发电机进相运行分析

朱建立

(华能嘉祥发电有限公司，山东 济宁 272400)

随着电网的发展及超高压、远距离输电线路的应用，系统存在很大的电容电流，增加了系统产生的无功功率，尤其在负荷低谷时，电网无功功率过剩，易造成电网，特别是220 kV以上母线电压偏高。此时，采用大机组进相运行，吸收系统过剩的无功功率，降低电压，是最佳的经济和技术选择。现以某电厂1号发电机为例，从进相运行的原理、进相运行参数测试、运行注意事项等方面进行分析讨论，为进相运行提供技术支持。

1 发电机进相运行的概念及影响

当发电机电枢电流I1与系统电压U同相位时，电枢电流全部为有功电流，发电机只向电网输送有功功率，这种励磁状态为正常励磁状态，所对应的发电机电势为E1。保持发电机有功功率不变，调节励磁电流使其大于正常励磁电流，此时为过励状态，对应的发电机电枢电流为I2，电势为E2。过励时，I2＞I1，E2＞E1，此时发电机电枢电流滞后电网电压U,即功率因数滞后，电枢电流除有功分量外，还有一个滞后的无功电流分量,即发电机向电网输送感性无功功率，这种运行状态称为滞相(迟相)运行。保持发电机有功不变，减少发电机励磁电流，使其小于正常励磁电流，这种励磁状态称为欠励状态，对应的发电机电枢电流为I3，电势为E3，此时I3＞I1，E3＜E1，发电机端电压低于电网电压。发电机电势减小，电枢电流超前于电网电压，即功率因数超前，电枢电流除有功分量外，还有一个超前的无功电流分量，发电机向系统输送有功功率，也吸收感性无功功率，这种运行状态称为进相运行。进相运行向量如图1所示。

图1 进相运行向量示意

由图1可以看出，在保持发电机有功功率不变的情况下，发电机的电势和电网电压之间的相角差(功角δ)随着励磁电流的增大而减小，随着励磁电流的减小而增大，励磁电流越小功角越大。发电机功角特性如图2所示。

图2 发电机功角特性

由图2可知：当0<δ<δm时，随着δ的增大，Pm亦增大，同步发电机在该区间能够稳定运行；当δ>δm时，随着δ的增大，Pm反而减小，电磁功率无法与输入的机械功率相平衡，发电机转速越来越大，发电机将失去同步，故在该区间发电机不能稳定运行。在有功功率不变的情况下，当发电机进相运行时，功角δ势必增大，所以发电机进相运行时允许吸收多少无功功率、发出多少有功功率取决于静稳定的极限功角。

另外，汽轮发电机运行时，定子绕组端部的漏磁场也以同步转速相对定子旋转，其漏磁场的一部分经过定子绕组端部空间、转子护环、气隙及定子端部铁芯构成磁路，可使定子端部铁芯平面上因产生涡流而发热。此外，由于励磁绕组紧靠护环，它的漏磁场主要经护环闭合，当发电机进相运行时，由于励磁电流减小，励磁绕组端部漏磁场减弱，护环的饱和程度下降，从而减小了定子端部漏磁场所经过磁路的磁阻，增大了定子端部漏磁场，加大了铁损，最终导致定子端部铁芯严重受热。

发电机进相运行会造成发电机端部电压下降，所带厂用电电压下降，若母线电压低于额定电压的5 %将影响厂用电动机的运行，进而影响机组的安全运行。发电机进相运行时，若保持输出有功功率不变，会使发电机定子电流增加，定子线圈发热。

发电机进相运行和失磁都是励磁电流低于正常励磁电流，且都从系统吸收无功功率；但失磁是由设备故障或人员调整不当引起的，在相同有功功率输出下，其励磁电流将更小，使其功角特性的电磁功率幅值小于当时的原动机输出功率，可能会进入失步状态；但一般还未进入失步状态保护就会动作跳闸，故发电机不允许长时间失磁运行。随着电网的完善及电源的增多，系统允许发电机进相运行，其功角特性的电磁功率幅值仍大于当时的原动机输出功率Pm，故仍然与系统同步。因此，只要发电机进相进行不超过试验的深度，就能保证机组安全。

2 发电机进相运行深度的确定

同步发电机进相运行要通过试验确定进相运行深度。即在有功功率一定的状态下，吸收多少无功功率才能保持系统静态稳定和暂态稳定，使各部件温升不超限，并能满足厂用电压的要求。现在以该电厂的1号发电机为例进行介绍。

2.1 设备介绍

该电厂1号发电机为山东发电设备厂引进技术生产的空冷两极三相交流同步发电机，型号为WX25R-127，以汽轮机为驱动机。额定容量为388.2 MVA，额定功率为330 MW，定子电压为22 kV，定子电流为10 188 A，转子电压为385 V，转子电流为1 680 A，额定转速及频率分别为3 000 r/min及50 Hz，效率为98.73 %。励磁方式为自并励静止可控硅励磁，励磁调节器采用南京南瑞集团公司电气控制分公司生产的SAVR-2000双自动通道数字式自动电压调节器。冷却方式为密闭循环空气冷却(转子绕组为空内冷，其余为空外冷)。该发电机具有结构简单、辅助设备少、安装维护方便、运行安全可靠、运行费用低等特点。1号发电机通过1号主变压器连接到山东500 kV电网。2006年10月由山东电力研究院负责对1号发电机进行进相试验，以确认该机的进相运行深度。

