水電廠空載調(diào)壓的運(yùn)行分析及應(yīng)對(duì)措施

陳曉輝，焦華偉，李浩波

（1.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 懷化 419600；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 概述

水電廠一般地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，送出線的架空線路較長，在夜間負(fù)荷處于低谷時(shí)間段內(nèi)，由于空載架空線路對(duì)地電容的影響，在送出線路末端產(chǎn)生大量的容性無功，從而出現(xiàn)有功平衡無功過剩的情況，導(dǎo)致水電廠母線電壓過高越限，母線電壓過高，對(duì)電氣設(shè)備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行均造成不良影響，為使系統(tǒng)的無功達(dá)到平衡從而降低母線電壓，水電廠發(fā)電機(jī)組一般以深度進(jìn)相的方式運(yùn)行來吸收電網(wǎng)系統(tǒng)多余的無功，而有功輸出幾乎為零，即空載調(diào)壓運(yùn)行方式。然而空載調(diào)壓對(duì)水電機(jī)組產(chǎn)生了非常不良的影響：①空載調(diào)壓運(yùn)行一般都是在機(jī)組的振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，機(jī)組各部件的振動(dòng)都非常大，有的部位振動(dòng)數(shù)據(jù)甚至超標(biāo)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的金屬部件的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致機(jī)組故障多發(fā)；②由于空載調(diào)壓運(yùn)行輸出有功基本為零，從而提高了機(jī)組的發(fā)電耗水率，浪費(fèi)了大量的水資源，導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降；③機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行時(shí)都是深度進(jìn)相運(yùn)行，定子端部漏磁通變化比增大，使得定子端部發(fā)熱嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響定子線圈的使用壽命，因此應(yīng)盡量減少水電機(jī)組的空載調(diào)壓運(yùn)行。

五強(qiáng)溪電廠位于沅陵縣境內(nèi)的沅水干流上，是沅水流域水電梯級(jí)開發(fā)的骨干電廠，華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻電廠。由于近年來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，夜間低谷時(shí)段母線電壓升高至545～549 kV左右，為了維持電壓在合理的范圍內(nèi)，根據(jù)調(diào)度要求水電機(jī)組要進(jìn)相運(yùn)行，吸收多余的無功功率，將水電廠高壓側(cè)母線電壓調(diào)整至合理范圍，特別是酒湖線的投入運(yùn)行后，夜間空載調(diào)壓的時(shí)間成倍地增長，而長期的空載調(diào)壓給機(jī)組帶來了很大的安全隱患，同時(shí)浪費(fèi)了大量的水資源。

根據(jù)SD 325《電力系統(tǒng)電壓和無功導(dǎo)則》5.10.3 規(guī)定，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的水輪發(fā)電機(jī)一般不考慮調(diào)相。五強(qiáng)溪水電廠經(jīng)173 km架空線路（四分裂導(dǎo)線）接入民豐變，經(jīng)75 km架空線路（四分裂導(dǎo)線）接入崗市變，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，因此不適合進(jìn)相運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備都存在一定危害，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差。

2 電廠運(yùn)行方式分析

五強(qiáng)溪電廠現(xiàn)有5臺(tái)240 MW水力發(fā)電機(jī)組，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組和4號(hào)、5號(hào)機(jī)組采用聯(lián)合單元接線，3 號(hào)機(jī)組采用單元接線。500 kV側(cè)采用雙母線接線，中性點(diǎn)直接接地，配電裝置為GIS系統(tǒng)，額定電流2 000 A，額定短路電流40 kA。五強(qiáng)溪電廠500 kV側(cè)系統(tǒng)正序阻抗為0.008 5（大方式）和0.010 9（小方式），基準(zhǔn)短路容量100 MVA，通過計(jì)算得五強(qiáng)溪電廠三相短路容量為1 1764 MVA(大方式)、9 174 MVA（小方式）。主系統(tǒng)接線圖1所示。

