任洪濤，馮真秋

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電網(wǎng)頻率變化對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組影響及其應(yīng)對(duì)措施研究

任洪濤，馮真秋

（華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122）

研究了電網(wǎng)頻率變化對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組氣隙磁場(chǎng)過(guò)飽和、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置、阻尼繞組溫升及鐵心損耗的影響。提出限制發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式、接地方式等應(yīng)對(duì)策略，保證水輪發(fā)電機(jī)組能在頻率不穩(wěn)定的電網(wǎng)中可靠運(yùn)行，為海外工程水輪發(fā)電機(jī)組選型及運(yùn)行提供參考。

電網(wǎng)頻率變化；水輪發(fā)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置

0 前言

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站的核心設(shè)備，對(duì)于按一定頻率、電壓設(shè)計(jì)的水輪發(fā)電機(jī)組，若運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)頻率與設(shè)計(jì)頻率出現(xiàn)偏差，機(jī)組性能將與設(shè)計(jì)預(yù)期發(fā)生變化，偏差過(guò)大甚至?xí)绊憴C(jī)組安全運(yùn)行。我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T7894-2009[1]對(duì)水輪發(fā)電機(jī)電壓和頻率綜合變化分為A和B兩個(gè)區(qū)域，如圖1(a)所示。水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)能在區(qū)域A內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)基本功能（額定功率因數(shù)時(shí)輸出額定容量）；應(yīng)能在區(qū)域B內(nèi)運(yùn)行，溫升可比電壓和頻率都為額定值時(shí)高。國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)廠家也多按此要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于我國(guó)電網(wǎng)容量大，可保證電網(wǎng)頻率在49.8Hz至50.2Hz范圍內(nèi)，因此滿足GB/T7894-2009所規(guī)定運(yùn)行范圍的機(jī)組在國(guó)內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。然而很多東南亞、非洲等欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)落后，電網(wǎng)頻率變化范圍較大，這些國(guó)家在法律和招標(biāo)文件中對(duì)水電站運(yùn)行頻率范圍會(huì)有更寬的要求，例如：(1)《柬埔寨電網(wǎng)規(guī)程》中對(duì)所有發(fā)電廠規(guī)定“發(fā)電機(jī)組應(yīng)保證電網(wǎng)頻率在47.5~52Hz之間時(shí)能夠連續(xù)運(yùn)行，且每次電網(wǎng)頻率降低至47~47.5Hz之間時(shí)，發(fā)電機(jī)組應(yīng)可連續(xù)運(yùn)行20s”；(2)烏干達(dá)在Karuma水電站工程招標(biāo)文件中規(guī)定“所有設(shè)備應(yīng)保證電網(wǎng)頻率在47.5~52.5Hz間變化時(shí)連續(xù)運(yùn)行”。與GB/T7894-2009不同，欠發(fā)達(dá)國(guó)家多會(huì)要求頻率和電壓各自變化±5%范圍內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)能連續(xù)運(yùn)行，如圖1(b)區(qū)域C所示。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)電壓和頻率限制

事實(shí)上這種要求也符合欠發(fā)達(dá)國(guó)家的電網(wǎng)現(xiàn)狀。如文獻(xiàn)[2]對(duì)越南海防市電網(wǎng)頻率進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示海防市電網(wǎng)頻率在48.983~50.433Hz之間變化；文獻(xiàn)[3]對(duì)與朝鮮電網(wǎng)相連的太平灣電廠頻率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示電廠頻率在45~55Hz之間變化；尼日利亞達(dá)丁卡瓦水電站發(fā)生過(guò)多起電力設(shè)備、儀表工作異?；蚬收?，經(jīng)測(cè)量尼日利亞電網(wǎng)頻率在48~51Hz之間變化。本文通過(guò)對(duì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)頻率變化對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的影響進(jìn)行分析，提出應(yīng)對(duì)策略，為海外工程水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 電網(wǎng)頻率變化對(duì)水輪發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響及其應(yīng)對(duì)措施

水輪發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能過(guò)程中，能量是以電磁能的形式通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙進(jìn)行傳遞。發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場(chǎng)僅由勵(lì)磁電流建立，主磁通切割定子繞組感應(yīng)出頻率為f=pn/60的對(duì)稱三相基波電動(dòng)勢(shì)，每相有效值為：

