汽轮发电机进相能力分析及试验验证

何子春，李养俊，张强，贺室衡

汽轮发电机进相能力分析及试验验证

何子春，李养俊，张强，贺室衡

（华电电力科学研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

发电机进相运行是发电机在保持正常有功输出的情况下调节励磁，使发电机欠励磁运行，并从系统中吸收无功的一种运行方式，其进相深度一般受发电机静态稳定极限、定子端部构件发热等因素制约。在对发电机进相运行特征、功角变化及进相运行限制因素分析的基础上，以某火电厂600 MW发电机组为例，分析并记录发电机功角、定子电压、厂用电压等电气量及发电机端部温升在进相试验中的实时数据和变化情况，验证了发电机进相运行深度及其限制因素，检验了自动励磁调节器在进相运行中的调节性能及稳定性，为发电机组后续进相运行实践提供数据支撑，提出的改善策略可有效提升机组进相运行能力。

汽轮发电机；进相能力；试验验证；改善策略

0 引言

随着电力技术发展的日新月异，电网规模 迅速增大，输电电压等级越来越高，特别是超高压、直流输电技术的广泛推广，使得大容量发电机组投产后运行安全稳定性显得尤为重要。若继电保护因安全自动装置误动或因过载动作引发潮流大规模转移，将造成原本已经重载的线路或变压器出现过载，最终导致联锁事故或大停电[1]。目前，电网系统内由无功功率过剩引起局部电 网电压偏高的问题已愈加突出，给电网的无功 调节和电压控制带来了新的挑战。当前普遍采用以大型发电机组进相运行吸收剩余无功功率的电压控制技术，该技术得到业内人士的认可和电力试验研究部门的重视[2]。而进相运行验证考核试验已成为发电机组转入商业运行的主要涉网试验之一。

进相运行是指发电机机端电流相位超前机端电压，从系统吸收无功功率的运行状态[3]，是目前维持电网电压及无功平衡的主要运行方式。大型发电机作为支撑电网的主力机组，必须具备较强的进相运行能力，以灵活参与电网侧的无功调节，确保电网电压维持在安全范围内[4]。

本文以某大型火力发电厂600MW汽轮发电机组的进相运行现场考核为例，通过实际进相运行试验，分析验证不同负荷工况下制约发电机进相运行深度的限制因素和边界条件，记录机组进相运行数据，为今后机组进相运行控制提供借鉴，并为改善机组进相运行能力提供新的思路。

1 系统及设备概况

某大型火力发电厂为2´600MW燃煤亚临界空冷发电机组，发电机为QFSN-600-2型水氢氢汽轮发电机，其主要技术参数见表1。主变压器为DEP-240000/330型油浸式分相变压器，高厂变为SFF-63000/20型油浸式分裂变压器。励磁系统选用ABB公司UN-5000型微机自动励磁调节器。发电机出口电压为20kV，采用机端自并励接 线方式，发电机-变压器组以单元3/2方式接入330kV系统。

表1 发电机主要技术参数

2 发电机进相运行特征

发电机进相运行是根据电网需求所采用的一种运行控制技术，其运行能力主要由发电机本体电气性能决定。在发电机稳定运行时，定子端部铁心和金属结构件的温度会升高[5]。在发电机磁通(包括励磁磁通、电枢反应磁通、定子漏磁通和转子漏磁通)中，定子和转子漏磁通合成端部漏磁，是引起定子端部铁心和金属结构件发热的内在因素。端部漏磁也是旋转磁场，在空间上与转子同步旋转，并切割定子端部各金属部件，感应的涡流和磁滞损耗引起金属结构件发热[6]。

发电机端部磁通随功率因数变化情况如图1所示，c为定子磁势在该点产生的磁密a与转子磁势在该点产生的磁密b的矢量和。在保持相同的转速和电压下，当功率因数由迟相转为进相运行时，若定子电流大小不变(即图中不变)，则长度亦不变，但按逆时针方向移动到¢点，相应的移到¢，此时，¢>，即定子端部的磁密增加，在近似计算中可认为温度与磁密c2成正比，也就是在从迟相转入进相时，应考虑定子边段铁心和端部结构件温度的上升[7]。

图1 发电机端部磁通随功率因数变化情况

3 发电机进相运行试验功角计算

发电机进相运行时处于低励磁运行状态，此时电势降低，电磁转矩减小，功角增大，随着有功负荷的增大，机组更易失稳[8]。依据《同步发电机进相试验导则》(DL/T 1523—2016)，汽轮发电机进相运行要求[9]如下：

