摘要：通过在上标水电厂进相试验 ,证明了水轮发电机组进相运行是一种正常且安全的运行工况 ，并提出了进相试验和运行需要注意事项，总结体会对同类水轮发电机组的进相运行有很好的借鉴。
关键词：水轮发电机组；进相运行试验；无功功率调节
引言
电压是电能质量的重要指标之一,电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。可以说,电压问题本质上就是无功问题,解决好无功调节问题,具有十分重要的意义。发电机进相运行是通过发电机改变运行工况而达到 降压的目的，是改善电 网电压质量有效而又经济的必要措施之一。丽水电网小水电居多，特别峰水期时，大部份水电机组迟相运行，输送无功功率，致使电网电压较高，上标电站作为丽水电网的调峰电站，为考核上标电站两台发电机组进相运行的能力，为今后机组进相运行提供技术保证，确保在允许进相深度运行时，发电机功角、各电气量、各部位温度都在限额内，确保机组安全运行。本文介绍了上标电厂水轮发电机组进相运行试验过程及结果。
1、进相运行方式
发电机进相运行是一种欠励运行方式,它与迟相运行的主要差别在于:静稳定性有所下降和由于漏磁通向量的改变使定子铁芯端部结构件温度比迟相高。故需通过试验考核发电机在进相运行工况下的稳定性和定子铁芯端部结构件的温升,以确保发电机进相运行的安全可靠。
2、进相运行的理论依据
为便于分析,假设电网为无限大系统,那么电网的电压和频率不会因为一台发电机运行情况的改变而改变,即并网发电机的电压U和频率将维持常数,并假设保持原动机的拖动转矩不变(即不调节原动机的汽门、油门或水门),那么发电机输出的有功功率也将保持不变,即E0sinθ和Ia cosφ为常数。
图1给出了有功功率不变而空载电势变化时, 隐极发电机的电势相量图,E0 和Ia 的矢端必须落在直线AB和CD上。
图1
1)如果在某一励磁电流If 时,Ia 正好与U平行,此时无功功率为0,发电机输出的全部是有功功率,发电机正常励磁。
2)如果增加励磁电流到If1 ,则E0 将沿直线AB右移到E01 ,Ia 将沿直线CD下移至Ia1,Ia1滞后于U,发电机处于过励状态,输出功率中除了有功功率外,还有滞后性的无功功率。
3)如果将励磁电流减少到If2, E0则沿 BA左移到 E 02 , I a 沿 D C 上移到 I a2 , I a2 超前于 U ,发电机处于欠励状态 ,发电机输出功率中除了有功功率 外 ,还有超前性的无功功率 。
可见 ,通过调节励磁电流可以达到调节同步发电机无功功率的目的 。当从某一过励励磁状态开始减小励磁电流时 ,发电机输出的滞后的无功功率开始减少 ,电枢电流中的无功分量也开始减少 ;达到正常励磁状态时 ,无功功率变为 0 ,电枢电流中的无功分量也变为 0 。此时 ,如果继续减小励磁电流 ,发电机开始进相运行 ,将输出超前性的无功功率 ,电枢电流中的无功分量又开始增加 。发电机进相运行时 ,各电气参数始终是对称的 ,并且发电机仍保持同步 转速 ,因而属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况 ,只是拓宽了发电机通常的运行范围 。在允许的进相运行限额范围内 ,只要电网需要 ,可以长期运行 。进相深度可通过试验与稳定验算决定 。
3、进相运行试验制限条件计算
1）发电机并网进相运行时 ,发电机的端电压将明显下降 ,这可能会影响到厂用 电 。进相越深 ,厂用电电压下降越多。本厂用0.4kV母线电压限制为: 360V～400V
2）发电机定子电压：(0.95～1.05)UH，即5.99～6.62kV
3）发电机定子电流最大值：1.0IH ,即1088.3A
