宜兴抽水蓄能电站机组进相运行试验与分析

梁庆春 陈鹤虎

（华东宜兴抽水蓄能电站，江苏 宜兴 214205）

随着电网的不断发展，装机容量的增加，高电压长距离输电线路的大量投入，电力系统中的充电无功日益增大。当夜间或节假日负荷处于低谷时，需要的无功功率大为减少，过剩的无功功率会使系统的电压增高，甚至超过允许的规定值，严重地影响到电能质量与设备安全［1］。因此，吸收电网中的无功，降低偏高的电网电压就成了电网的当务之急。采用并联电抗器、同步调相机和发电机进相运行等措施是降压常用的手段。仅从调相调压的角度看，前两者投资太大，所以发电机进相运行是适应这一要求的最经济、有效、便利的措施之一［2］。宜兴抽水蓄能电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，电站总装机容量为1 000MW，装设4台单机容量为250MW的立轴单级混流可逆式机组。电站机组本身在电网起到了调峰作用，如果能够采用进相运行又能起到降低电网电压的作用。因此，有必要验证机组进相运行能力，确定稳定运行的范围，以指导电站在适当时候采用该运行方式。

1 发电电动机进相运行限制因素

发电机的运行范围受冷却条件、电压水平、系统运行方式、AVR以及发电机参数的非线性（饱和作用）等多种因素的影响，进相运行时还受发电电动机端部结构件的发热和在电网中运行的稳定性限制［3］。

1.1 静稳定限制

抽水蓄能机组属于凸极式发电电动机，凸极机的特点是Xd≠Xq，以标幺值表示的凸极机的电磁功率为：

式（1）中U为系统电压，δ为发电机内电势Eq与U的夹角，Xd为直轴电抗，Xq为交轴电抗。上式第一项为励磁电磁功率，其值与励磁电流的大小有关；第二项为附加电磁功率，其值仅取决于发电机Xd与Xq的差值和机端电压的高低，与励磁电流无关。

1.2 定子端部铁心和金属结构件的温度限制

发电机端部漏磁通是由转子和定子漏磁通合成的，它是一个随转子同速旋转的合成磁场，其大小与定子绕组的结构、端部的结构和转子、风扇的材料、尺寸和位置等发电机制造工艺有关。该旋转漏磁通磁场在切割静止的定子端部各金属结构件时，就会在其中感应涡流和磁滞损耗，引起发热。当发电机由迟相向进相运行方式变化时，端部合成漏磁通将随之显著增大，端部元件的温升也将升高，成为限制进相运行的条件之一。

1.3 低励限制和失磁保护

低励限制的功能是防止发电机进相运行时过度进相引起失磁和失步。低励限制的动作值是按发电机静稳定极限并留有一定余量进行整定的。失磁保护则是针对发电机励磁突然部分或全部消失而设置的继电保护。考虑到试验时一旦发电机失磁，发电机转子电流将按指数规律衰减，同时将过渡到异步运行状态，此时发电机将从电网大量吸收无功，严重影响系统安全稳定运行。因此，低励限制需要根据机组实际运行情况重新核定，而失磁保护则要求一直投入。

1.4 进相工况的确定

试验前对进相工况进行计算，功角以不超过50°为准，进相时主要测量定子电流、电压，机组有功无功、频率及功角等电气参数和定子铁心上部、铁心下部、线棒等温升值［4-5］。另外，考虑宜兴抽蓄机组在低负荷时振动情况较差，将最低考核工况的有功负荷设置为略大于125MW（额定负荷的一半值）。经核算后选取的进相考核工况见表1。

2 实际试验情况

2008年10月19日宜兴抽蓄进行了4号机进相试验，试验期间，为了维持系统电压稳定、保证系统无功储备，同一单元的3号机组采用抽水调相的运行方式配合调节无功功率。

表1 进相考核试验工况

首先进行第一个工况，有功功率250MW时机组的进相。进相前系统电压为512.0kV，进相到试验计划工况，无功为-86.78Mvar。此时3号机配合发出无功41.29 Mvar，功角为40.3°，系统电压为511.33kV。稳定20分钟后，进行温度测量。

