無功功率過高對發電機及系統的影響分析

雷明洋+董朝輝

摘 要：在電力系統中，發電機發出一定的無功功率來維持電力系統的穩定性，但是它又影響了發電機的效率。本文在保證發電機維持額定的功率因數運行同時，減少電力用戶的無功消耗或增加無功補償裝置，既保證系統的穩定性，同時又提高發電機的效率。

關鍵詞：無功功率；發電機；系統；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.131

0 引言

電力系統中的無功功率主要用于電路內電場與磁場，并用來在電氣設備中建立和維持磁場，完成電磁能量的互相轉換，不對外做功，為系統提供電壓支撐，在電源與負荷之間提供電壓降落所需的勢能，雖不直接消耗，但無功的交換將引起發電和輸電設備上的電壓升降和能量損失。

變壓器、大量感應式電動機、冰箱，空調等設備，不僅需要向系統吸收有功，同時需要吸收無功，以產生設備維護正常運行所必須的交變磁場。但大量的無功會引起有功損耗，造成電壓降，影響電能質量，對發電、供電、配電三方面都會產生不良影響。

1 無功功率對發電機的影響

我公司是兩臺220MW型號為WX23Z—109機組，勵磁方式為：靜子可控硅勵磁，恒機端電壓自動調節運行方式，發電機視在功率258.8MVA，額定功率220MW，額定電流8301A，額定電壓18KV，滿載勵磁電流1346A，滿載勵磁電壓325V，短路比0.52，額定功率因數0.85

根據2009年我公司#1機運行參數保留圖片分析如下：發電機有功負荷201MW，無功負荷142Mvar，勵磁電壓306V，勵磁電流1357.8A，定子電流最大7980A，發電機端電壓17.9KV，母線電壓112KV，功率因數0.818，系統頻率50Hz。通過運行參數不難看出 ：

（1）勵磁電流已經超過額定勵磁電流的1.009倍，勵磁電流長時間過電流運行勢必造成發電機轉子線圈過熱，從而是轉子絕緣下降，影響發電機的使用壽命。

（2）根據功率三角形此時發電機容量為201/0.818=245.7MVA，再增加有功負荷到220MW很難，應為在增加負荷的同時，交軸電樞反應用的勵磁多了，那么勵磁分給直軸電樞反應來實現無功的部分就少了。所以由于電樞反應，增加有功功率會產生去磁作用，最終導致發電機欠磁，無功功率降低，電壓降低。為了維持靜態穩定，恒機端電壓運行方式由于電壓下降從而增加勵磁使無功增加，所以根據功率圓，視在功率一定的，發電機不可能滿負荷運行。如果維持功率因數不變，發電機有功只能帶到210MW，同時無功的增高使網絡中的有功損耗增加，即高無功限制了發電機帶有功和網絡傳輸有功的能力。勵磁電流增加又進一步造成了轉子繞組的發熱，如果勵磁電流繼續增加到1.15倍的額定勵磁電流時，即If=1.15*1346=1547.9A時，根據過勵磁反時限保護，18S后將自動減出力，負荷隨之下降。

如果刻意降低無功負荷，雖然功率因數提高了，帶有功能力有了，但勢必造成機端電壓降低，無法彌補負荷增加時電樞去磁現象，相對勵磁較低將是發電機失去暫態穩定，重則引起系統的崩潰。

可見，若果無功功率過高，功率因數較低時，不但轉子容易發熱，限制發電機帶無功的能力，也必將限制發電機帶有功負荷的能力。

怎樣既保證發電機能滿負荷運行，維持功率因數在0.85左右，無功負荷能滿足電壓在額定方式下運行，從而勵磁電流又不超流呢？

（1）發電機維持0.85功率因數左右運行，額定負荷才能達到220MW，此時無功為136MW左右，功率圓能說明在無功負荷增加時將限制有功的輸出，無功的一味下降將造成機組暫態穩定破壞，引起機組振蕩，所以發電機應嚴格地按照有功功率-無功功率（P—Q）極限曲線運行，不得超出曲線范圍。最大無功功率受轉子溫升的條件限制，由于系統負荷大部分是感性負荷，無功大部分作為變壓器、異步電動機等感性負載磁場交換，造成了無功的損耗，此時只有及時投入無功補償裝置或多發無功，才能維持無功的平衡，從而減小電壓降和提供功率因數，通過以上分析發電機多發無功將影響發電機的出力和轉子的熱效應，故最好各個用電單位投入無功補償裝置，即維持了電壓，也維持了無功的平衡。

（2）根據用電單位所用負荷，計算其無功負荷，通過無功計量，多吸收無功者給予無功計費，彌補發電機不能額定出力的費用。

（3）對沒上無功補償裝置的施行限電運行，并督促其及時裝備無功補償裝置。

2 無功功率對線損的影響

電力系統中無功平衡水平對電壓水平有很大的影響，如果無功損耗較大將引起系統電壓的大幅度下降，設備就不能在額定電壓下運行，就不能保證最佳的運行狀態，設備處理不夠，對設備將產生不良的后果。為了維持無功平衡，在沒投無功補償裝置時，發電機必須多發無功才能維持電壓的穩定，但是，線路在輸送無功功率的同時，需要消耗有功功率。當有功功率一定時，無功越大，則網絡中的有功功率損耗越大。當傳輸能力一定是，無功越小，傳輸有功的能力越大。所以最好投入無功補償裝置，維持無功的平衡，保持電壓的穩定。這樣既減少了線路損耗，增加了發電機和線路的帶負荷能力，也避免了電壓過低對設備出力的影響。

3 無功多發對公司經濟效益的影響

根據第一條分析，當發電機有功負荷201MW，無功負荷142Mvar，功率因數0.818運行時，有功只能出力210MW，如果，按滿負荷220MW算，一年按300天計算，一年同比少發電300*24*10000=7200萬千瓦時，每千瓦時按0.3元計算，少收入2160萬元。

所以，根據以上分析，要求電力用戶及時投、退無功補償裝置是勢在必行的。

參考文獻：

[1]胡虔生，胡敏強.電機學[M].中國電力出版社.

[2]陳衍.電力系統[M].電力工業出版社.

[3]陳衍.電力系統穩態分析[J].中國電力出版社.