1）试验机组选择的有功工况应包括机组正常运行功率的最大值和最小值，中间点可根据机组稳定运行情况选定，总工况点应不少于3个，宜由低至高进行试验。

2）汽轮发电机组进相试验工况宜为50%、75%、100%额定有功功率。每一种工况下的试验应包括迟相、零无功、进相3种状态(进相工况应达到进相限制条件)。

基于上述规定，根据电机学原理功角计算公式(1)[10]，可计算出不同进相无功目标值下对应的功角值，见表2。

式中：为发电机有功功率，MW；为发电机无功功率，Mvar；为发电机定子电压，kV；d为发电机同步电抗的有名值，W。

表2 不同负荷工况下的功角计算值

根据电力系统关键电气设备元件有名值计算公式，可由发电机同步电抗相对值d%求得发电机同步电抗有名值d如下：

式中：G为发电机机端电压，kV；G为发电机视在功率，MVA。

4 影响发电机进相运行的制约因素

恒有功发电机转入进相运行时，处于低励磁状态，发电机静稳定裕度减小，运行易失稳，发电机定子端部漏磁也趋于严重，损耗增加，其进相容量(和)由静稳极限、定子过流和定子铁心端部过热三者中的最小限值确定[11]。

发电机进入进相运行后，由于处于低励状态，机端电压将会降低并引起厂用电压相应下降，使得同等负荷下厂用辅机电动机运行电流增大，严重时会造成电动机和厂用电过负荷。因此必须监控或限制发电机机端电压和厂用电压下降幅度，即发电机机端电压和厂用电电压要求保持在额定值的95%以上，母线电压不低于0.95e(e为母线额定电压)；发电机定子电流不高于1.05e(e为发电机额定电流)；发电机功角不大于70°[12]。

自动励磁调节器的投运虽不是进相运行的必要条件，但却能使稳定极限功角lim显著提高，即lim>90°。因而可大大提高机组的进相运行能力，增加了机组的静稳定储备系数[13]。

发电机进相运行造成定子端部结构件发热，这是由发电机励磁电流变化引起的。励磁电流的磁通匝链在端部铁心形成漏磁通，此漏磁通在端部铁心中引起涡流，从而导致端部发热。当发电机从滞相转入进相时，励磁电流从大变小，漏磁通则由小变大，使端部结构件发热增加。另外，发电机在欠励状态下，定子电流的电枢反应由去磁作用变为助磁作用，并叠加到转子电流的磁力线上，磁密增加，致使定子端部结构件发热，从而引起端部温度升高[14]。

依据技术说明书，发电机本体(包括定子铁心及端部结构件)各测点温度限值见表3。

表3 发电机各测点温度限值

5 不同有功负荷下进相运行数据采集

在进相运行验证试验中，确认低励限制单元动态试验已完成，限制功能动作正确并可靠投入；发电机失磁保护只投信号；陪试机组带有功负荷350MW，无功负荷168Mvar，且在自动模式下稳定运行。

根据机组出力情况，本次进相试验分别在50%、75%和86%(机组出力受限)有功负荷下进行进相运行验证。进相运行试验数据见表4，发电机端部温度与进相深度变化对比见表5。

表4 不同有功负荷时的进相运行试验数据

表5 发电机端部结构件温度与进相深度变化对比

6 进相运行试验数据分析

2）定子电流在实际进相运行中裕度较大，不是进相运行的主要限制因素，但在大负荷特别是满负荷运行时，需要加强监控。

3）发电机进相试验中功角最大值仅为66.5°。由于微机励磁调节器在自动方式下其稳定运行功角可以达到90°，因此此运行功角离失稳值有较大裕度，不是机组进相运行的限制因素，但进相运行中有必要进行监控。

4）被试发电机功率因数在不同工况中变化很小，且与发电机-曲线所给出的出厂数据相差很大，远未达到0.97的限值，所以功率因数不是影响发电机进相深度的限制因素，但在单台机组运行时需要加强监控。

5）被试发电机在正常运行过程中，发电机端部温度高于并列机组5℃左右，且在进相试验中，发电机端部温升较少(发电机端部温度最高仅61.9℃)，远未达到发电机厂家给出的温度限值(120℃)，裕度很大。根据表5可知，随着机组负荷的升高，进相深度对发电机温升有一定影响，但发电机温升对进相深度的限制很小。因此，温升不是被试发电机进相深度的限制因素。

6）随着进相深度增加，定子电压降低较快，并最先降到0.95¢e(¢e为发电机定子额定电压)。尽管由于并列机组在进相试验过程中较大幅度地支撑了无功输出，稳定了330kV系统电压，也从一定程度上减缓了被试发电机机端电压的下降，但如果并列机组不参与无功调节，随着进相深度增加，特别是满负荷工况下，被试发电机定子电压将会更大幅度地下降，这必将是影响发电机组进相运行深度的最重要因素，因此须重点监控。