圖1 事故流程修改前后對(duì)比圖

圖1 主系統(tǒng)接線圖

3 系統(tǒng)接入分析

五強(qiáng)溪電廠有兩回出線：五民線經(jīng)173 km架空線路（四分裂導(dǎo)線）接入民豐變；五崗線經(jīng)75 km架空線路（四分裂導(dǎo)線）接入崗市變。線路參數(shù)如下：五民線：TV變比5 000；TA 變比2 500；正序電抗二次值24.68 Ω；正序電阻二次值2.03 Ω；零序電抗二次值77.83 Ω；零序電阻二次值14.27 Ω；線路總長度175.26 km。五崗線：TV變比5 000；TA 變比2 500；正序電抗二次值10.76 Ω；正序電阻二次值1 Ω；零序電抗二次值30.3 Ω；零序電阻二次值8.34 Ω；線路總長度77.48 km。

湖南電網(wǎng)的地理接線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是西電東送，幾個(gè)主要的電源：五強(qiáng)溪、石門、柘溪、鳳灘及葛洲壩均位于負(fù)荷很小的西部，發(fā)電容量占比大，但離長株潭負(fù)荷中心均在200～400 km。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)負(fù)面結(jié)果就是大量線路充電無功加入電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸，水電大發(fā)季節(jié)影響有功送出而無功不足，枯水季節(jié)則無功大量過剩，電壓大幅升高，危及電網(wǎng)安全。電網(wǎng)的迅速發(fā)展一方面為電網(wǎng)增加了大量的無功電源（發(fā)電無功和線路無功）；另一方面，無功補(bǔ)償未同步發(fā)展，負(fù)荷增長率大大低于電網(wǎng)容量增長率，且峰谷負(fù)荷差更是逐年加大。兩者相差使得電網(wǎng)無功在低谷時(shí)大量過剩，電網(wǎng)電壓升高。

4 電壓升高的特征分析

五強(qiáng)溪電廠空載調(diào)壓一般在1:00～7:00，五民線與五崗線通過全廠母線形成環(huán)網(wǎng)，分別與民豐變和崗市變相連，兩變電站內(nèi)均有無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過AVC自動(dòng)調(diào)節(jié)站內(nèi)無功，控制母線電壓，五強(qiáng)溪電廠內(nèi)沒有無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只能通過機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。下面以電廠的實(shí)際運(yùn)行方式所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 1臺(tái)機(jī)進(jìn)相調(diào)壓，其他機(jī)組全停

下面以2018年12月2日3:00為例，此時(shí)2號(hào)機(jī)組空載調(diào)壓，其他機(jī)組全停，電氣參數(shù)如表1所示。

表1 1臺(tái)機(jī)進(jìn)相調(diào)壓

以上參數(shù)表明：在凌晨低谷時(shí)段五民線輸送來大量容性無功，五崗線消納無功有限，2號(hào)機(jī)組進(jìn)相調(diào)壓，從五民線流入的92.5 Mvar容性無功一方面被2號(hào)機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)吸收了80 Mvar，8.3 Mvar通過五崗線送給崗市變的無功補(bǔ)償裝置，還剩4.2 Mvar的無功被變壓器空載運(yùn)行所吸收。無功達(dá)到平衡，母線電壓維持在537 kV左右滿足要求。對(duì)于250 MW的機(jī)組來說有功基本可以忽略。

4.2 5臺(tái)機(jī)全停

以2018年12月2日15：00為例，此時(shí)全廠機(jī)組全停，電氣參數(shù)如表2所示。

表2 5臺(tái)機(jī)全停

主系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如圖2所示。

圖2 5臺(tái)機(jī)全停運(yùn)行參數(shù)

該工況下母線電壓542.6 kV已超出考核范圍。因此在五強(qiáng)溪電廠5臺(tái)機(jī)組全部退出運(yùn)行時(shí)，母線電壓已越限，從535～537 kV升高到542～543 kV，不滿足電網(wǎng)要求。

以上參數(shù)表明在白天時(shí)段，在機(jī)組全停情況下，五崗線送來59.5 Mvar容性無功除主變消耗少量外全部通過五崗線輸送給崗市變，崗市變消納無功能力增強(qiáng)。此時(shí)電壓為540 kV以上。電壓提高導(dǎo)致崗市變消納無功的能力增強(qiáng)，從五民線輸入的無功減弱。

4.3 5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行

以2017 年1 月4 日14:00對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工況，說明5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)的電壓與無功特性如表3所示。

表3 5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行電氣參數(shù)

