朱建立

(華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟寧 272400)

隨著電網(wǎng)的發(fā)展及超高壓、遠距離輸電線路的應(yīng)用，系統(tǒng)存在很大的電容電流，增加了系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率，尤其在負荷低谷時，電網(wǎng)無功功率過剩，易造成電網(wǎng)，特別是220 kV以上母線電壓偏高。此時，采用大機組進相運行，吸收系統(tǒng)過剩的無功功率，降低電壓，是最佳的經(jīng)濟和技術(shù)選擇?，F(xiàn)以某電廠1號發(fā)電機為例，從進相運行的原理、進相運行參數(shù)測試、運行注意事項等方面進行分析討論，為進相運行提供技術(shù)支持。

1 發(fā)電機進相運行的概念及影響

當發(fā)電機電樞電流I1與系統(tǒng)電壓U同相位時，電樞電流全部為有功電流，發(fā)電機只向電網(wǎng)輸送有功功率，這種勵磁狀態(tài)為正常勵磁狀態(tài)，所對應(yīng)的發(fā)電機電勢為E1。保持發(fā)電機有功功率不變，調(diào)節(jié)勵磁電流使其大于正常勵磁電流，此時為過勵狀態(tài)，對應(yīng)的發(fā)電機電樞電流為I2，電勢為E2。過勵時，I2＞I1，E2＞E1，此時發(fā)電機電樞電流滯后電網(wǎng)電壓U,即功率因數(shù)滯后，電樞電流除有功分量外，還有一個滯后的無功電流分量,即發(fā)電機向電網(wǎng)輸送感性無功功率，這種運行狀態(tài)稱為滯相(遲相)運行。保持發(fā)電機有功不變，減少發(fā)電機勵磁電流，使其小于正常勵磁電流，這種勵磁狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)，對應(yīng)的發(fā)電機電樞電流為I3，電勢為E3，此時I3＞I1，E3＜E1，發(fā)電機端電壓低于電網(wǎng)電壓。發(fā)電機電勢減小，電樞電流超前于電網(wǎng)電壓，即功率因數(shù)超前，電樞電流除有功分量外，還有一個超前的無功電流分量，發(fā)電機向系統(tǒng)輸送有功功率，也吸收感性無功功率，這種運行狀態(tài)稱為進相運行。進相運行向量如圖1所示。

圖1 進相運行向量示意

由圖1可以看出，在保持發(fā)電機有功功率不變的情況下，發(fā)電機的電勢和電網(wǎng)電壓之間的相角差(功角δ)隨著勵磁電流的增大而減小，隨著勵磁電流的減小而增大，勵磁電流越小功角越大。發(fā)電機功角特性如圖2所示。

圖2 發(fā)電機功角特性

由圖2可知：當0<δ<δm時，隨著δ的增大，Pm亦增大，同步發(fā)電機在該區(qū)間能夠穩(wěn)定運行；當δ>δm時，隨著δ的增大，Pm反而減小，電磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，發(fā)電機轉(zhuǎn)速越來越大，發(fā)電機將失去同步，故在該區(qū)間發(fā)電機不能穩(wěn)定運行。在有功功率不變的情況下，當發(fā)電機進相運行時，功角δ勢必增大，所以發(fā)電機進相運行時允許吸收多少無功功率、發(fā)出多少有功功率取決于靜穩(wěn)定的極限功角。

另外，汽輪發(fā)電機運行時，定子繞組端部的漏磁場也以同步轉(zhuǎn)速相對定子旋轉(zhuǎn)，其漏磁場的一部分經(jīng)過定子繞組端部空間、轉(zhuǎn)子護環(huán)、氣隙及定子端部鐵芯構(gòu)成磁路，可使定子端部鐵芯平面上因產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。此外，由于勵磁繞組緊靠護環(huán)，它的漏磁場主要經(jīng)護環(huán)閉合，當發(fā)電機進相運行時，由于勵磁電流減小，勵磁繞組端部漏磁場減弱，護環(huán)的飽和程度下降，從而減小了定子端部漏磁場所經(jīng)過磁路的磁阻，增大了定子端部漏磁場，加大了鐵損，最終導(dǎo)致定子端部鐵芯嚴重受熱。

發(fā)電機進相運行會造成發(fā)電機端部電壓下降，所帶廠用電電壓下降，若母線電壓低于額定電壓的5 %將影響廠用電動機的運行，進而影響機組的安全運行。發(fā)電機進相運行時，若保持輸出有功功率不變，會使發(fā)電機定子電流增加，定子線圈發(fā)熱。

