发电机进相能力分析与试验

钱厚军，吴舜华，张晓伟，张 旭，蒋 军

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

随着我国电力系统的建设和发展，已基本形成高电压、大容量、远距离输送的现代化电网规模。由于高压输电线路和电缆的数量和长度的增加，线间和线对地的电容也相应增大，从而引起系统电容电流以及容性无功功率的增长。从经济运行的角度考虑，在节假日和系统负荷处于低谷期间利用发电机进相运行，使发电机在不影响有功功率的同时，适当吸收系统过剩的无功功率，达到平衡系统无功功率和稳定系统电压的目的，社会效益和经济效益十分显著。

秦山一期30万千瓦级发电机作为最早投入商用的核电机组，1991年首次并网发电，1993年进行了第一次进相试验，2018年机组增容(至350 MW)后进行了第二次进相试验。两次试验内容基本相同，但试验背景发生较大变化。本文结合电网及电厂的发展，介绍两次进相试验的方法及条件，对本次进相深度进行计算，对试验的结果进行对比分析评价，得出增容后发电机进相能力增强的结论。

1 进相运行工作点计算

1.1 系统、设备参数计算(2018)

(1)发电机同步电抗计算

增容后发电机视在容量SN=389 MVA，有功PN=350 MW，功率因数cosφ=0.9(滞后)，机端电压UN=18 kV，发电机同步电抗Xd*=2.474。发电机同步电抗一次值Xd计算如下：

Xd=Xd*×UN2/SN=2.060 6

(2)主变电抗计算

主变压器容量SN=400 MVA,高压侧电压UHN=236 kV，低压侧电压ULN=18 kV，短路阻抗UK*=0.14。主变电抗一次值XT为：

XT=Uk*×ULN2/SN=0.1134

(3)系统阻抗计算

将系统(不含电厂220 kV 1号发变机组)对秦山一期的系统阻抗为归算至秦山一期1号变220 kV母线上的阻抗，为一点值，系统为无限容量；220 kV母线至主变的线路阻抗、主变至发电机的阻抗忽略不计；等值阻抗标幺值计算取基准容量Sj=1000 MVA，系统最大正常运行方式下系统电抗标幺值XS*=0.135。系统阻抗XS为：

XS=XS*×UN2/SN=0.043 73

根据上述计算参数，可绘制出系统阻抗图，如图1所示。

图1 系统主接线及等值网络图

1.2 进相深度

根据文献[1]，隐极发电机静态稳定圆数学方程为：P2+[Q+c]2=r2，如图2所示。

图2 发电机静稳圆

式中，P——有功功率；Q——进相无功功率；c——圆心(纵轴截距)；r——半径.

结合秦山一期发电机特性及系统参数，机端电压为0.9UN时，可得：c=772，r=899。

1.3 满足动稳、静稳条件的最大进相运行工作点计算

根据上述各计算公式，计算出最大进相运行工作点，并根据文献[3]，列出两次进相试验的目标工作点，见表1。

表1 进相运行工作点计算值

2 进相试验目的、限制条件、试验方法及安全措施

2.1 进相试验目的

对发电机开展进相试验的目的：通过理论计算和实际试验，探明发电机的实际进相能力，为励磁系统低励限制与发变组保护整定计算提供参考，同时也将试验结果提供给电网调度机构。

2.2 进相试验限制条件

开展进相试验应首先确保机组安全稳定运行，主要限制条件如下：

1)发电机电压不低于0.9UN，即16.2 kV；发电机功角不大于70°；发电机各部位温度不大于120°；

2)220 kV母线电压控制在不低于215 kV(1993年)，225～235 kV之间(2018年)；

3)6 kV厂用电电压不低于5.9 kV，380 V厂用电电压不低于350 V。

2.3 进相试验方法

1)试验前确认并记录各项参数，包括发电机有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、220 kV 母线电压、发电机功角。