4）相同有功功率输出下 ,因 其励磁电流减小 ,小到使其功角特性的电磁功率幅值小于当时的原动机输出 Pm ( 对隐极发电机 ,即功 角θ> 90°) 时 ,发电机除了从系统吸收更多的无功功率外 ,由于已没有足够的电磁功率来抵消原动机输出功率 ,因而发电机持 续加 速 , 转差 S 和 功角θ 增 大 ,直至与系统失步。终合考虑发电机功角δ最大值限制为：60°，功角计算如下：
δ=tg-1(P/(Q+U2/Xq)) =tg-1(P/(Q+16.19))
5）发电机静稳定极限估算
发电机同步电抗Xd*=1.3214, 主变漏抗Xk*=0.0988,取接入电
网电抗Xs*=0.05,取基准容量
SB=100MVA,0.95UF=0.95*6.3=5.99KV；
发电机视在容量SF=11.875MVA；主变容量ST=31.5MVA
Xd=Xd* × (UF×UF)/SF=1.3214×(6.3×6.3)/11.875=4.417Ω
XT=Xk*× (UF×UF)/ST=0.0988×(6.3×6.3)/31.5=0.1245Ω
Xs=Xs*× (UF×UF)/SB=0.05×(6.3×6.3)/100=0.0198Ω
发电机静稳定极限值：
（0.95UF×0.95UF）/(Xd+XT+Xs)=5.99×5.99/(4.417+0.1245+
0.0198)=7.87MVAR
6）发电机各部温升 。尤其是定子端部铁心 、压 指 、压板的温升 ,因发电机进相运行时发电机端部的漏磁通大大增加 ,进相越深 ,漏磁通越大 。该旋转磁通在切割静止的定子端部各构件时 ,会在其中感应涡流和磁滞损耗 ,引起发热 ,因此必须通过温升试验 来确定进相深度 发电机各部分温度的限制值：105℃。
4、上标水发电机组进相运行试验情况
4.1机组基本情况
上标水电厂装机容量19M W，年调节库容，在系统中担任峰荷 。发电机型号SF—J9500—10/2600，其主要参数如下：额定出力9 M W , 额定电流1088.3 A，额定电压:6 300 V ,额定功率因数0. 8 (滞后) , 额定励磁电压:134.4 V，额定励磁电流 405 A ,励磁方式为可控硅静止励磁，纵轴同步电抗Xd：1.3214，横轴同步电杭Xq：0.7334，纵轴瞬变电抗X′d：0.3069，横轴瞬变电杭X′q：0.7334，纵轴超瞬变电抗X′′d：0.2172，横轴超瞬变电杭X′′q：0.2338。主接线为两机一变扩大单元接线，机组出线电压为6KV，1#厂变接于6KV母线，主变高压侧电压为110KV接至丽水电网。于2017年11月27日进行了进相试验。
4.2 试验前准备
在定子边端阶梯型铁芯段、压指、压板等部位埋设4只左右铂热电阻,具体位置埋设在发电机定子铁芯的上端部、定子线圈电位较低的部位,从定子铁芯背部适当位置引出,并绑扎牢固。埋设方法采用塑料扎带绑扎法和云母带绑扎法。校验和检査发电机定子测温巡检仪温度及发电机冷却空气测温仪表。在发电机电气回路中接入精度0.5级的ACR320EL多功能数字测量仪,包括测量有功功率、无功功率、定子电压、定子电流，功率因数；发电机转子电压、转子电流用胜利万用表V806+福禄克台式万用表FLUKE45测量。
4.3 试验安全措施及注意事项
试验期间发电机根据试验要求安排升降负荷，试验前由电站值长向调度提出申请，说明试验内容，经批准后方可进行试验。
所有参加试验的试验人员必须熟悉本试验方案。相关运行人员也应提前学习。
试验过程中的一切操作应由试验工作负责人通知值长，由值长下令，运行人员操作。如果系统或本厂内发生事故或试验本身出现意外情况，试验工作负责人及值长均有权下令暂停试验，由电站处理，试验人员不得擅自乱动运行设备。
试验前试验工作负责人及有关人员应详细检查试验接线及全部措施正确无误，仪器、仪表工作正常。特别要注意：CT二次不得开路，PT二次不得短路，励磁回路不得接地。