式中，N為每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；0為每極基波磁通量；0為基波電勢(shì)(勵(lì)磁電勢(shì))；k1為基波繞組系數(shù)。

如圖2所示，改換空載特性曲線比例尺后，可得到發(fā)電機(jī)的磁化曲線0=(F)。勵(lì)磁電流較小時(shí)，由于氣隙磁場(chǎng)未飽和，空載特性呈直線。隨著勵(lì)磁電流的增大，氣隙磁場(chǎng)逐漸飽和，磁化曲線進(jìn)入飽和段，此后氣隙增加同樣的磁通所需勵(lì)磁電流越來(lái)越大。為合理利用材料，額定工作點(diǎn)一般設(shè)計(jì)在空載特性彎曲處(如圖2點(diǎn))。若氣隙磁場(chǎng)過(guò)于飽和，將使勵(lì)磁繞組用銅量增加，而且電壓調(diào)節(jié)也比較困難；若飽和程度太低，則硅鋼片的利用率低，電機(jī)鐵材料消耗較多。通常用電機(jī)磁路飽和系數(shù)k=E’0/U反應(yīng)氣隙磁場(chǎng)飽和程度，k取值通常在1.1~1.25范圍內(nèi)。

圖2 水輪發(fā)電機(jī)空載特性

并網(wǎng)運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)定子(電樞)繞組將出現(xiàn)電流從而產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)，此時(shí)氣隙磁通Ф將由電樞磁動(dòng)勢(shì)F和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)F共同決定，與空載時(shí)相比其幅值和相位均發(fā)生變化，如圖3(b)所示。

圖3 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前后時(shí)空向量圖

圖3中，為發(fā)電機(jī)端電壓；為定子電流；Ф為漏磁通；Ф為電樞磁通；為發(fā)電機(jī)功角；為功率因數(shù)角。

Ф是一個(gè)虛擬磁通，假定發(fā)電機(jī)的端電壓是由Ф產(chǎn)生的，Ф由ФФФ合成。忽略氣隙漏磁通Ф時(shí)可得Ф=Ф，即氣隙磁通Ф切割定子繞組產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與發(fā)電機(jī)端電壓相等，故氣隙磁通應(yīng)滿足：

對(duì)于已生產(chǎn)機(jī)組N、k均為常數(shù)，無(wú)法改變。故由式(2)可知，并網(wǎng)后氣隙磁通Ф由電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)頻率的比值決定。現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)，都是按高飽和程度設(shè)計(jì)，為避免氣隙磁場(chǎng)過(guò)飽和，圖1a中區(qū)域B第二象限的邊界是斜率為1的直線，這樣可保證在電網(wǎng)電壓和頻率偏離額定時(shí)，標(biāo)幺值不超過(guò)1.05，即保證機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)氣隙磁通最大值不超過(guò)額定值的1.05倍。然而對(duì)于欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)，最大標(biāo)幺值出現(xiàn)在圖1b第二象限的頂點(diǎn)處(=1.05，=0.95)，為1.05/0.95=1.105，即頻率降低時(shí)機(jī)端電壓升高，此點(diǎn)表示電網(wǎng)有功功率和無(wú)功功率均不足，有功不足導(dǎo)致電網(wǎng)頻率下降；無(wú)功不足需要發(fā)電機(jī)增加無(wú)功出力，因此需要抬高機(jī)端電壓。這種工況在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)可能性不大，因?yàn)槲覈?guó)電網(wǎng)樞紐變電站無(wú)功電源充足，且頻率較穩(wěn)定。而欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)除發(fā)電機(jī)外幾乎沒(méi)有無(wú)功電源，如本文對(duì)尼日利亞25個(gè)35~330kV電壓等級(jí)變電站進(jìn)行調(diào)研，25個(gè)變電站均未設(shè)置電容器等無(wú)功電源，因此欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)存在上述工況的可能。上述工況下發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)處于深度飽和狀態(tài)，不僅勵(lì)磁電流大幅增加，而且可引起定子磁場(chǎng)畸變、漏磁增加，使定子本體機(jī)架感應(yīng)出較大電流，導(dǎo)致局部發(fā)熱，威脅機(jī)組安全運(yùn)行[4]。