2)满功率情况下进相试验：保持机组满功率不变，缓慢调节励磁，逐渐减小励磁电流使发电机无功功率逐步下降，当触发限制条件时停止，而不必追求达到目标值。保持稳定运行1～2 h，在这期间测量记录电气量、功角、定子线圈、铁心温度、风温。试验开始后15 min测量记录一次，发电机各部位温度趋向稳定之后每5 min测量一次，发电机各部位温度不再上升或不再变化即可认为该工况温度已稳定。该工况结束后，增加励磁电流使发电机恢复滞相运行。

3)75%、50%功率情况下进相试验：保持机组75%、50%功率不变，试验方法同上。

2.4 进相试验安全措施

核电厂的任务是在确保核安全基础上稳定发电，对核电机组开展进相试验应更加保守谨慎，要特别关注以下安全措施。

1)进相试验期间尽量维持电网电压，确保进相深度最大时电厂各母线电压在规定范围内，确保核安全相关设备的可靠运行；

2)条件允许时，尽可能安排试验按功率平台下降开展，这种情况下发电机各部位热量能得到较好的冷却；

3)核电机组的自动励磁调节器必须投入运行，试验之前确保AVR已进行维护且功能、性能正常，以提高机组的稳定性。减小励磁电流，使发电机进入进相运行工况时，应缓慢调节，尤其在接近试验工况的进相无功功率数值时更应细调，以免调节过头。调节过程中随时注意功角的变化，若发现功角自行增大，则应立即增加励磁电流以免发电机失步；

4)在进相试验过程中，发电机各电气量和冷风温度要求保持稳定，以免试验时间不必要的延长；

5)任何试验工况下，定子铁心磁屏蔽温度不能超过限额，否则应增加励磁电流、减小进相无功；

6)试验时万一滑极失步，应中断试验，立即采取增加励磁电流、投入PSS、减小有功输出等措施恢复机组稳定，如采取拉入同步措施无效，由试验现场负责人向值长发出处理指令(停机)。

3 试验结果分析

表2列出了两次进相试验实际结果，分析评价如下。

表2 进相试验实际结果

3.1 进相能力分析

1993年试验结果表明，在70%功率情况下能够进相54 MVar，在50%功率情况下能够进相58 MVar。

2018年试验结果表明，在满功率情况下能够进相54 MVar，在75%功率情况下能够进相76 MVar，在50%功率情况下能够进相98 MVar。

3.2 首先触发的限制条件

1993年进相试验首先触发的限制条件是：发电机电压。

2018年进相试验首先触发的限制条件是：发电机功角。

3.3 分析与评价

两次进相试验，发电机各部位温升均有较大裕量，风温、水温基本无变化。

2018年开展的进相试验结果，与进相能力分析计算结果相比，较为接近，见图2中曲线2所示。而1993年进相试验结果与计算结果相比还有较大差距，主要是由当时的电网结构所决定的，1993年进相试验过程中，发电机电压(及厂用电电压)是影响发电机进相深度的主要条件。这与秦山核电厂当时所处华东电网中的位置有关。1993年秦山核电厂处于华东电网的负荷中心，周围无大型发电厂，当秦山核电机组进相运行时，秦山厂所需的大量无功无法就近补偿，需远距离输送，必然造成220 kV 母线电压、发电机电压及厂用电电压大幅度下降。

与1993年相比，2018年发电机采用新技术实施了增容改造，同时经过25年的发展，浙江省电网装机容量由980万kW增加到9565万kW，已形成超高电压、大容量、远距离输送的现代化电网的规模。2018年开展进相试验时，无功基本实现就近平衡，220 kV 母线电压、发电机电压及厂用电电压虽有所下降但已不是首先触发的限制条件，发电机功角成了首先触发的限制条件。发电机增容改造以及电网容量扩张，使得发电机进相能力增强，可为电网做出更大贡献。

4 结束语

在对时隔25年开展的两次发电机进相试验开展分析后，指出了电网发展和设备性能提升后进相试验限制因素的变化。试验证明，秦山一期发电机增容改造后进相能力增强。随着电网进一步的规划及发展，长距离输电和无功补偿装置增加带来的无功过剩问题也将日益显著。利用发电机进相运行解决该问题将会成为主流方案，但对于核电机组进相运行还需谨慎保守为先，本文提出的发电机进相能力分析计算和进相试验安全措施可供核电同行参考。