之后进行第二个工况，有功降至200MW进行进相。进相前系统电压为512.97kV，进相到试验计划工况，无功为-129.49Mvar。此时3号机配合发出无功81.68Mvar，功角为43.2°，系统电压为511.29kV。稳定20分钟后，进行温度测量。

最后进行第三个工况，有功继续下降至140MW进行进相。进相前系统电压为513.27kV，进相到无功为-135.15Mvar时，发电机机端电压下降至14.45kV，已低于额定电压的92.5%（14.56kV）,停止继续进相。此时3号机配合发出无功92.00Mvar，功角为37.4°，系统电压为511.96kV。稳定20分钟后，进行温度测量。实际进相试验工况数据见表2。

表2 实际进相试验数据

3 数据分析

3.1 静态稳定极限

从表4中可以看出，在3个试验工况中，功角最大值为43.2°，不超过45°的静稳定极限，因此该进相范围可以作为机组的进相运行范围。且在试验过程中，低励限制和失磁保护都未发信，验证了保护的正确性。

3.2 进相运行对铁芯温升的影响

从测得的定子铁芯温升数据看，在3个进相工况中，铁芯温升的最高点都在铁芯上部指压板。最高温升出现在有功为250MW，进相-86.78Mvar工况时，此时铁心上部指压板温升为69.6K。其余2个工况的温升最高值均低于此值，未超过发电机定子铁芯的温升限额80K，且有一定预度。

3.3 进相运行对发电电动机端电压的影响

发电电动机运行规程中规定机端电压不得低于额定电压的92.5%（14.57kV），同时厂用电电压不得低于额定电压的95%。试验前，为保证电站其他设备的安全，厂用电倒至其他机组。试验中，随着进相深度的增加，发电电动机端电压U随之下降，在250MW进相时，机端电压从进相前的15.54kV跌至进相后的14.78kV。在200MW进相时，机端电压从进相前的15.58kV跌至进相后的14.48kV，此时机端电压已略低于额定电压的92.5%（14.57kV）。在140MW进相时，机端电压从进相前的15.66kV跌至进相后的14.45kV，此时机端电压已低于额定电压的92.5%（14.57kV），此工况的进相试验由于机端电压过低而停止继续进相。因此，发电电动机进相时进相深度受到机端电压的限制。

3.4 进相运行对500kV电网的调压作用

进相运行时，随进相深度的增加，发电机功角逐渐增大，吸收系统的无功增多，系统电压相应下降。试验时3号机组配合4号机组进行无功调节，但在进相后，系统电压还是有所下降。在250MW进相时，系统电压从进相前的512.00kV跌至进相后的511.33kV。在200MW进相时，机端电压从进相前的512.97kV跌至进相后的511.29kV。在140MW进相时，机端电压从进相前的513.27kV跌至进相后的511.96kV。表明发电机进相运行对系统电压具有一定的调节作用。

4 结论

4.1 宜兴抽蓄4号发电电动机具有一定的进相运行能力，在AVR投入运行方式下，在表3所列工况的范围，即图1 a/b/c范围内进相运行是安全的。

表3 实际进相试验数据

图1 宜兴抽蓄4号发电机进相范围

4.2 进相运行时失磁保护须投入，AVR低励限制可参照上述范围整定。

4.3 通过进相试验数据分析，发电电动机端部结构件的温升在进相运行时有一定的预度，不会对发电电动机进相运行构成限制。

4.4 发电电动机进相试验时机端电压下降明显，进相运行时应监视机端电压和厂用电电压的下降，不得低于电厂规定最低值。

4.5 进相运行对500kV系统降压作用是有效的，对解决电网无功过剩，改善电压质量是一种有效而且经济的技术措施之一。

［1］陆明智,董功俊.发电机进相运行研究与分析［J］.华东电力,2001（4）.

［2］朱启贵,田春光.发电机静态稳定计算方法的改进［J］.吉林电力,2001（1）.

［3］周惠东.湛江发电厂300MW发电机进相运行试验分析［J］.内蒙古电力技术,2003（1）.

［4］雷斌.李家峡水电站水轮发电机的进相运行［J］.西北水力发电,2002,18（3）.

［5］康健.水轮发电机组进相试验及功角测量［J］.贵州水力发电,2000（4）.