芯溫升的最高點(diǎn)都在鐵芯上部指壓板。最高溫升出現(xiàn)在有功為250MW，進(jìn)相-86.78Mvar工況時(shí)，此時(shí)鐵心上部指壓板溫升為69.6K。其余2個(gè)工況的溫升最高值均低于此值，未超過(guò)發(fā)電機(jī)定子鐵芯的溫升限額80K，且有一定預(yù)度。

3.3 進(jìn)相運(yùn)行對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)端電壓的影響

發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定機(jī)端電壓不得低于額定電壓的92.5%（14.57kV），同時(shí)廠用電電壓不得低于額定電壓的95%。試驗(yàn)前，為保證電站其他設(shè)備的安全，廠用電倒至其他機(jī)組。試驗(yàn)中，隨著進(jìn)相深度的增加，發(fā)電電動(dòng)機(jī)端電壓U隨之下降，在250MW進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓從進(jìn)相前的15.54kV跌至進(jìn)相后的14.78kV。在200MW進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓從進(jìn)相前的15.58kV跌至進(jìn)相后的14.48kV，此時(shí)機(jī)端電壓已略低于額定電壓的92.5%（14.57kV）。在140MW進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓從進(jìn)相前的15.66kV跌至進(jìn)相后的14.45kV，此時(shí)機(jī)端電壓已低于額定電壓的92.5%（14.57kV），此工況的進(jìn)相試驗(yàn)由于機(jī)端電壓過(guò)低而停止繼續(xù)進(jìn)相。因此，發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)相時(shí)進(jìn)相深度受到機(jī)端電壓的限制。

3.4 進(jìn)相運(yùn)行對(duì)500kV電網(wǎng)的調(diào)壓作用

進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨進(jìn)相深度的增加，發(fā)電機(jī)功角逐漸增大，吸收系統(tǒng)的無(wú)功增多，系統(tǒng)電壓相應(yīng)下降。試驗(yàn)時(shí)3號(hào)機(jī)組配合4號(hào)機(jī)組進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，但在進(jìn)相后，系統(tǒng)電壓還是有所下降。在250MW進(jìn)相時(shí)，系統(tǒng)電壓從進(jìn)相前的512.00kV跌至進(jìn)相后的511.33kV。在200MW進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓從進(jìn)相前的512.97kV跌至進(jìn)相后的511.29kV。在140MW進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓從進(jìn)相前的513.27kV跌至進(jìn)相后的511.96kV。表明發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)電壓具有一定的調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)論

4.1 宜興抽蓄4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有一定的進(jìn)相運(yùn)行能力，在AVR投入運(yùn)行方式下，在表3所列工況的范圍，即圖1 a/b/c范圍內(nèi)進(jìn)相運(yùn)行是安全的。

表3 實(shí)際進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 宜興抽蓄4號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)相范圍

4.2 進(jìn)相運(yùn)行時(shí)失磁保護(hù)須投入，AVR低勵(lì)限制可參照上述范圍整定。

4.3 通過(guò)進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)電電動(dòng)機(jī)端部結(jié)構(gòu)件的溫升在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)有一定的預(yù)度，不會(huì)對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)相運(yùn)行構(gòu)成限制。

4.4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)機(jī)端電壓下降明顯，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)應(yīng)監(jiān)視機(jī)端電壓和廠用電電壓的下降，不得低于電廠規(guī)定最低值。

4.5 進(jìn)相運(yùn)行對(duì)500kV系統(tǒng)降壓作用是有效的，對(duì)解決電網(wǎng)無(wú)功過(guò)剩，改善電壓質(zhì)量是一種有效而且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施之一。

［1］陸明智,董功俊.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行研究與分析［J］.華東電力,2001（4）.

［2］朱啟貴,田春光.發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定計(jì)算方法的改進(jìn)［J］.吉林電力,2001（1）.

［3］周惠東.湛江發(fā)電廠300MW發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)分析［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù),2003（1）.

［4］雷斌.李家峽水電站水輪發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行［J］.西北水力發(fā)電,2002,18（3）.

［5］康健.水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)及功角測(cè)量［J］.貴州水力發(fā)電,2000（4）.