10kV厂用电电压在试验中下降较少，主要是由于并列机组的无功支持和被试机组高厂变、高公变分接挡位较高(已由中间挡3挡调至4挡)。当并列机组不参与无功调节，特别是被试机组满负荷工况下，10kV厂用电电压的大幅下降也将是影响发电机进相深度的一个重要因素，需要重点监控。

400V厂用电源电压在进相试验过程中降低比较严重，在离进相无功目标值还有很大差距时，随着发电机定子电压的降低(低于19kV)，380V电压接近361V，已达到进相运行的电压限制值。400V电动机继电保护配置为过负荷保护、电流速断保护和单相接地零序过流保护，若定值计算或整定难以保证可靠性，极易造成跳闸[15]。因此，400V厂用电电压是进相运行最重要的制约因素。

7）本次试验过程中，失磁保护(信号)未动作，表明在以上试验工况下，本台发电机现有的进相深度未影响机组的安全稳定运行，失磁保护定值整定基本适当，能满足机组目前进相运行可靠性要求。

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7 改善机组进相深度策略

1）在验证试验过程中，由于陪试机组参与系统电压调节，因此发挥陪试机组系统的电压调节和支撑作用，可以明显提升机组的进相能力。

2）考虑到进相运行中会有较大容量电机启动、电源切换或短路故障等引起厂用电电压突然降低等偶发因素，从而引发个别辅机跳闸并危及机组安全稳定运行的意外风险，被试发电机实际进相运行深度和连续进相运行时间都需要综合考量，须首先以保证机组安全稳定为前提。当然，如果提前切换厂用电源，进相深度将会有显著的改善。

3）如果将主变挡位由中间挡3挡调至2挡，提高发电机机端电压和厂用电压的水平，或调低高厂变、低压厂用变分接挡位，抬高重要负荷或负荷较大厂用工作段电压，均可改善发电机进相深度，但需要对整个电源系统进行综合考量，防止低负荷时配电段电压高超限。

4）对低压厂用电接线方案专题优化[16]，合理分配厂用工作段负荷，确保各配电段负荷基本均衡，避免在进相运行中因某一配电段电压下降太快，而成为制约机组进相运行的限制因素。

8 结论

本文在对发电机进相运行特征、功角变化及进相运行限制因素分析的基础上，以某火电厂600MW发电机组实际进相运行试验数据为例进行分析，得出以下结论：1）陪试机组参与系统电压调节，可明显提升机组的进相能力；2）厂用电电压突然降低等偶发因素同样影响机组进相深度；3）合理调整主变挡位、低压厂用变分接挡位，均可改善发电机进相深度；4）厂用工作段负荷的合理分配，也可改变机组进相运行的限制因素。

试验中由于被试机组锅炉机务原因限制了机组出力，所以未进行满负荷工况下的进相运行深度验证，也未记录发电机组满负荷工况下的进相运行数据，但仍可作为被试机组85%以下负荷工况的进相运行例证。后续根据电厂实际择机开展100%负荷工况下的进相运行验证试验，以获得机组完全进相运行数据，以期作为机组今后进相运行的数据支撑和改善进相深度的参考依据。

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Analysis and Test Verification of Turbine Generator's Leading Phase Operation Capability

HE Zichun, LI Yangjun, ZHANG Qiang, HE Shiheng

(Huadian Electric Power Reserach Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

The generator leading phase operation is an operation mode in which the generator adjusts the excitation to make the generator under-excited and maintains reactive power from the system while maintaining the normal active output. The leading phase depth is generally affected by the static stability limit of the generator,the stator end member heating and other factors. Based on the analysis of generator leading phase operation characteristics, power angle change and leading phase operation limit factors, a 600MW generator in a thermal power plant was taken as an example to analyse andrecord the electrical angle of the generator, stator voltage, factory voltage,the real-time data and changes of the temperature rise of the generator end in the leading phase test. The leading phase running depth of the generator and its limiting factors was verified, and the regulation performance and stability of the automatic excitation regulator in the leading phase operation was tested. It provided data support for the follow-up leading phase operation of the generator set.The proposed improvement strategy can effectively improve the leading phase operation capacity of the generator set.

turburbine generator; leading phase capability; test verification; improvement strategy

10.12096/j.2096-4528.pgt.18233

2018-11-08。

何子春(1971)，男，高级工程师，从事高低压电气试验、发电厂启动调试和技术监督管理工作；

李养俊(1985)，男，硕士，工程师，从事电气试验及技术监督管理工作，elitist21@qq.com。

何子春

(责任编辑 杨阳)