异步发电机转向试验的安全措施分析

李海存

（云南天安化工有限公司，云南安宁650309）

云南天安化工有限公司（以下简称天安化工）3套硫磺制酸装置共有4台同步发电机和3套汽轮机驱动风机，发电机为6 MW中压发电机2台、12 MW凝汽式低压发电机1台、12 MW抽背式中压发电机1台。汽轮机驱动风机为一期800 kt/a硫酸装置风机（国产）、二期300 kt/a硫酸装置风机和二期800 kt/a硫酸装置风机（进口）。目前除装置正常生产使用的蒸汽外，富余蒸汽用来发电。3.2 MPa中压装机容量24 MW，正常发电负荷约12 MW；0.6 MPa低压余热装机容量12 MW，正常发电负荷约9 MW。按照电价0.3元/kWh、每年运行300 d计算，可节约电费约4 536万元/a。

中压发电机和驱动风机汽轮机进口蒸汽压力3.2 MPa，出口蒸汽压力 0.6 MPa。0.6 MPa 低压蒸汽有2个用途：主要供给磷酸装置的浓缩工序生产使用，剩余蒸汽进入1台12 MW凝汽式低压发电机发电。在湿法磷酸装置浓缩工序，石墨换热器使用的蒸汽压力为0.2 MPa，目前是通过喷射脱盐水的减温减压装置将0.6 MPa蒸汽减压到0.2 MPa，减温减压过程中有大量的热能被浪费。经过某设计院测算，可设置3台3.15 MW异步发电机代替传统的减温减压装置，将0.6 MPa蒸汽减温减压到0.2 MPa，同时用于发电回收余热。

按照目前的蒸汽量计算，每台异步发电机按2 400 kW发电负荷运行，按照电价0.3元/kWh、每年运行300 d计算，可节约电费约1 555万元/a。项目投资约3 800万元，项目资金回收期不超过2年，投资预期效果良好。

1 异步发电转向试验必要性

同步发电机转差率S=0，有配套的励磁系统，可以通过冲转、励磁升压后在并网柜处核对发电机和电力系统的相序正确性。异步发电机不可能装设配套的励磁系统，只能依靠转差率建立定子与转子之间能量转换的磁场。采取异步发电机并电网的发电方式，其正常运行就必须从电网吸收无功功率才能建立定子和转子之间的磁场。从异步电动机的机械特性曲线（见图1）可以看出：在第一象限中电动机处于电动状态，其额定转速ne不会超过同步转速n0；当电动机转子在其自然转向基础上继续升速超过同步转速n0时，电动机运行状态进入第二象限，运行状态转为异步发电状态，即当汽轮机推动异步发电机转子超过同步转速才能发电[1]。转向试验的目的就是要保证发电状态时汽轮机推动转子的转向要和电动机状态时的自然转向一致[2]。若2个转向不一致，会导致待并侧和系统侧的两相短路和机组轴系的严重机械事故。

图1 异步电动机的机械特性曲线

2 异步发电机转向时存在问题

异步发电机确认自然转向时，需要当作电动机状态启动一次（不必完成启动全过程）。相对一般的电动机容量，异步发电机机组容量比较大，其脱开汽轮机直接空载启动需要从电网吸收大量的无功。因此，异步发电机当作异步电动机状态直接空载启动过程中，可能会出现电力系统的电压暂降、母线电流过大等问题。如果异步发电机容量特别大，在其启动过程中极有可能导致系统母线电压降深度过大，可能会由于电压暂降使在网运行其他电动机发生低电压动作保护跳闸。此外，还有可能因启动电流过大、时间过长导致母线进线开关速断保护，或者带时限过电流保护动作跳开进线柜，进而扩大影响范围。

3 异步发电机转向试验前的措施

异步发电机转向试验主要会引起母线电压暂降和过电流，其主要原因是由于启动过程中吸收大量的无功。在转向试验前可以采取提高系统母线电压或者增加系统的无功功率储量的措施，对此，转向试验前可采取的措施有：

1）如果并网接入点母线上有同步发电机或者同步电动机运行，可强制加励磁降低发电机功率因数（超前），抬高母线运行电压，但一般不超过电网标称电压的1.05倍，即抬高至系统的平均电压1.05 Un（Un为电网标称电压）。

2）一般异步发电机都装设有电容补偿装置，可在试验前手动投入电容器，以提升母线电压至系统电压的平均电压水平。

3）电源侧降压站有载调压主变压器，改变变压器的档位，提升母线电压水平。

4）如果同一母线上有比异步发电机容量还大的直接启动的电动机，可以不进行电压降核算，但最好减负荷或者空母线试验转向。

5）计算母线电压降是否满足要求，同时核算进线断路器的速断和过电流保护定值，如果不满足要求就要采取减负荷的方式使用空母线，并设置零时继电保护整定值，确保不影响上级供电系统的正常运行。

6）如果以上措施均不能保障异步发电机转向试验要求，可采取串入临时电抗器的方式降压启动。

以上几点措施主要是增加系统的无功功率或者增加PCC点的短路容量，提升母线电压。进一步梳理各项措施之间的逻辑关系见图2，可以单独采取一种措施也可以多项措施并举。

图2 转向试验措施步骤确认逻辑

4 转向试验前的电压降核算和保护定值核对

4.1 电力系统概述

3台3.15 MW异步发电机发出的电能通过电缆线路接入302配电室6 kV I段高压母线，达到就地消耗电能的目的。多余的电能再反馈回总降压站6 kV系统消耗，PCC点即为302配电室的6 kV I段母线。异步发电机系统见图3。

