某巨型水電站機組進相能力分析與試驗

黃柯維，張 凱，楊巖巖

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

現(xiàn)如今電力系統(tǒng)電功率過剩已經(jīng)成為較為普遍的問題。為了降低系統(tǒng)電壓，發(fā)電機需要進行進相運行從而吸收電網(wǎng)過剩的無功功率。雖進相運行原理較為簡單，但發(fā)電機組作為一個龐大而復雜的整體，其進相運行能力受多種因素的影響，如機端電壓、廠用電壓、定子鐵心溫度、定子電流等。因此為確保發(fā)電機組在進相運行時安全可靠，需對機組進相運行能力進行相應分析和試驗。

1 同步發(fā)電機進相運行基本原理

水輪發(fā)電機采用同步發(fā)電機，其進相運行的基本原理如下。

1.1 同步發(fā)電機進相運行基本原理

一般情況下，水輪發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，即遲相運行，此時發(fā)電機發(fā)出有功功率和感性的無功功率。但當發(fā)電機組處于進相運行時，將向系統(tǒng)發(fā)出容性無功功率，即從系統(tǒng)內(nèi)吸收感性無功功率。

一般分析時將系統(tǒng)假設為無窮大，基本參數(shù)如下：

Ug—發(fā)電機的機端電壓；E0—感應電動勢；I—定子電流；cosφ—功率因素。

功率因素角的大小及勵磁電壓都會隨著勵磁電流大小的變化隨之變化。

如圖1 所示，當發(fā)電機處于遲相運行狀態(tài)時，若將勵磁電流增大，則感應電動勢E0也隨之增大，且電樞電流產(chǎn)生去磁電樞反應，電流滯后電壓，cosφ大于0，那么此時發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)輸送感性無功功率。

圖1 同步發(fā)電機遲相運行

如圖2 所示，當發(fā)電機處于進相運行狀態(tài)時，若將勵磁電流減小，則感應電動勢E0也隨之減小，且電樞電流產(chǎn)生助磁電樞反應，電流相位超前電壓相位，cosφ小于0，那么此時發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)輸送容性無功功率。

圖2 同步發(fā)電機進相運行

1.2 同步發(fā)電機進相運行的限制因素

不同的發(fā)電機在正常運行中，其進相運行時能提供的無功功率調(diào)節(jié)的容量是不同的，與發(fā)電機本體結(jié)構(gòu)部件的發(fā)熱水平和所處電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性有較大的關(guān)系，因此一般會通過相關(guān)試驗對發(fā)電機的實際進相能力進行測試和驗證，以此確定相關(guān)限制因素的允許值。

以下為同步發(fā)電機進相運行時的一般限制因素。

（1）廠用電電壓：當發(fā)電機進相運行時，隨著進相的深度加深，發(fā)電機機端電壓也會隨之降低。而廠用電通常取自發(fā)電機出口母線電壓，因此在進相程度較大時，廠用電可能降低過多導致其供電的設備無法正常工作。

（2）定子鐵心及繞組溫度：當發(fā)電機正常運行時，轉(zhuǎn)子和定子的漏磁場在定子端部疊加，導致定子端部鐵心及金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生磁滯渦流損耗。而當發(fā)電機處于進相運行狀態(tài)，定子的電樞反應產(chǎn)生增磁效果，此時定子底部漏磁迅速增大，導致定子鐵心和繞組的溫度持續(xù)上升，可能導致定子繞組絕緣降低等較為嚴重的后果。

（3）發(fā)電機冷熱風溫度：當發(fā)電機進相運行且運行時間較長時，發(fā)電機的熱風溫度也會隨之增加，若其溫度超過允許值，也會導致相應保護動作從而影響機組的進相運行。

2 某巨型水電站機組進相能力試驗

2.1 發(fā)電機及主變設備參數(shù)

該發(fā)電機主要參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗對象發(fā)電機參數(shù)

發(fā)電機主要溫度限值如表2 所示。

表2 發(fā)電機各部分溫度限值

主變主要參數(shù)如表3 所示。

表3 主變主要參數(shù)

2.2 進相試驗技術(shù)指標

在發(fā)電機進相能力測試過程中，當機組運行參數(shù)達到以下指標時，應立即停止減磁，并根據(jù)此時的發(fā)電機無功功率值整定低勵限制環(huán)節(jié)定值。

（1）發(fā)電機定子電壓不得低于額定電壓20 kV 的90%（18 kV）。

（2）發(fā)電機定子電流不大于額定電流(22 453 A)。

（3）由于不同有功功率時，水輪機的極限功角也不同，因此，試驗前應根據(jù)水輪發(fā)電機及主變參數(shù)計算出試驗條件下的極限功角，在試驗過程中應確保功角相對于極限功角有一定（15°～20°）的安全裕度。

（4）發(fā)電機的最大進相無功功率不超過調(diào)度要求值-350 Mvar。

（5）發(fā)電機定子繞組溫度不超過75 ℃，鐵心和端部構(gòu)件溫度不超過110 ℃。

（6）500 kV 母線電壓不低于調(diào)度允許的最低值519 kV。

（7）發(fā)電機10.5 kV 廠用電壓不低于9.97 kV。（8）發(fā)電機400 V 廠用電壓不低于361 V。

（9）根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》規(guī)定，通過靜態(tài)穩(wěn)定計算，得到進相試驗工況下水輪發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限功角δm如表4 所示。

