某巨型水电站机组进相能力分析与试验

黄柯维，张 凯，杨岩岩

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

现如今电力系统电功率过剩已经成为较为普遍的问题。为了降低系统电压，发电机需要进行进相运行从而吸收电网过剩的无功功率。虽进相运行原理较为简单，但发电机组作为一个庞大而复杂的整体，其进相运行能力受多种因素的影响，如机端电压、厂用电压、定子铁心温度、定子电流等。因此为确保发电机组在进相运行时安全可靠，需对机组进相运行能力进行相应分析和试验。

1 同步发电机进相运行基本原理

水轮发电机采用同步发电机，其进相运行的基本原理如下。

1.1 同步发电机进相运行基本原理

一般情况下，水轮发电机处于发电状态，即迟相运行，此时发电机发出有功功率和感性的无功功率。但当发电机组处于进相运行时，将向系统发出容性无功功率，即从系统内吸收感性无功功率。

一般分析时将系统假设为无穷大，基本参数如下：

Ug—发电机的机端电压；E0—感应电动势；I—定子电流；cosφ—功率因素。

功率因素角的大小及励磁电压都会随着励磁电流大小的变化随之变化。

如图1 所示，当发电机处于迟相运行状态时，若将励磁电流增大，则感应电动势E0也随之增大，且电枢电流产生去磁电枢反应，电流滞后电压，cosφ大于0，那么此时发电机向无穷大系统输送感性无功功率。

图1 同步发电机迟相运行

如图2 所示，当发电机处于进相运行状态时，若将励磁电流减小，则感应电动势E0也随之减小，且电枢电流产生助磁电枢反应，电流相位超前电压相位，cosφ小于0，那么此时发电机向无穷大系统输送容性无功功率。

图2 同步发电机进相运行

1.2 同步发电机进相运行的限制因素

不同的发电机在正常运行中，其进相运行时能提供的无功功率调节的容量是不同的，与发电机本体结构部件的发热水平和所处电网的静态稳定性有较大的关系，因此一般会通过相关试验对发电机的实际进相能力进行测试和验证，以此确定相关限制因素的允许值。

以下为同步发电机进相运行时的一般限制因素。

（1）厂用电电压：当发电机进相运行时，随着进相的深度加深，发电机机端电压也会随之降低。而厂用电通常取自发电机出口母线电压，因此在进相程度较大时，厂用电可能降低过多导致其供电的设备无法正常工作。

（2）定子铁心及绕组温度：当发电机正常运行时，转子和定子的漏磁场在定子端部叠加，导致定子端部铁心及金属结构中产生磁滞涡流损耗。而当发电机处于进相运行状态，定子的电枢反应产生增磁效果，此时定子底部漏磁迅速增大，导致定子铁心和绕组的温度持续上升，可能导致定子绕组绝缘降低等较为严重的后果。

（3）发电机冷热风温度：当发电机进相运行且运行时间较长时，发电机的热风温度也会随之增加，若其温度超过允许值，也会导致相应保护动作从而影响机组的进相运行。

2 某巨型水电站机组进相能力试验

2.1 发电机及主变设备参数

该发电机主要参数如表1 所示。

表1 试验对象发电机参数

发电机主要温度限值如表2 所示。

表2 发电机各部分温度限值

主变主要参数如表3 所示。

表3 主变主要参数

2.2 进相试验技术指标

在发电机进相能力测试过程中，当机组运行参数达到以下指标时，应立即停止减磁，并根据此时的发电机无功功率值整定低励限制环节定值。

（1）发电机定子电压不得低于额定电压20 kV 的90%（18 kV）。

（2）发电机定子电流不大于额定电流(22 453 A)。

（3）由于不同有功功率时，水轮机的极限功角也不同，因此，试验前应根据水轮发电机及主变参数计算出试验条件下的极限功角，在试验过程中应确保功角相对于极限功角有一定（15°～20°）的安全裕度。

（4）发电机的最大进相无功功率不超过调度要求值-350 Mvar。

（5）发电机定子绕组温度不超过75 ℃，铁心和端部构件温度不超过110 ℃。

（6）500 kV 母线电压不低于调度允许的最低值519 kV。

（7）发电机10.5 kV 厂用电压不低于9.97 kV。（8）发电机400 V 厂用电压不低于361 V。

（9）根据《电力系统安全稳定导则》规定，通过静态稳定计算，得到进相试验工况下水轮发电机静态稳定极限功角δm如表4 所示。

表4 静态稳定极限工角

3 试验结果与分析

该试验发电机正常运行，且设备状况良好。试验机组AGC 和AVC 退出运行，低励限制、失磁保护、失步保护等功能正常投入运行；根据国调要求，进相试验过程中试验机组厂用电采用其他厂用电源供电方式。