為解決電網(wǎng)頻率變化引起氣隙磁場(chǎng)飽和所帶來(lái)的問(wèn)題，有以下方案：

（1）將氣隙額定磁密與國(guó)內(nèi)同等發(fā)電機(jī)相比降低5%(如圖4中b點(diǎn))。這是一種直接有效的方法，降低磁密后在圖1區(qū)域C范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)過(guò)度飽和，但是這種方法將會(huì)降低鐵磁材料利用率，增加機(jī)組成本。

圖4 降低磁密的發(fā)電機(jī)空載特性曲線

（2）修正發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)曲線。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組頻率由電網(wǎng)頻率決定。而機(jī)端電壓則是發(fā)電機(jī)根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功調(diào)度指令，由機(jī)組通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流確定。由于目前發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)均是在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)環(huán)境下整定的，當(dāng)電網(wǎng)受到有功沖擊，頻率降低時(shí)，為了避免在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)要求的頻率范圍內(nèi)過(guò)激磁保護(hù)誤動(dòng)作，應(yīng)相應(yīng)放寬過(guò)激磁保護(hù)范圍，保證機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。

（3）增大勵(lì)磁回路導(dǎo)體截面，增加通風(fēng)散熱能力。這種方法適用于容量較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī)，而對(duì)于大容量機(jī)組不易實(shí)現(xiàn)。

2 電網(wǎng)頻率變化對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)的影響及其應(yīng)對(duì)措施

中壓發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地主要有經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)單相接地變壓器電阻接地等方式，兩種接地方式對(duì)于定子回路單相接地故障處理的立場(chǎng)不同，有各自優(yōu)勢(shì)。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地是將發(fā)電機(jī)單相接地故障電流限制在允許范圍內(nèi)，允許機(jī)組帶故障繼續(xù)運(yùn)行2h，便于組織搶修或瞬時(shí)接地電弧自行熄滅，以提高機(jī)組運(yùn)行可靠性；經(jīng)接地變電阻接地是通過(guò)增大單相接地電流，使繼保系統(tǒng)可靠動(dòng)作，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)。本文就電網(wǎng)頻率對(duì)兩種中性點(diǎn)接地方式影響展開(kāi)分析。

2.1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器電阻接地

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻阻值取值過(guò)大將會(huì)產(chǎn)生較高的弧光過(guò)電壓，威脅定子繞組絕緣；取值過(guò)小將會(huì)產(chǎn)生較大的接地故障電流從而燒毀定子鐵心。因此DL/T5222-2005[5]第18.2.5條規(guī)定經(jīng)單相變壓器接地電阻值R為：

式中，U為發(fā)電機(jī)額定線電壓；為接地變變比；為發(fā)電機(jī)定子側(cè)對(duì)地總電容。

接地電阻與暫態(tài)過(guò)電壓關(guān)系如圖5所示，由圖可知在電網(wǎng)頻率在額定值±5%范圍內(nèi)時(shí)，單相接地暫態(tài)過(guò)電壓均在2.6倍相電壓范圍內(nèi)，因此電網(wǎng)頻率對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器電阻接地方式影響不大。

圖5 接地電阻與暫態(tài)過(guò)電壓關(guān)系曲線

2.2 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

GB50064-2014[6]中第3.1.3條規(guī)定，發(fā)電機(jī)額定電壓6.3kV及以上的系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障不要求瞬時(shí)切機(jī)時(shí)，若發(fā)電機(jī)單相接地電容電流大于表1所規(guī)定值，應(yīng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。

表1 發(fā)電機(jī)單相接地故障電容電流最高允許值

通常水輪發(fā)電機(jī)組單相接地電容電流會(huì)大于表1的規(guī)定，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)可經(jīng)消弧線圈接地將定子側(cè)單相接地電流限制在表1范圍內(nèi)，以提高供電可靠性。消弧線圈參數(shù)主要受中性點(diǎn)位移電壓和傳遞過(guò)電壓的限制。單元接線的大型發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)升壓主變壓器與系統(tǒng)相連，若主變高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地或不接地，當(dāng)主變高壓側(cè)發(fā)生單相接地或斷路器不同期動(dòng)作時(shí)，主變中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)位移電壓，并經(jīng)高低壓繞組間電容耦合傳遞至主變低壓側(cè)，繼而在發(fā)電機(jī)電壓網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生電容耦合傳遞過(guò)電壓，并使發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓位移，引起誤信號(hào)或誤動(dòng)作。傳遞過(guò)電壓和不對(duì)稱電壓引起的位移電壓可按下式計(jì)算[7]：