表4 靜態(tài)穩(wěn)定極限工角

3 試驗結(jié)果與分析

該試驗發(fā)電機正常運行，且設備狀況良好。試驗機組AGC 和AVC 退出運行，低勵限制、失磁保護、失步保護等功能正常投入運行；根據(jù)國調(diào)要求，進相試驗過程中試驗機組廠用電采用其他廠用電源供電方式。

該發(fā)電機50%額定有功功率350 MW 工況處于振動負荷區(qū)，進相試驗時避開振動負荷區(qū)，因此該發(fā)電機進相試驗在發(fā)電機有功功率為0 MW、525 MW、700 MW 3 種工況下進行。

發(fā)電機有功功率為5 MW，發(fā)電機進相深度為-305 Mvar 時，發(fā)電機功角為0.48°，發(fā)電機定子電壓降低到18.07 kV。發(fā)電機有功功率為525 MW，發(fā)電機進相深度為-274 Mvar 時，發(fā)電機功角為39.89°，發(fā)電機定子電壓降低到18.02 kV。

發(fā)電機有功功率為700 MW，發(fā)電機進相深度為-147 Mvar 時，發(fā)電機功角為40.7°，發(fā)電機定子電流為22.52 kA。（發(fā)電機定子電流超過額定電流22.45 kA）

以下為發(fā)電機有功功率0 MW、525 MW、700 MW 3 種工況下發(fā)電機進相運行時，發(fā)電機電氣量及各部分溫度的變化情況。

3.1 發(fā)電機試驗運行參數(shù)

通過觀察分析表5 數(shù)據(jù)可以看出，該發(fā)電機在進相運行時其定子電壓、電流變化規(guī)律正常；發(fā)電機勵磁電壓、勵磁電流的變化規(guī)律與發(fā)電機無功功率相符。且發(fā)電機功角隨發(fā)電機有功功率增加及發(fā)電機進相無功功率的增加而增大。進相試驗中功角最大值為40.7°，未達到靜穩(wěn)極限功角。

表5 試驗對象發(fā)電機運行參數(shù)

試驗機組在0 MW、525 MW 兩種工況進相能力測試過程中均是發(fā)電機定子電壓接近額定電壓20 kV的90%（18 kV）時達到進相試驗限制值，而700 MW工況下發(fā)電機定子電流超過額定電流22.45 kA，故該發(fā)電機定子電壓和定子電流是此次進相試驗影響機組進相深度的主要因素。

3.2 廠用電壓的變化

試驗機組的廠用電由其他廠用電源供電，所以進相試驗過程中10.5 kV 及400 V 廠用電母線電壓沒有變化。

表6 廠用電壓的變化

3.3 母線電壓的變化

該機組所在母線有其他機組并列運行，故當其進行進相運行時500 kV 母線電壓降低效果較小。

表7 母線電壓的變化

3.4 發(fā)電機冷熱風溫度變化

該實驗機組工況保持不變，經(jīng)長時間運行后記錄各測點溫度于表8。從表8 中可以看出變，發(fā)電機熱風溫度隨發(fā)電機有功功率的增加，呈緩慢上升趨勢，且最終溫度也小于規(guī)程中允許的發(fā)電機出風溫度75 ℃，不影響機組的正常進相運行

表8 發(fā)電機冷熱風溫度變化

3.5 發(fā)電機定子鐵心、繞組溫度變化

從表9 中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機定子鐵心溫度僅隨發(fā)電機有功功率的增加，呈緩慢上升趨勢。發(fā)電機進相無功功率的增加，呈緩慢上升趨勢。定子繞組出水端最高溫度52.8 ℃小于規(guī)程中允許的定子繞組溫度限制值75 ℃。定子鐵心最高溫度 44.6 ℃小于規(guī)程中允許的定子繞組溫度限制值110 ℃。

表9 發(fā)電機定子鐵心、繞組溫度變化

3.6 調(diào)節(jié)器低勵限制功能校核

勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制功能完好，整定值可在線修改。機組在緩慢進相過程中低勵限制環(huán)節(jié)正常動作，并發(fā)出報警信號，低勵限制環(huán)節(jié)的靜態(tài)限制特性正常。

發(fā)電機在低勵限制線上進相運行，機端電壓進行2%下階躍，記錄發(fā)電機有功功率、無功功率以及勵磁電壓等電氣量。

低勵限制功能校核錄波曲線如圖3 所示。

圖3 低勵限制曲線校核錄波曲線

試驗表明無功功率進相到低勵限制線時，低勵限制動作，使得機組保持在低勵限制值以上運行，即該機組勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制功能正常。其調(diào)節(jié)器實際低勵限制值如表10 所示。

表10 發(fā)電機調(diào)節(jié)器實際低勵限制值

4 結(jié)語

通過進相試驗可以看出，該機組具備進相運行的能力，且其勵磁調(diào)節(jié)器低勵環(huán)節(jié)工作正常。

通過對本次進相試驗數(shù)據(jù)進行分析，對于該機組，當有功P=0 MW 的時，最大進相無功Q=-305 Mvar;當有功P=700 MW 時，最大進相無功Q=-274 Mvar;當有功P=700 MW 時，最大進相無功Q=-147 Mvar。其中，當該機組處于有功為0 MW 和525 MW 兩個工況時，其進相深度主要受到定子電壓限制，當處于有功為700 MW 的工況時，主要受到定子電流的限制，而發(fā)電機功角、發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件、端部鐵心溫度有足夠的裕度。