四川电网发电机进相运行试验研究

　　摘　要：对四川电网发电机进相试验研究情况进行了总结，研究了发电机进相运行的限制条件，特别研究了发电机低有功无励磁运行、发电机进相运行时厂用电电压过低对厂用负载的影响以及定子端部结构件温度限制。
　　Abstract: The test and research on leading phase operation of generator in Sichuan power system has been summarized. In this paper, it has made research on thelimiting conditions for leading phase operation of generator, especially on loss-of-excitation operation of generator with low active power, the effect of low voltage of auxiliary power on service load while generator is in leading phase operation, and temperature limit of constructional elements at both ends of stator.

1发电机进相运行的必要性
　　随着四川省电力工业不断发展，电网结构的变化，超高压远距离输电网络不断扩大，导致系统无功增多，如220 kV、330 kV和500 kV级的架空线路，每公里对地的容性无功分别为130kvar、400 kvar和1 000～1 300 kvar。加之，为弥补系统高峰负荷时的无功不足，在电网中还装设了一定数量的电容器，这些电容器有时难以适应系统调节电压的需要而及时投切。因此，在节假日或午夜等系统负荷处于低谷时，其过剩无功必导致电网电压升高，甚至超过运行电压容许的规定值，不仅影响供电的电压质量，还会使电网损耗增加，经济效益下降。发电机进相运行能吸收网络过剩的无功功率，降低系统电压。发电机进相运行是结合电力生产需要而采用的切实可行的运行技术，它可使发电机由改变运行工况而达到降压的目的。仅是利用系统现有设备增加的一种调压手段，便可扩大系统电压的调节范围，改善电网电压的运行状况。该方法操作简便，在发电机进相运行限额范围内运行可靠，其平滑无级调节电压的特点，更显示了它调节电压的灵活性，发电机进相运行是改善电网电压质量最有效而又经济的必要措施之一。?

2发电机进相运行的基本原理
　　发电机进相运行时，供给系统有功功率和感性无功功率，其有功功率和无功功率表的指示均为正值；而进相运行时供给系统有功功率和容性无功功率，其有功功率表指示为正值，而无功功率表则指示负值，故可以说此时从系统吸收感性无功功率。发电机进相运行时各电气参数是对称的，并且发电机仍保持同步转速，因而是属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况，只是拓宽了发电机通常的运行范围。同样，在允许的进相运行限额范围内，只要电网需要是可以长期运行的。
　　同步发电机在低有功情况下可以无励磁运行，此时发电机能保持同步运行，并吸收电网无功功率，但其定子电压要下降。发电机低有功无励磁运行是依靠反应转矩维持同步运行的，其电磁功率包含两部分，即基本电磁功率和附加电磁功率，基本电磁功率是由励磁电流决定的，附加电磁功率是由转子凸极效应确定的。当运行中失去励磁时，电磁功率仅有附加电磁功率，其最大值为
　　
　　对于凸极发电机Xd＞Xq，故P2m＞0；当有功功率很小时，该电磁功率足以克服制动转矩的作用而驱动发电机与电网保持同步。实践证明，凸极发电机在无励磁运行时的电磁反应功率可达到额定容量的20％左右，亦即发电机带有功20％ Pn无励磁运行时不失步。此时转子绕组无直流电流又保持同步状态，故不在转子绕组及各部件感应电流，不存在转子发热的问题。?

3发电机进相运行的限制因素
　　发电机进相运行会受到下列因素的限制：①发电机的静稳定和动稳定限制；② 发电机的暂态和动态稳定限制；③ 低励磁不稳定的限制。?

