基于零功率因数过励试验的水电机组励磁电流的确定

曹登峰，潘罗平，周 叶，安学利

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 引言

在“一带一路”倡议的推动下，我国承建的一批海外大中型水电工程接连投运，其涉及的水轮发电机组的性能考核是海外水电工程移交前的最后一道“关卡”。励磁电流是水电机组运行中一项基本的重要参数，但由于制造、安装等原因，励磁电流实际值与设计值经常存在一些偏差[1，2]，导致机组不能顺利通过性能考核，乃至延误工程顺利完工。

保梯电抗是水轮发电机的一项重要参数，其与发电机的励磁电流密切关联[3]。准确测定保梯电抗，继而利用保梯图、ASA图或瑞典图计算发电机的励磁电流，有助于准确描述发电机的运行状况及性能[4]。而零功率因数过励试验作为国内外相关标准中唯一推荐的测定同步电机保梯电抗的试验方法，国内外在应用上仍存在一些差异。

本文在老挝一水电站机组上开展了零功率因数过励试验，测取并根据保梯电抗计算出了发电机在不同负荷下的励磁电流，对实测励磁电流值进行了复核。

2 测定原理

2.1 零功率因数过励试验

IEC 600034推荐以作图法确定同步电机的保梯电抗，如图1所示[5]。图中，点A为零功率因数负载特性曲线上对应定子额定电压和额定电流的点，AF长度等于短路特性曲线上对应额定定子电流的励磁电流ifk，FH平行于气隙线，与空载饱和特性曲线相交于H，HG长度即保梯电抗xp。然而，受发电机静态稳定运行极限的限制，水轮发电机组很难在零功率因数、额定定子电流下运行，即在水电站现场无法测取到额定定子电流下的零功率因数负载特性曲线。

图1 作图法确定保梯电抗

文献[6]提出了一种确定点A的方法，如图2所示。图中，点C为零功率因数试验时对应定子电流i的实测点，CE长度等于短路特性曲线上对应定子电流i的励磁电流，EJ平行于气隙线，与空载饱和特性曲线相交于J。将空载饱和特性曲线沿JC向右下方平移至点N，其中JN/JC=1/i，平移后的曲线即额定定子电流下的零功率因数负载特性曲线，曲线上对应额定电压的点即点A。

图2 零功率因数负载特性曲线的确定

本文利用此方法，根据零功率因数试验时的实测点，将空载饱和特性曲线平移，得到机组不同定子电流下的零功率因数负载特性曲线，进而得到保梯电抗，最后可计算机组在各个负载下的励磁电流。

2.2 保梯图

利用保梯图和保梯电抗确定励磁电流的原理图如图3所示。其中，在额定电压向量UN的终端作保梯电抗压降ixp与定子电流向量i相垂直，其与UN的向量和即电势ep。作励磁电流ifp向量垂直于ep，其长度等于空载饱和特性曲线上对应ep的励磁电流。在ifp终端作向量ifa，其长度等于短路特性曲线上对应额定电流的励磁电流ifk与空载饱和特性曲线上保梯电抗压降ixp对应的励磁电流之差。对应定子电流i的励磁电流即ifp与ifa的向量和[7]。

图3 保梯图确定励磁电流

2.3 ASA图

利用ASA图和保梯电抗确定励磁电流的原理图如图4所示。其中，电势ep的确定同2.2。Δif为空载饱和特性曲线上对应电压ep的励磁电流与气隙线上对应ep的励磁电流之差。气隙线上对应额定电压的励磁电流ifg，短路特性曲线上对应电流i的励磁电流ifk和Δif三者的向量和即对应电流i下的励磁电流。

图4 ASA图确定励磁电流

2.4 瑞典图

利用瑞典图和保梯电抗确定励磁电流的原理图如图4所示。其中，ifo为空载饱和特性曲线上对应额定电压的励磁电流，ifk同2.2。DL长度为1.05倍的ifk，MP垂直平分BL。DK与以M为圆心、经过点L和点B的圆相交于点K，点K距原点的长度即对应电流i下的励磁电流。

图5 瑞典图确定励磁电流

3 实例分析

老挝一在建水电站，机组并网后在额定工况下运行时，实测励磁电流超过设计值，业主对发电机性能产生质疑。因此，开展零功率因数过励试验，测定发电机保梯电抗，进而计算机组励磁电流，对实测值进行复核。

3.1 机组参数

机组各项参数见表1。

表1 测试机组主要参数

3.2 数据处理

试验时，机组在过励状态下运行，有功功率、功率因数为零。在发电机静态稳定运行极限的限制内，调整无功功率，使定子电流尽量大。试验期间，定子电压不超过额定值的±15%。机组运行稳定后，记录数据，利用实测点计算机组的保梯电抗。

保梯电抗的计算如图6所示。经计算，保梯电抗实测值为0.147 7（标幺值）。由于零功率因数负载特性曲线由空载饱和特性曲线平移得到，故录取空载饱和特性曲线时，应将发电机升压至130%额定值，以保证计算的需要。试验结束后，机组在额定功率因数、不同负载下的励磁电流计算结果如表2所示。

图6 保梯电抗的作图求解

表2 机组不同负载下的励磁电流计算结果

3.3 结果分析

机组在不同负载下的励磁电流计算值与实测值、设计值的偏差如表3所示。

（1）偏差分析。从表3可以看出，根据实测的保梯电抗，利用保梯图、ASA图、瑞典图计算得到的机组在不同负载下的励磁电流计算值与实测值的偏差在±2%以内，表明电站实测励磁电流值是准确的。

（2）容差判定。根据IEC 60034-1规定，同步电机励磁电流实测值与设计值的允许容差为±15%[8]；表3的结果表明，机组在不同负载下的励磁电流实测值、计算值（保梯图、ASA图、瑞典图）与设计值的偏差在±4%以内，满足容差的这一规定；由于制造、安装等原因，实测励磁电流值与设计值存在一定偏差，但仍在合理和可允许的范围内。

根据试验结果，绘制励磁电流与定子电流的关系曲线，如图7所示。

图7 励磁电流复核结果

4 总结

本文在水电机组上开展零功率因数过励试验，测定保梯电抗，进而利用作图法计算机组在不同负载下的励磁电流，对实测值进行了复核，结果表明：励磁电流计算值与实测值偏差较小，零功率因数过励试验是复核励磁电流实测值的可行方法；励磁电流实测值与设计值不可避免的存在一些偏差，当偏差较大或超过合同、标准规定的容差范围时，可实施零功率因数过励试验，对励磁电流进行复核，以验证其准确性和有效性。