該工況下母線電壓535～537kV。五強(qiáng)溪電廠5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿發(fā)時(shí)，發(fā)電機(jī)組以輸出有功為主，僅發(fā)出少量無功，機(jī)組功率因數(shù)近似為1.0，處于理想運(yùn)行狀態(tài)。五崗線和五民線向系統(tǒng)注入的無功功率以容性為主，數(shù)值為226.65 Mvar；容性無功功率由兩部分構(gòu)成，一部分為5臺(tái)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)消耗無功功率，數(shù)值為72.18 Mvar；另一部分由主變壓器消耗，數(shù)值為154.47 Mvar。主接線上電氣參數(shù)如圖3所示。

圖3 5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行電氣參數(shù)

5 原因分析

由以上分析可知，在機(jī)組全停、有功環(huán)流基本相同的情況下導(dǎo)致全廠母線電壓升高的主要原因在于民豐變和崗市變的無功調(diào)節(jié)能力上。只要民豐變送來的多余無功能被崗市變?nèi)课?，將不?huì)導(dǎo)致全廠母線電壓升高。通過比較兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)五民線的無功變化之大可知，凌晨時(shí)除五民線空載產(chǎn)生的無功外還將民豐變站內(nèi)的無功也送往全廠，而崗市變凌晨時(shí)吸收的無功也大幅減少，因此導(dǎo)致全廠母線電壓在凌晨時(shí)升高，感性無功功率在凌晨達(dá)到最大。

6 解決方法

根據(jù)五強(qiáng)溪電廠運(yùn)行現(xiàn)狀分析可知，水電機(jī)組啟停頻繁，功率波動(dòng)大，5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)最大功率達(dá)到1 250 MW，而機(jī)組全停的工況也經(jīng)常出現(xiàn)。機(jī)組全停時(shí)，系統(tǒng)電壓較高，一般情況下夜間母線電壓能達(dá)到542～543 kV。五強(qiáng)溪電廠500 kV母線正序阻抗為0.008 5（大方式）和0.010 9（小方式），基準(zhǔn)短路容量100 MVA。因此，五強(qiáng)溪電廠三相短路容量為11 764 MVA(大方式)、9 174 MVA（小方式）。按照大方式下將電壓從542 kV調(diào)整到535 kV，即降低7 kV的電壓調(diào)整范圍計(jì)算新增感性無功容量如下：

因此從系統(tǒng)參數(shù)角度計(jì)算，新增感性無功補(bǔ)償裝置的容量設(shè)計(jì)為150 Mvar滿足要求。

而根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，五強(qiáng)溪電廠最大進(jìn)相時(shí)需兩臺(tái)機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行，輸出150 Mvar左右感性無功功率就能調(diào)整母線電壓至正常范圍，與計(jì)算值相一致，故新增補(bǔ)償裝置的容量設(shè)計(jì)為150 Mvar即可滿足要求。因動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置阻抗可調(diào)，其補(bǔ)償容量能夠快速跟蹤負(fù)荷無功功率的變化而變化，在五強(qiáng)溪電廠加裝感性無功補(bǔ)償裝置，自動(dòng)跟隨母線進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，替代機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行，既可以提高電壓穩(wěn)定效果，又能避免水源浪費(fèi)和機(jī)組磨損，經(jīng)濟(jì)效益和安全效益顯著。

7 總結(jié)

通過對(duì)五強(qiáng)溪電廠機(jī)組、線路、母線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行以及部分機(jī)組運(yùn)行時(shí)母線電壓均在合適范圍內(nèi)，5臺(tái)機(jī)組全部退出運(yùn)行時(shí)母線電壓過高（542～543 kV）越限，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。而采用機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行時(shí)影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并造成機(jī)組磨損，降低水電機(jī)組壽命，因此加裝感性無功補(bǔ)償裝置是最為經(jīng)濟(jì)的方式，在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)段替代發(fā)電機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行，既可以提高電壓穩(wěn)定效果，又能避免水源浪費(fèi)和機(jī)組磨損。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析、典型工況分析和實(shí)際電壓計(jì)算，新增補(bǔ)償裝置的容量應(yīng)設(shè)計(jì)為150 Mvar，即能夠?qū)⒛妇€電壓穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值范圍內(nèi)，從而極大地改善水電機(jī)組的運(yùn)行工況，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益并延長設(shè)備使用壽命。