4进相运行试验研究工作内容
　　四川电力系统发电机进相运行试验研究主要工作如下。
4.1改造了各试验电厂有关无功功率等表计
　　发电机进相运行时，发电机吸收系统感性无功，无功功率为负，功率因数角由正变为负，功率因数具有双向性。而以前各电厂所装无功表计均为单向，且未装功率因数表，因此需改造单向无功功率因数表。
4.2发电机进相运行稳定性和电压无功研究结果
　　发电机进相试验应在系统低谷负荷时段电压偏高时进行，采用四川电网正常运行状态下的小方式进行计算，为了提高发电机进相深度，减小发电机机端电压对进相深度的影响，一般将电厂升压变压器接头定于4档。
　　在发电机进相运行试验前对其稳定极限和无功电压进行了计算。通过计算可知，每台发电机静稳定极限都是比较深的，暂态稳定极限略浅于静稳定极限，发电机进相在暂态稳定极限范围内能将系统电压降低至允许范围，降压效果是十分显著的。
4.3发电机失磁异步运行时机理、现象及处理措施
　　发电机在进相运行试验中，在励磁系统调试中有可能失磁，进相至较深的进相深度时也可能转入异步运行。因此，在试验前应研究发电机失磁异步运行的机理、现象及处理措施。
　　当发电机进相运行时，随着励磁电流下降，电磁转矩下降，在转子上就会出现转矩不平衡现象。试验研究结果表明，发电机失磁异步运行时，①转子表面温度不会太高，其主要原因为转子部件感应电流频率较低，集肤效应不太严重，涡流遍布于转子整体，不会使转子局部出现高温；②转子的转速不会无限制升高，这样可避免转子超速可能引起的故障或事故；③定子电压要下降，定子电流要增加，输出的有功至少要小于（0.5～0.6）Pn，定子电流接近或略高于其额定值；④定子边段铁芯和金属结构件温度会增加；⑤当转子绕组开路失磁异步运行时，转子绕组会产生瞬时过电压和过电流，在甚低滑差(S＜0.005)下异步运行时，其感应电压是较低的，不会危及转子绕组绝缘的安全运行。转子绕组在某种外接电阻下，其感应电流可能会超过转子额定电流，但不可能达到很高的危险数值，可能最高约为1.5倍额定电流值。
　　根据以上试验研究结果，发电机在进相试验中若发生失磁异步运行，不应匆忙解列停机，应尽快增加励磁电流恢复同步，若不能恢复同步，则应将有功减低至（50～60）％Pn，同时增加励磁电流，使发电机恢复同步。
4.4研究厂用电电压过低对厂用负载的影响
　　为了研究厂用电电压过低对厂用负载的影响，在CD电厂作了厂用电压较低时的扰动试验。发电机自动励磁调节器投入运行，在有功为140 MW，进相到厂用电达到较低值时，起动一台5500 kW给水泵电机作扰动试验，其试验结果表明，厂用电在起动过程中由6.0 kV降为4.8 kV，起动时间为4.6 s，起动时不影响发电机和其它辅机的正常运行。
4.5研究发电机低负荷全失磁时的机理、现象及处理措施
　　在GZ电厂的G电站5号和T电站13号发电机上作了研究。G电站5号发电机是在有功为10MW下进行的，将励磁电流减至最小，然后断开励磁开关，此时发电机保持同步运行，实测其边段铁芯温升未超标，此时厂用电电压最低为5.82 kV，发电机在P=10 MW下可以无励磁运行。而T电站13号发电机是在有功为20 MW下进行的，此时电机未失步，边段铁芯温度也未超标，但却受到了厂用电电压过低（厂用电压降为5.22 kV）的限制而不能无励磁运行。
4.6研究发电机定子端部边段铁芯和金属结构件温度分布规律
　　在G电站5号发电机、T电站13号发电机、BZS电厂3号机定子端部边段铁芯和金属结构件处埋设热电偶，测量其温度分布。G电站5号机定子上下端定子边段铁芯和金属结构件处选择一个节距，埋设在同槽异相绕组附近，测量结果表明，最高温度在定子上压指和边段铁芯第一阶梯齿处，其主要原因是该机定子压指材料为磁性材料，该处磁阻小，漏磁通大。该处温度较高，成了发电机进相运行的限制因素。从周向看，最高温度出现在同槽异相绕组搭接槽齿部。T电站13号发电机和BZS电厂3号机定子边段铁芯和阶梯齿温度均较低，最高温度出现在第一阶梯齿，因压指材料为非磁性材料，所以压指温度并不高。?

5发电机进相运行试验研究概况及降压节能效益
5.1四川电网发电机进相运行概况
　　四川电网部分发电机进相试验结果汇总于表1。

5.2在电网中降压节能效益
　　由发电机进相运行试验研究的结果及表1中的数据，可获得以下几点。
　　1) 发电机进相运行降压效果显著：以BZS电厂3号发电机进相运行为例，该机进相运行时，随进相深度增加，该站220 kV侧母线电压和吸收无功Q的关系得出：每吸收系统无功约9～20 Mvar时，即可将该站220 kV的母线电压降低1 kV，降压效果显著。
　　但应指出，各电网容量、结构、运行方式等的不同，降低该站(厂)高压侧母线电压1 kV需吸收的无功值是不一样的，由表1可知为7～35 Mvar。但是，总的看来，降低电网电压的效果是很显著的。
　　2) 发电机进相运行节能效益显著：
　　发电机进相运行吸收系统无功，不仅能降低系统电压确保电压质量，而且还可以同时得到节能提高电网经济效益的目的：
　　① 减少变压器等设备因电压增高而增加损耗；② 减少变压器等设备的损耗确保绝缘使用寿命。
　　综上所述，当系统负荷处于低谷，无功过剩电压增高至超过规定的运行电压允许值时，网调可安排电机进相运行，降低电压，使全网电压于允许的范围内运行，既确保了电压质量，又可改善系统的电能分配，减少全网的总损耗，提高经济效益。 ?

