汽輪發電機進相能力分析及試驗驗證

何子春，李養俊，張強，賀室衡

汽輪發電機進相能力分析及試驗驗證

何子春，李養俊，張強，賀室衡

（華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

發電機進相運行是發電機在保持正常有功輸出的情況下調節勵磁，使發電機欠勵磁運行，并從系統中吸收無功的一種運行方式，其進相深度一般受發電機靜態穩定極限、定子端部構件發熱等因素制約。在對發電機進相運行特征、功角變化及進相運行限制因素分析的基礎上，以某火電廠600 MW發電機組為例，分析并記錄發電機功角、定子電壓、廠用電壓等電氣量及發電機端部溫升在進相試驗中的實時數據和變化情況，驗證了發電機進相運行深度及其限制因素，檢驗了自動勵磁調節器在進相運行中的調節性能及穩定性，為發電機組后續進相運行實踐提供數據支撐，提出的改善策略可有效提升機組進相運行能力。

汽輪發電機；進相能力；試驗驗證；改善策略

0 引言

隨著電力技術發展的日新月異，電網規模 迅速增大，輸電電壓等級越來越高，特別是超高壓、直流輸電技術的廣泛推廣，使得大容量發電機組投產后運行安全穩定性顯得尤為重要。若繼電保護因安全自動裝置誤動或因過載動作引發潮流大規模轉移，將造成原本已經重載的線路或變壓器出現過載，最終導致聯鎖事故或大停電[1]。目前，電網系統內由無功功率過剩引起局部電 網電壓偏高的問題已愈加突出，給電網的無功 調節和電壓控制帶來了新的挑戰。當前普遍采用以大型發電機組進相運行吸收剩余無功功率的電壓控制技術，該技術得到業內人士的認可和電力試驗研究部門的重視[2]。而進相運行驗證考核試驗已成為發電機組轉入商業運行的主要涉網試驗之一。

進相運行是指發電機機端電流相位超前機端電壓，從系統吸收無功功率的運行狀態[3]，是目前維持電網電壓及無功平衡的主要運行方式。大型發電機作為支撐電網的主力機組，必須具備較強的進相運行能力，以靈活參與電網側的無功調節，確保電網電壓維持在安全范圍內[4]。

本文以某大型火力發電廠600MW汽輪發電機組的進相運行現場考核為例，通過實際進相運行試驗，分析驗證不同負荷工況下制約發電機進相運行深度的限制因素和邊界條件，記錄機組進相運行數據，為今后機組進相運行控制提供借鑒，并為改善機組進相運行能力提供新的思路。

1 系統及設備概況

某大型火力發電廠為2′600MW燃煤亞臨界空冷發電機組，發電機為QFSN-600-2型水氫氫汽輪發電機，其主要技術參數見表1。主變壓器為DEP-240000/330型油浸式分相變壓器，高廠變為SFF-63000/20型油浸式分裂變壓器。勵磁系統選用ABB公司UN-5000型微機自動勵磁調節器。發電機出口電壓為20kV，采用機端自并勵接 線方式，發電機-變壓器組以單元3/2方式接入330kV系統。

表1 發電機主要技術參數

2 發電機進相運行特征

發電機進相運行是根據電網需求所采用的一種運行控制技術，其運行能力主要由發電機本體電氣性能決定。在發電機穩定運行時，定子端部鐵心和金屬結構件的溫度會升高[5]。在發電機磁通(包括勵磁磁通、電樞反應磁通、定子漏磁通和轉子漏磁通)中，定子和轉子漏磁通合成端部漏磁，是引起定子端部鐵心和金屬結構件發熱的內在因素。端部漏磁也是旋轉磁場，在空間上與轉子同步旋轉，并切割定子端部各金屬部件，感應的渦流和磁滯損耗引起金屬結構件發熱[6]。