2.2 试验措施与步骤

本次试验主要测试限制发电机进相运行能力的3个主要因素：发电机的静稳定、定子铁芯端部的温升、厂用电压的降低。为了保证试验的安全，试验时采取了以下措施。

(1)为保证发电机的静稳定，在试验中监视发电机的功角δ不超过70°，且只在自动励磁调节器投入运行下进行进相运行试验。自动励磁调节器投入运行大大提高了发电机的静态稳定极限，增强了稳定运行的能力。

(2)为减少定子铁芯端部发热，1号发电机铁芯端部安装了铜屏蔽和磁屏蔽，大大减少了端部漏磁的影响，但由于设计制造的原因，端部未安装测温元件，由厂家保证端部温度不超温。

(3)发电机进相运行时，随着发电机励磁电流的减小，发电机端电压降低，厂用电压也会降低。发电机进相运行试验时，要求发电机电压不低于20 kV，6 kV母线电压不低于5.7 kV，400 V母线电压不低于360 V。若低于上述值则进相深度不仅不能继续加大，还会增加励磁以减小进相深度。

发电机并网带负荷正常运行后，试验分有功功率为180 MW(最低稳燃负荷)，240 MW，300 MW 3种工况进行。其中180 MW和240 MW试验工况在高厂变带厂用电下进行，300 MW试验工况在高备变带厂用电下进行。

试验时1号发电机置于自动励磁的方式下，运行人员在试验过程中保持该机组的有功功率、进风温度、空冷器进水温度、进水压力不变。

在上述工况下，运行人员手动降低励磁，直至满足限制进相运行的条件(功角δ不大于70°，定子铁芯及端部结构件温升不超过厂家规定，不超过厂家P-Q图要求，发电机电压不低于20 kV，6 kV母线电压不低于5.7 kV，400 V母线电压不低于360 V)为止。试验完毕后，机组恢复至滞相运行。试验结果如表1所示。

表1 1号发电机进相运行相关数据

从此次实测结果可以看到，铁芯温度最高的工况为300 MW下进相102.7 Mvar，此时发电机端部的磁密最高，最高温度为70.4 ℃，温升为40.5 K，离温度限额120 ℃差距很大，因此该机在进相时不受端部结构件发热的限制。

从试验数据可以看出，3种工况(300 MW，240 MW，180 MW)进相到最大深度时发电机的功角分别为68.13°，57.15°和53.10°，均不超过70°，因此该机在进相时不受静稳定的限制。从试验结果可以看出，该机进相深度受厂用电电压降低条件限制。厂用电由高厂变带的工况是400 V降至360 V限制住进相深度，此时500 kV母线电压较滞相时下降5 kV左右，调压效果明显。

3 发电机进相运行注意事项

(1)根据发电机进相运行的理论分析，发电机进相运行时静态稳定性降低，端部漏磁引起定子端部温度升高，厂用电电压降低，且由于机端电压降低，在输出功率不变的情况下发电机定子电流增加，易造成过负荷。因此在发电机进相运行时应注意监视发电机的静稳定情况，确保发电机各表计指示正常无摆动，以防发生发电机失步；监视发电机定子电压、定子电流不超过运行限额，特别是在高负荷情况下，否则停止继续降低无功负荷；注意监视发电机各部分温度、温升不能超过运行限额，否则立即停止进相运行；注意监视各母线电压，保证辅机运行安全。

(2)在发电机进相运行时，应根据进相试验结论，控制进相运行深度。该电厂1号机组在240 MW负荷工况时，进相深度不能超过-80 Mvar，如果继续减小励磁电流，虽然发电机还可能在静稳定区域运行，但是400 V常用电动机电压已经低于最低允许范围，将严重影响机组低压电动机的安全运行。所以，发电机在任何有功负荷状态下进相运行，都应以进相试验报告为依据，进相深度不应超出进相报告的结论。

(3)要注意监视发电机励磁参数。发电机进相运行时要控制励磁参数不低于本机组低励限制定值。为了确保发电机进相运行时的安全，不允许退出低励磁限制保护和失磁保护。在降低发电机励磁时，若低励限制器动作，应立即停止降低发电机励磁，适当增大励磁电流。因此，为维持发电机的合理进相运行工况，要根据预定进相深度重新计算整定低励限制定值并通过试验确定。

(4)禁止发电机在不正常运行状态及事故处理的情况下进相运行。发电机在进相运行中发生振荡或者失去同步时，应立即增加励磁电流，使之为滞相运行，必要时可减少有功负荷。

(5)发电机升(降)负荷时应先增加无功功率再增加(减少)有功功率，待负荷稳定再减小无功功率至进相运行。如发现其他运行机组有功功率、无功功率有明显摆动现象，应即刻增加发电机的励磁电流，同时向调度申请恢复发电机滞相运行。发电机进相运行时，若因电网出现跳机等原因引起电网无功大幅波动，不应干涉发电机励磁调节器动作。

4 结束语

发电机进相运行时所受到的限制因素很多，而且在不同的条件下，起作用的因素也不同，这就决定了进相深度的限制判据应是由多种因素组成的综合判据，因此，运行人员应该熟练掌握进相运行的相关理论及其注意事项，以提高发电机进相运行的安全性。

1 涂光瑜．汽轮发电机及电气设备[M]．北京：中国电力出版社，1998.

2 陈道舜．电机学[M]．北京：中国水利水电出版社，2001.

3 河南省电力工业局．火电厂电气设备运行[M]．北京：中国电力出版社，1995.

4 范锡普．发电厂电气部分[M]．山东：山东工业大学出版社，1987.