式中，01為主變高壓側(cè)中性點(diǎn)位移電壓，高壓側(cè)單相接地時(shí)等于高壓側(cè)相電壓；02為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)在發(fā)生傳遞過(guò)電壓時(shí)的位移電壓；0為正常工作時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)位移電壓；U為消弧線圈投入前發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓；C為主變高低壓繞組之間的耦合電容；C為發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地電容；為發(fā)電機(jī)電壓回路阻尼率；為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈脫諧度，12/2C；2為發(fā)電機(jī)回路電容電流；I為消弧線圈電感電流。

可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地電容和變壓器耦合電容一定時(shí)，傳遞電壓比值與脫諧度呈反比例關(guān)系(如圖6所示)。DL/T5222-2005第18.1.7條對(duì)脫諧度規(guī)定為“中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的發(fā)電機(jī)，在正常情況下，長(zhǎng)時(shí)間中性點(diǎn)位移電壓不應(yīng)超過(guò)額定相電壓10%，考慮到限制傳遞過(guò)電壓等因素，脫諧度不宜超過(guò)±30%”。

根據(jù)脫諧度定義有：

為使||<0.3，則有：

由式(5)、(6)可推導(dǎo)出當(dāng)電網(wǎng)頻率標(biāo)幺值在0.95與1.05之間變化時(shí)，脫諧度的變化范圍超過(guò)0.2，可造成中性點(diǎn)位移電壓和傳遞過(guò)電壓超過(guò)限定值[8]。因此利用消弧線圈接地并不適用于電網(wǎng)頻率較大范圍變化的場(chǎng)合。

2.3 應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)對(duì)兩種發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行分析可知，電網(wǎng)頻率變化對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)接地變電阻接地方式影響較??；而經(jīng)消弧線圈接地時(shí)可造成中性點(diǎn)過(guò)電壓超過(guò)限定值。因此在海外水電工程中，建議發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變電阻接地，若需采用消弧線圈接地方式，則應(yīng)采用具有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能的消弧線圈。

3 電網(wǎng)頻率變化對(duì)水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組溫升的影響及其應(yīng)對(duì)措施

阻尼繞組對(duì)水輪發(fā)電機(jī)作用主要有兩方面：一方面是可消弱負(fù)序氣隙磁場(chǎng)，降低電網(wǎng)負(fù)序電壓對(duì)機(jī)組的影響；另一方面當(dāng)電網(wǎng)頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速不匹配時(shí)，阻尼繞組中出現(xiàn)感應(yīng)電流，對(duì)轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率同步。溫升是影響阻尼繞組的重要因素之一，JB/T8445-1996《三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)序電流承受能力試驗(yàn)方法》[9]中規(guī)定在電機(jī)長(zhǎng)期和短時(shí)運(yùn)行時(shí)紫銅阻尼條允許的最高溫度分別為130℃和220℃。在國(guó)內(nèi)，阻尼繞組溫升計(jì)算主要依據(jù)GB/T7894-2009[1]中對(duì)水輪發(fā)電機(jī)正常和故障時(shí)不對(duì)稱運(yùn)行規(guī)定：

（1）水輪發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱電力系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流為下列數(shù)值時(shí)應(yīng)能長(zhǎng)期運(yùn)行：

a. 額定容量為125MVA 及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)不超過(guò)12%；

b. 額定容量大于125MVA 的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)不超過(guò)9%；

c. 定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機(jī)不超過(guò)6%。

（2）水輪發(fā)電機(jī)在故障情況短時(shí)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，瞬態(tài)負(fù)序能力應(yīng)為下列數(shù)值：

a. 空氣冷卻的水輪發(fā)電機(jī)：40s；

b. 定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機(jī)：20s。

在欠發(fā)達(dá)國(guó)家的薄弱電網(wǎng)中，較大負(fù)荷的投入或退出會(huì)使有功功率失去平衡，從而引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)。由于水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，調(diào)速時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速無(wú)法快速準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)頻率變化，此時(shí)阻尼繞組同樣會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流并引起溫升，這也是電網(wǎng)沖擊對(duì)機(jī)組運(yùn)行的危害之一。我國(guó)企業(yè)建造的剛果英布魯水電站曾出現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生阻尼繞組燒毀事故，即與電網(wǎng)頻率波動(dòng)有關(guān)。

欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)中較大負(fù)荷投切時(shí)負(fù)序電流和電網(wǎng)頻率波動(dòng)往往同時(shí)存在，阻尼繞組溫升除考慮電網(wǎng)負(fù)序電流引起的損耗外，還應(yīng)計(jì)及電網(wǎng)頻率波動(dòng)引起的損耗。根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述阻尼繞組溫升計(jì)算公式，以某水輪發(fā)電機(jī)為例，設(shè)定電網(wǎng)中存在9%的負(fù)序電流，取工頻下阻尼繞組電阻標(biāo)幺值為0.0143，電抗標(biāo)幺值為0.2957，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電網(wǎng)受到?jīng)_擊導(dǎo)致頻率下降5%時(shí)，阻尼繞組損耗與忽略頻率變化影響相比增加了82.3%?？紤]到電網(wǎng)頻率處于變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率不同步可在數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘內(nèi)存在，頻率波動(dòng)對(duì)阻尼繞組溫升的影響已不可忽視[11]。

無(wú)論是電網(wǎng)負(fù)序電流還是電網(wǎng)頻率波動(dòng)，發(fā)電機(jī)組均無(wú)法抑制。因此在海外工程水電項(xiàng)目中，阻尼繞組的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電網(wǎng)頻率變化引起的附加損耗的影響，合理設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)型式及散熱。

4 電網(wǎng)頻率變化對(duì)水輪發(fā)電機(jī)鐵心損耗的影響及其應(yīng)對(duì)措施

定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗(即鐵損)是發(fā)電機(jī)空載損耗的主要組成部分，也是衡量發(fā)電機(jī)性能的重要參數(shù)之一。鐵損與氣隙磁通和頻率有關(guān)，鐵損過(guò)大將會(huì)引起鐵心過(guò)溫，危及發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，這也是GB/T7894-2009[1]規(guī)定圖1a第一象限邊界的原因。然而在如圖1b的欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)頻率升高將會(huì)增大鐵損。根據(jù)鐵損產(chǎn)生原因不同，可分為磁滯損耗和渦流損耗兩種[12]。

鐵心為鐵磁物質(zhì)，在其內(nèi)部可分為很多區(qū)域，即使無(wú)外磁場(chǎng)的作用，區(qū)域內(nèi)各原子的磁矩也會(huì)取一致方向作有序排列，相當(dāng)于磁化狀態(tài)。當(dāng)外加交變磁場(chǎng)時(shí)，磁矩不停翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生“摩擦”，引起磁滯損耗p，同時(shí)鐵心中磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，在其中會(huì)感應(yīng)出電流，產(chǎn)生渦流損耗p：

式中，σ、σ為與材料規(guī)格、性能有關(guān)的系數(shù)。將式(7)兩式合并可得鐵損系數(shù)p：

其中，10/50為=1T及=50Hz時(shí)鋼的單位質(zhì)量損耗。由式(8)可知，當(dāng)電網(wǎng)有功功率過(guò)剩而無(wú)功功率不足時(shí)，發(fā)電機(jī)將工作于圖1b中第一象限頂點(diǎn)(=1.05，=1.05)，鐵損將是額定工作點(diǎn)時(shí)的1.175倍。此點(diǎn)表示電網(wǎng)有功充足而無(wú)功不足，電網(wǎng)中無(wú)功電源已不能滿足無(wú)功負(fù)荷，需要發(fā)電機(jī)兼做無(wú)功電源[13-15]。這種工況在國(guó)內(nèi)和國(guó)外電網(wǎng)中均存在，且在欠發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)中頻率和電壓偏高更為嚴(yán)重?？刹捎靡韵路椒ń档丸F損升高的影響：

（1）頻率和電壓均偏高時(shí)，避免發(fā)電機(jī)滿額出力。發(fā)電機(jī)散熱是綜合考慮定轉(zhuǎn)子銅耗、鐵心損耗及雜散損耗等設(shè)計(jì)的。不同于阻尼繞組的損耗集中于阻尼條上，鐵心損耗和定轉(zhuǎn)子銅耗是分布在整個(gè)定轉(zhuǎn)子表面，頻率升高雖會(huì)引起鐵損增加，但如果降低出力，可使銅耗降低，仍可保證發(fā)電機(jī)總損耗在可控范圍內(nèi)[16]。