發(fā)電機進相運行和失磁都是勵磁電流低于正常勵磁電流，且都從系統(tǒng)吸收無功功率；但失磁是由設(shè)備故障或人員調(diào)整不當引起的，在相同有功功率輸出下，其勵磁電流將更小，使其功角特性的電磁功率幅值小于當時的原動機輸出功率，可能會進入失步狀態(tài)；但一般還未進入失步狀態(tài)保護就會動作跳閘，故發(fā)電機不允許長時間失磁運行。隨著電網(wǎng)的完善及電源的增多，系統(tǒng)允許發(fā)電機進相運行，其功角特性的電磁功率幅值仍大于當時的原動機輸出功率Pm，故仍然與系統(tǒng)同步。因此，只要發(fā)電機進相進行不超過試驗的深度，就能保證機組安全。

2 發(fā)電機進相運行深度的確定

同步發(fā)電機進相運行要通過試驗確定進相運行深度。即在有功功率一定的狀態(tài)下，吸收多少無功功率才能保持系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，使各部件溫升不超限，并能滿足廠用電壓的要求?，F(xiàn)在以該電廠的1號發(fā)電機為例進行介紹。

2.1 設(shè)備介紹

該電廠1號發(fā)電機為山東發(fā)電設(shè)備廠引進技術(shù)生產(chǎn)的空冷兩極三相交流同步發(fā)電機，型號為WX25R-127，以汽輪機為驅(qū)動機。額定容量為388.2 MVA，額定功率為330 MW，定子電壓為22 kV，定子電流為10 188 A，轉(zhuǎn)子電壓為385 V，轉(zhuǎn)子電流為1 680 A，額定轉(zhuǎn)速及頻率分別為3 000 r/min及50 Hz，效率為98.73 %。勵磁方式為自并勵靜止可控硅勵磁，勵磁調(diào)節(jié)器采用南京南瑞集團公司電氣控制分公司生產(chǎn)的SAVR-2000雙自動通道數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器。冷卻方式為密閉循環(huán)空氣冷卻(轉(zhuǎn)子繞組為空內(nèi)冷，其余為空外冷)。該發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、輔助設(shè)備少、安裝維護方便、運行安全可靠、運行費用低等特點。1號發(fā)電機通過1號主變壓器連接到山東500 kV電網(wǎng)。2006年10月由山東電力研究院負責對1號發(fā)電機進行進相試驗，以確認該機的進相運行深度。

2.2 試驗措施與步驟

本次試驗主要測試限制發(fā)電機進相運行能力的3個主要因素：發(fā)電機的靜穩(wěn)定、定子鐵芯端部的溫升、廠用電壓的降低。為了保證試驗的安全，試驗時采取了以下措施。

(1)為保證發(fā)電機的靜穩(wěn)定，在試驗中監(jiān)視發(fā)電機的功角δ不超過70°，且只在自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運行下進行進相運行試驗。自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運行大大提高了發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限，增強了穩(wěn)定運行的能力。

(2)為減少定子鐵芯端部發(fā)熱，1號發(fā)電機鐵芯端部安裝了銅屏蔽和磁屏蔽，大大減少了端部漏磁的影響，但由于設(shè)計制造的原因，端部未安裝測溫元件，由廠家保證端部溫度不超溫。

(3)發(fā)電機進相運行時，隨著發(fā)電機勵磁電流的減小，發(fā)電機端電壓降低，廠用電壓也會降低。發(fā)電機進相運行試驗時，要求發(fā)電機電壓不低于20 kV，6 kV母線電壓不低于5.7 kV，400 V母線電壓不低于360 V。若低于上述值則進相深度不僅不能繼續(xù)加大，還會增加勵磁以減小進相深度。

發(fā)電機并網(wǎng)帶負荷正常運行后，試驗分有功功率為180 MW(最低穩(wěn)燃負荷)，240 MW，300 MW 3種工況進行。其中180 MW和240 MW試驗工況在高廠變帶廠用電下進行，300 MW試驗工況在高備變帶廠用電下進行。

試驗時1號發(fā)電機置于自動勵磁的方式下，運行人員在試驗過程中保持該機組的有功功率、進風溫度、空冷器進水溫度、進水壓力不變。

在上述工況下，運行人員手動降低勵磁，直至滿足限制進相運行的條件(功角δ不大于70°，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件溫升不超過廠家規(guī)定，不超過廠家P-Q圖要求，發(fā)電機電壓不低于20 kV，6 kV母線電壓不低于5.7 kV，400 V母線電壓不低于360 V)為止。試驗完畢后，機組恢復(fù)至滯相運行。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 1號發(fā)電機進相運行相關(guān)數(shù)據(jù)