图3 异步发电机系统示意

4.2 PCC点的母线电压降和启动电流计算

按照最严苛条件进行核算，即PCC点（302配电室6 kV I段母线）带本段负荷正常运行，母线上无电容器投入，PCC点最小运行方式下如果校验通过，则其他情况下保证能正常运行。母线电压降计算如下[3]。

4.3 核算启动时电压降是否满足要求

启动时母线电压值（线电压）计算如下：

母线上电动机低电压整定值（线电压）计算如下：

得出结论：UstB＞Uop满足要求，可以直接启动。

4.4 302配电室6 kV进线601开关保护定值验证

母线上设备正常运行时进线开关经过的运行电流值为：

异步发电机启动时，进过601开关的负荷电流峰值为：

根据电动机启动特性曲线，其启动峰值电流在2～4 s。

各级开关柜保护定值与计算值比较见表1。

表1 各级开关柜保护定值与计算值比较判断

转向试验主要保证上级开关601不动作，“过电流”保护在按照6.5倍启动倍数计算时可能不通过，在确保不跳闸又保证上下几个梯级配合的情况下，修改601开关的过电流保护动作值为2（3200）A，延时时间为1.5 s。其他下级开关动作不影响PCC点的正常运行。

由于转向试验没必要要求电动机进入稳定状态，异步电动机柜的“过负荷”保护虽然可能在峰值过后超过6 s但还没有下降到400 A的设定值而跳闸，但电动机的旋转方向已经足以确认，所以其“过负荷”保护整定值可不做试验阶段的临时修改。

4.5 加强措施计算方式

按照4.2节计算，在加强保障措施时计算方法如下：①考虑投入同步发电机或同步电动机时等于提高了系统的短路容量，应核算到计算式中；②考虑投入无功补偿设备（电容器组）时，相当于减小了预计负荷，应核算到计算式中，需要注意的是投入无功补偿应在基础上减去相应的投入无功负荷；③考虑PCC点停运正常负荷时，相当于减小了预计负荷应核算到计算式中；④在改变变压器分接头提升母线电压时，如果电网无功缺额较大，母线电压提升不明显；如果电网无功充足，其效果明显，改变分接头实际上减小了PCC点的短路阻抗，相当于提升了PCC点的短路容量，计算时应核算到计算中，其计算复杂，不在此赘述。

以上措施可以同时采用，有些异步发电系统在设计时机组容量会超过10 MW，其启动电流非常大，但如果采取措施后计算结果仍不满足直接启动要求，则需要考虑采取串入临时电抗器的方式降压启动。一般确认异步发电机转向时不必完成整个启动过程，也就是说可以采取点动的方式确认转向。如果系统容量确实不满足直接启动转向试验时，可在保证PCC点不跳闸的情况下将异步发电机回路中的其他开关柜（如645、6001、6003）保护动作值设置得更加保守，宁可牺牲异步发电回路的跳闸也要保证PCC点的正常。

5 实际转向试验的记录数据和分析

5.1 试验数据记录

建议试验采用电磁式电压表和电流表。转向试验过程中发现尖峰电流时刻满足直起要求，对系统影响较小，天安化工的转向试验完成了整个启动过程。空载试验数据为：

1）启动时间 5.5～6.5 s，启动尖峰电流 1 850 A。

2）空载运行电流60 A，空载有功消耗60 kW，空载无功消耗 650 kVar。

3）空载启动时母线电压降约为0.7 kV，即母线电压 5.3 kV。

试验转向和汽轮机推动转向一致，满足项目投产运行需求。如果发电机的自然转向与汽轮机推动转向不一致，可在机端或者并网柜6003的出线侧调相序即可。

5.2 空载试验数据分析

试验阶段601、645、6001和6003开关柜保护器无保护动作记录，即试验阶段临时保护整定值满足试验要求。

启动电流倍数为1 850÷344.1=5.4倍（相当于5.5倍），其数值小于计算时的6.5倍。计算母线电压为5.26 kV（实际值为5.3 kV）。考虑到计算时部分阻抗的计算误差和倍数取高，因此在启动时母线电压稍高于计算值。

从空载电流、有功和无功的消耗角度看，电动机空载运行的功率因素极低，主要消耗大量的无功。考虑同步电动机提供的系统容量、手动投入无功补偿、调整变压器分接头和减正常负荷都是直接有效可行的措施手段。

6 结语

异步发电机能量转化效率明显高于同步发电机，特别是在低压蒸汽系统中其优势更加明显，近几年发展趋势非常好。同步发电机正常发机时既发有功同时也发无功，对电力系统造成的影响不是很大。但是异步发电机没有专门的励磁系统，在发电状态要想完成电磁交换就需要从电网中吸收大量的无功，这对电网的电压造成了很大的影响，虽然采取了增加无功补偿的方式有效弥补了一部分电网无功的缺额，但其补偿的快速性和稳定性仍是一个待研究课题。天安化工完成了异步发电转向现场试验，验证了异步发电机代替传统的减温减压装置的技术可行性，为下一步项目建设打下坚实的基础。