（2）發(fā)電機(jī)控制中引入電壓—頻率限制，避免頻率偏高時(shí)機(jī)端電壓也過(guò)高。頻率偏高表明電網(wǎng)有功功率過(guò)剩，引入電壓—頻率限制引起的出力降低也符合電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)規(guī)律，故該方法更為直接有效。

5 結(jié)論

海外水電工程與國(guó)內(nèi)相比側(cè)重點(diǎn)不同，欠發(fā)達(dá)國(guó)家不像國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)電廠運(yùn)行及保護(hù)有嚴(yán)格的考核制度，保證發(fā)電機(jī)組本身的安全運(yùn)行是業(yè)主的首要訴求，因此應(yīng)采取限制水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式、接地方式等措施保證發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)不過(guò)飽和、中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)可匹配、阻尼繞組溫升不過(guò)高，從而保障電網(wǎng)頻率變化時(shí)水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] GB/T7894-2009, 水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件.9

[2] 黃永鋼. 越南海防DAP項(xiàng)目12MW自備電站并網(wǎng)和外網(wǎng)斷電甩負(fù)荷單機(jī)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)試[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013(31):4-4.

[3] 蘇有權(quán). 跟蹤大范圍頻率變化的發(fā)變組保護(hù)在太平灣電廠的應(yīng)用[J]. 水電與抽水蓄能, 2011, 35(2):40-42.

[4] 康錦萍, 劉曉芳, 羅應(yīng)立,等. 汽輪發(fā)電機(jī)磁路飽和與磁場(chǎng)畸變共同作用對(duì)運(yùn)行的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(36):41-45.

[5] DL/T5222-2005, 導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定.

[6] GB50064-2014, 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范.

[7] 梁昭. 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的研究[D]. 華北電力大學(xué)(河北), 2009.

[8] 汪雁, 王曉瑜, 舒廉甫,等. 水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地動(dòng)態(tài)電勢(shì)的研究[J]. 高電壓技術(shù), 1999, 25(1):56-57.

[9] JB/T8445-1996三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)序電流承受能力.

[10] 陳錫芳. 水輪發(fā)電機(jī)電磁與計(jì)算[M]. 中國(guó)水利水電出版社, 2011.

[11] 陳增芬. 考慮飽和時(shí)1000MW水輪發(fā)電運(yùn)行特性分析[D]. 哈爾濱理工大學(xué), 2010.

[12] 林海雪. 電弧爐的有功功率沖擊對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(z1):232-238.

[13] 康錦萍, 劉曉芳, 羅應(yīng)立,等. 汽輪發(fā)電機(jī)磁路飽和與磁場(chǎng)畸變共同作用對(duì)運(yùn)行的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(36):41-45.

[14] 陳德亮. 水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分動(dòng)力學(xué)分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013(5):60-64.

[15] 蔣小毛. 電源頻率變化對(duì)屏蔽式主泵電機(jī)性能影響及其設(shè)計(jì)調(diào)整分析[J]. 核動(dòng)力工程, 2013, 34(s1):128-131.

[16] 劉維烈. 電力系統(tǒng)調(diào)頻與自動(dòng)發(fā)電控制[M]. 中國(guó)電力出版社, 2006.

Research on the Influence of Power Grid Frequency Change to the Turbine Generator Unit and Its Countermeasure

REN Hongtao, FENG Zhenqiu

(Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

The paper analyzes the influence of power grid frequency's variation on air-gap magnetic field of hydro-generator units, the generator neutral grounding device, the damping winding temperature rise and core loss. The paper puts forword some countermeasures to limit the operation mode and grounding mode of generator, ensuring that the hydrogenerator can operate reliably in an unstable power grid, and provides reference for the selection and operation of oversea engineering hydro-generator sets.

power grid frequency change; hydro-generator sets; generator neutral grounding device

TM312

A

1000-3983(2017)06-0030-05

2016-11-17

任洪濤（1989-），2013年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，碩士，研究方向：水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)，工程師。