试验前，应根据试验要求，检查发电机的低励限制单元、失磁保护，确保满足试验的需要。试验过程中，不退出发电机的低励限制单元、失磁保护。
试验前记录1#主变(第3档）、1#厂变（第7档）的分接头位置，试验前应提前判断380V厂用电是否偏低使发电机无法进相运行。如果380V厂用电偏低使得发电机无法进行进相试验，应提前调节运行厂变的分接头。
进相试验励磁电流调整时的注意事项：发电机的励磁面板上有电流调节按键，应有明显的增减方向标志，并能缓慢细调励磁电流。在每一有功负荷下做完进相试验后，首先必须增加励磁电流，将发电机拉入迟相（cosφ≤0.98）运行状态，然后才能调节有功负荷，进行下一个工况的试验。
发电机进相试验时如失去同步后的紧急应对措施：进相试验时，如果失去同步，应立即增加励磁电流使发电机恢复同步，如果不成，应同时减小发电机的有功负荷，使其恢复同步。如果还不能恢复同步，由试验工作负责人下令解列。
试验结束后，将发电机恢复正常运行状态，所有试验设备与运行设备隔离，继电保护恢复，并由值长向调度报告退出试验。
5、试验结果分析
经过试验发现，发电机铁芯端部的最高温度为52.6℃，有较大的裕度。机组带有功功率为7.125MW、无功功率为 -3.5MVAR，有功功率为9.5MW、 无功功率-3.0MVAR，定子电流为960A，功角都在允许范围内，机组能稳定运行。由于6.3KV 母线电压偏低（只有6.0KV左右），1#机进相运行时，发生发电机电压Uab低于限制电压0.95U（5.99KV）情况；2#机进相运行时，也发生发电机电压Uab低于限制电压0.95U（5.99KV）情况；但大多数情况系统无功过剩，母线电压较高的情况下才会需要机组进相，所以此不会成为受限条件。如果110KV系统电压较高，而6KV母线电压较低时，建议主变分接开关由第3档调为第4档；适当提高6.3KV 母线电压。根据电站实际运行情况，电站进相运行方式为开一台机进相运行，另外一台机组在停机备用方式。1#、2#发电机进相限额为：机组带有功功率为7.125MW, 带无功功率不大于 -3.5MVAR；机组带有功功率为9.5MW, 带无功功率不大于 -3.0MVAR。
6、体会与总结
6.1 通过进相运行试验表明，水轮发电机组在稳定极限范围内，进相运行是确实可行的，对电网的电压质量调整有很好的贡献。大多数的机组在50%无功进相内都能稳定运行。
6.2 进相试验前应根据进相要求，对励磁低励限制及计算机监控系统上位机无功限制进行修改。进相试验结束确定进相深度后，对以上两上值进行确定调整。以免今后进相运行过程中超进相深度运行。
6.3进相试验过程中应严格监视进相的几个限制条件，如母线电压、厂用电压、定子电流、无功功率、定转子温度等。
6.4进相运行对励磁系统的稳定性提出了更高的要求，所以水轮发电机组进相运行要求励磁系统的自动调节性能必须可靠稳定。
6.5 大多数情况是系统无功过剩，系统电压偏高时才要求机组进相。如存在系统要求我们进相运行，而我们的机端母线电压和厂用电压偏低时，需调节主变分接头或厂用电分接头。
6.6 大多数水电站正常的运行方式为迟相运行，进相实属特例。故需经常对运行人员进行此运行方式的培训及模拟操作。
参考文献
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作者简介
雷野（1973—）男，电气工程自动化工程师，从事水电站运行、检修、生产管理工作。
论文作者:雷野
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/13
标签：发电机论文; 电压论文; 功率论文; 定子论文; 电流论文; 机组论文; 励磁论文; 《电力设备》2019年第3期论文;