该发电机50%额定有功功率350 MW 工况处于振动负荷区，进相试验时避开振动负荷区，因此该发电机进相试验在发电机有功功率为0 MW、525 MW、700 MW 3 种工况下进行。

发电机有功功率为5 MW，发电机进相深度为-305 Mvar 时，发电机功角为0.48°，发电机定子电压降低到18.07 kV。发电机有功功率为525 MW，发电机进相深度为-274 Mvar 时，发电机功角为39.89°，发电机定子电压降低到18.02 kV。

发电机有功功率为700 MW，发电机进相深度为-147 Mvar 时，发电机功角为40.7°，发电机定子电流为22.52 kA。（发电机定子电流超过额定电流22.45 kA）

以下为发电机有功功率0 MW、525 MW、700 MW 3 种工况下发电机进相运行时，发电机电气量及各部分温度的变化情况。

3.1 发电机试验运行参数

通过观察分析表5 数据可以看出，该发电机在进相运行时其定子电压、电流变化规律正常；发电机励磁电压、励磁电流的变化规律与发电机无功功率相符。且发电机功角随发电机有功功率增加及发电机进相无功功率的增加而增大。进相试验中功角最大值为40.7°，未达到静稳极限功角。

表5 试验对象发电机运行参数

试验机组在0 MW、525 MW 两种工况进相能力测试过程中均是发电机定子电压接近额定电压20 kV的90%（18 kV）时达到进相试验限制值，而700 MW工况下发电机定子电流超过额定电流22.45 kA，故该发电机定子电压和定子电流是此次进相试验影响机组进相深度的主要因素。

3.2 厂用电压的变化

试验机组的厂用电由其他厂用电源供电，所以进相试验过程中10.5 kV 及400 V 厂用电母线电压没有变化。

表6 厂用电压的变化

3.3 母线电压的变化

该机组所在母线有其他机组并列运行，故当其进行进相运行时500 kV 母线电压降低效果较小。

表7 母线电压的变化

3.4 发电机冷热风温度变化

该实验机组工况保持不变，经长时间运行后记录各测点温度于表8。从表8 中可以看出变，发电机热风温度随发电机有功功率的增加，呈缓慢上升趋势，且最终温度也小于规程中允许的发电机出风温度75 ℃，不影响机组的正常进相运行

表8 发电机冷热风温度变化

3.5 发电机定子铁心、绕组温度变化

从表9 中可以发现，发电机定子铁心温度仅随发电机有功功率的增加，呈缓慢上升趋势。发电机进相无功功率的增加，呈缓慢上升趋势。定子绕组出水端最高温度52.8 ℃小于规程中允许的定子绕组温度限制值75 ℃。定子铁心最高温度 44.6 ℃小于规程中允许的定子绕组温度限制值110 ℃。

表9 发电机定子铁心、绕组温度变化

3.6 调节器低励限制功能校核

励磁调节器低励限制功能完好，整定值可在线修改。机组在缓慢进相过程中低励限制环节正常动作，并发出报警信号，低励限制环节的静态限制特性正常。

发电机在低励限制线上进相运行，机端电压进行2%下阶跃，记录发电机有功功率、无功功率以及励磁电压等电气量。

低励限制功能校核录波曲线如图3 所示。

图3 低励限制曲线校核录波曲线

试验表明无功功率进相到低励限制线时，低励限制动作，使得机组保持在低励限制值以上运行，即该机组励磁调节器低励限制功能正常。其调节器实际低励限制值如表10 所示。

表10 发电机调节器实际低励限制值

4 结语

通过进相试验可以看出，该机组具备进相运行的能力，且其励磁调节器低励环节工作正常。

通过对本次进相试验数据进行分析，对于该机组，当有功P=0 MW 的时，最大进相无功Q=-305 Mvar;当有功P=700 MW 时，最大进相无功Q=-274 Mvar;当有功P=700 MW 时，最大进相无功Q=-147 Mvar。其中，当该机组处于有功为0 MW 和525 MW 两个工况时，其进相深度主要受到定子电压限制，当处于有功为700 MW 的工况时，主要受到定子电流的限制，而发电机功角、发电机端部结构件、端部铁心温度有足够的裕度。