從此次實測結(jié)果可以看到，鐵芯溫度最高的工況為300 MW下進相102.7 Mvar，此時發(fā)電機端部的磁密最高，最高溫度為70.4 ℃，溫升為40.5 K，離溫度限額120 ℃差距很大，因此該機在進相時不受端部結(jié)構(gòu)件發(fā)熱的限制。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，3種工況(300 MW，240 MW，180 MW)進相到最大深度時發(fā)電機的功角分別為68.13°，57.15°和53.10°，均不超過70°，因此該機在進相時不受靜穩(wěn)定的限制。從試驗結(jié)果可以看出，該機進相深度受廠用電電壓降低條件限制。廠用電由高廠變帶的工況是400 V降至360 V限制住進相深度，此時500 kV母線電壓較滯相時下降5 kV左右，調(diào)壓效果明顯。

3 發(fā)電機進相運行注意事項

(1)根據(jù)發(fā)電機進相運行的理論分析，發(fā)電機進相運行時靜態(tài)穩(wěn)定性降低，端部漏磁引起定子端部溫度升高，廠用電電壓降低，且由于機端電壓降低，在輸出功率不變的情況下發(fā)電機定子電流增加，易造成過負荷。因此在發(fā)電機進相運行時應(yīng)注意監(jiān)視發(fā)電機的靜穩(wěn)定情況，確保發(fā)電機各表計指示正常無擺動，以防發(fā)生發(fā)電機失步；監(jiān)視發(fā)電機定子電壓、定子電流不超過運行限額，特別是在高負荷情況下，否則停止繼續(xù)降低無功負荷；注意監(jiān)視發(fā)電機各部分溫度、溫升不能超過運行限額，否則立即停止進相運行；注意監(jiān)視各母線電壓，保證輔機運行安全。

(2)在發(fā)電機進相運行時，應(yīng)根據(jù)進相試驗結(jié)論，控制進相運行深度。該電廠1號機組在240 MW負荷工況時，進相深度不能超過-80 Mvar，如果繼續(xù)減小勵磁電流，雖然發(fā)電機還可能在靜穩(wěn)定區(qū)域運行，但是400 V常用電動機電壓已經(jīng)低于最低允許范圍，將嚴重影響機組低壓電動機的安全運行。所以，發(fā)電機在任何有功負荷狀態(tài)下進相運行，都應(yīng)以進相試驗報告為依據(jù)，進相深度不應(yīng)超出進相報告的結(jié)論。

(3)要注意監(jiān)視發(fā)電機勵磁參數(shù)。發(fā)電機進相運行時要控制勵磁參數(shù)不低于本機組低勵限制定值。為了確保發(fā)電機進相運行時的安全，不允許退出低勵磁限制保護和失磁保護。在降低發(fā)電機勵磁時，若低勵限制器動作，應(yīng)立即停止降低發(fā)電機勵磁，適當增大勵磁電流。因此，為維持發(fā)電機的合理進相運行工況，要根據(jù)預(yù)定進相深度重新計算整定低勵限制定值并通過試驗確定。

(4)禁止發(fā)電機在不正常運行狀態(tài)及事故處理的情況下進相運行。發(fā)電機在進相運行中發(fā)生振蕩或者失去同步時，應(yīng)立即增加勵磁電流，使之為滯相運行，必要時可減少有功負荷。

(5)發(fā)電機升(降)負荷時應(yīng)先增加無功功率再增加(減少)有功功率，待負荷穩(wěn)定再減小無功功率至進相運行。如發(fā)現(xiàn)其他運行機組有功功率、無功功率有明顯擺動現(xiàn)象，應(yīng)即刻增加發(fā)電機的勵磁電流，同時向調(diào)度申請恢復(fù)發(fā)電機滯相運行。發(fā)電機進相運行時，若因電網(wǎng)出現(xiàn)跳機等原因引起電網(wǎng)無功大幅波動，不應(yīng)干涉發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器動作。

4 結(jié)束語

發(fā)電機進相運行時所受到的限制因素很多，而且在不同的條件下，起作用的因素也不同，這就決定了進相深度的限制判據(jù)應(yīng)是由多種因素組成的綜合判據(jù)，因此，運行人員應(yīng)該熟練掌握進相運行的相關(guān)理論及其注意事項，以提高發(fā)電機進相運行的安全性。

1 涂光瑜．汽輪發(fā)電機及電氣設(shè)備[M]．北京：中國電力出版社，1998.

2 陳道舜．電機學(xué)[M]．北京：中國水利水電出版社，2001.

3 河南省電力工業(yè)局．火電廠電氣設(shè)備運行[M]．北京：中國電力出版社，1995.

4 范錫普．發(fā)電廠電氣部分[M]．山東：山東工業(yè)大學(xué)出版社，1987.