6发电机进相试验研究取得的规律
　　发电机进相运行时，本身的限制因素之一是定子边段铁芯和金属结构件的局部高温，因此从电机上改进结构，降低端部损耗，加强端部冷却，消除局部过热，提高电机进相运行能力，是当前电机设计的主要内容之一。
　　国内外对电机边段铁芯的不同结构，端部屏蔽方式及探求端部最佳冷却方式和强度等，作了大量的试验研究和计算，取得了下列主要成果。
6.1发电机定子端部温度分布规律
　　1) 沿电机轴向长度的温度分布：
　　试验研究结果表明，电机进相运行时，定子边段铁芯和端部金属结构件的局部高温处随电机形式、端部结构、材料和冷却情况的不同而异，但是一般出现在压指、边段铁芯1～4段。这与压指和边段铁芯材质有关，材质为磁性材料者，该处漏磁大，最高温度通常出现在压指上，邻近第一阶梯齿受其影响，温度也较高。压指和边段铁芯材质为非磁性材料者，最高温度通常出现在第一阶梯齿处，压指温度略为偏低。
　　沿电机轴向距端面的距离增加，合成磁密的轴向分量逐渐减小，致使边段铁芯的温升沿轴向往中心相应降低。到第四段以后，已接近中部铁芯温升的数值。电机进相运行时，沿电机轴向长度的温升分布类似“U”形曲线。
　　2) 沿电机边段铁芯径向的温度分布：综合电机进相试验研究结果，沿定子边段铁芯径向的温度分布，具有不均匀的特性，最高温度的部位随机型和结构而异。通常出现在端部压指顶、边段铁芯的齿顶、齿中部和槽底部位。
　　3) 沿定子膛圆周边段铁芯各齿的温度分布：
　　分析研究实测表明，电机进相运行时，沿定子膛圆周边段铁芯各齿的温度分布，亦具有不均匀的特性。引起温度不均匀的原因，主要是因定子绕组端部产生的空间高次谐波，在各齿的合成值不同，所以沿定子膛圆周各点的漏磁场强度亦不同。对于双层绕组的电机，在双层线棒的相带搭接处，所有正弦谐波的数值为同相位，致使磁势的总和达到最大值，造成同槽异相线棒搭接处的齿部温度最高。GZ电厂5号机实测结果证明了这点。因此在作电机的进相和无励磁试验时，测磁和测量元件应埋设在上述部位，方能测得定子端部的最高温度。
6.2发电机低有功无励磁、调相机无励磁运行无失步问题
　　试验研究、运行实践均表明，发电机低有功和调相机进相至极限——无励磁时，电机运行无失步问题。这是因为通常电机的Xd与Xq是不相等的，因此同时考虑Xd和Xq时，其电磁功率用式(2)表示。

　　式中第1项P1为励磁电磁功率，其值与励磁电流的大小有关；第2项P2为磁阻功率，它仅取决于电机Xd与Xq的差值和机端(电网)电压的高低，而与励磁电流值无关，在δ＝45°时达最大值。当电机无励磁时Eq(不计剩磁)为零，即P1为零。此时电机仅有P2存在。
6.3发电机带自动励磁调节器可以提高其稳定性
　　发电机静稳定、动稳定、电压无功计算和试验结果表明，每台发电机均具备进相能力，其稳定极限深度均较深。与电机在电网中的位置，自动励磁调节器投入与否有关。CD电厂、HJZ电厂、GZ电厂均作了自动和手动励磁两种工况的进相运行试验，结果表明，发电机带自动励磁调节器可以提高电机的稳定性。?

7结论
　　（1） 试验研究表明，发电机进相运行降低系统电压效果显著，既可确保电压质量，又可减少系统电气设备的总损耗，是提高电网运行经济效益，简便易行且安全可靠的最有效措施之一。
　　（2）发电机进相运行时，定子端部出现局部高温的数值，与电机型式，端部结构、应用材料等有关。经分析和实测表明，局部高温处，一般出现在双层绕组相带中异相线棒搭接槽齿部的压指边段铁芯部位。
　　（3）计算分析及运行实践均表明，发电机低有功和调相机进相至极限——无励磁时，因磁阻功率远大于制动功率，绝不会失步。并且储备系数大，静稳定度高，对于无励磁时定子端部温升远低于限额值的凸极调相机，若电网需要可采用负励磁运行，进一步提高调节电网电压的能力。
　　（4） 试验研究表明，水轮发电机磁阻功率大，一般约为额定功率的25％。因此，对于进相运行不受边段铁芯发热限制的水轮发电机(或凸极转子的汽轮发电机)，宜带低有功进相运行，进相深度大，吸收无功多，降压效果显著，受静稳定的影响小。
　　（5） 随着中国电力工业和运输事业发展和提高供电可靠性的需要，发电机的设计和制造，应满足特殊运行方式——进相、异步运行的要求，并在定子端部边段铁芯及结构件增设测温元件，以便在进相和异步运行时监测温度，确保电机能长期安全运行。