發電機端部磁通隨功率因數變化情況如圖1所示，c為定子磁勢在該點產生的磁密a與轉子磁勢在該點產生的磁密b的矢量和。在保持相同的轉速和電壓下，當功率因數由遲相轉為進相運行時，若定子電流大小不變(即圖中不變)，則長度亦不變，但按逆時針方向移動到￠點，相應的移到￠，此時，￠>，即定子端部的磁密增加，在近似計算中可認為溫度與磁密c2成正比，也就是在從遲相轉入進相時，應考慮定子邊段鐵心和端部結構件溫度的上升[7]。

圖1 發電機端部磁通隨功率因數變化情況

3 發電機進相運行試驗功角計算

發電機進相運行時處于低勵磁運行狀態，此時電勢降低，電磁轉矩減小，功角增大，隨著有功負荷的增大，機組更易失穩[8]。依據《同步發電機進相試驗導則》(DL/T 1523—2016)，汽輪發電機進相運行要求[9]如下：

1）試驗機組選擇的有功工況應包括機組正常運行功率的最大值和最小值，中間點可根據機組穩定運行情況選定，總工況點應不少于3個，宜由低至高進行試驗。

2）汽輪發電機組進相試驗工況宜為50%、75%、100%額定有功功率。每一種工況下的試驗應包括遲相、零無功、進相3種狀態(進相工況應達到進相限制條件)。

基于上述規定，根據電機學原理功角計算公式(1)[10]，可計算出不同進相無功目標值下對應的功角值，見表2。

式中：為發電機有功功率，MW；為發電機無功功率，Mvar；為發電機定子電壓，kV；d為發電機同步電抗的有名值，W。

表2 不同負荷工況下的功角計算值

根據電力系統關鍵電氣設備元件有名值計算公式，可由發電機同步電抗相對值d%求得發電機同步電抗有名值d如下：

式中：G為發電機機端電壓，kV；G為發電機視在功率，MVA。

4 影響發電機進相運行的制約因素

恒有功發電機轉入進相運行時，處于低勵磁狀態，發電機靜穩定裕度減小，運行易失穩，發電機定子端部漏磁也趨于嚴重，損耗增加，其進相容量(和)由靜穩極限、定子過流和定子鐵心端部過熱三者中的最小限值確定[11]。

發電機進入進相運行后，由于處于低勵狀態，機端電壓將會降低并引起廠用電壓相應下降，使得同等負荷下廠用輔機電動機運行電流增大，嚴重時會造成電動機和廠用電過負荷。因此必須監控或限制發電機機端電壓和廠用電壓下降幅度，即發電機機端電壓和廠用電電壓要求保持在額定值的95%以上，母線電壓不低于0.95e(e為母線額定電壓)；發電機定子電流不高于1.05e(e為發電機額定電流)；發電機功角不大于70°[12]。

自動勵磁調節器的投運雖不是進相運行的必要條件，但卻能使穩定極限功角lim顯著提高，即lim>90°。因而可大大提高機組的進相運行能力，增加了機組的靜穩定儲備系數[13]。

發電機進相運行造成定子端部結構件發熱，這是由發電機勵磁電流變化引起的。勵磁電流的磁通匝鏈在端部鐵心形成漏磁通，此漏磁通在端部鐵心中引起渦流，從而導致端部發熱。當發電機從滯相轉入進相時，勵磁電流從大變小，漏磁通則由小變大，使端部結構件發熱增加。另外，發電機在欠勵狀態下，定子電流的電樞反應由去磁作用變為助磁作用，并疊加到轉子電流的磁力線上，磁密增加，致使定子端部結構件發熱，從而引起端部溫度升高[14]。

依據技術說明書，發電機本體(包括定子鐵心及端部結構件)各測點溫度限值見表3。

表3 發電機各測點溫度限值

5 不同有功負荷下進相運行數據采集

在進相運行驗證試驗中，確認低勵限制單元動態試驗已完成，限制功能動作正確并可靠投入；發電機失磁保護只投信號；陪試機組帶有功負荷350MW，無功負荷168Mvar，且在自動模式下穩定運行。

根據機組出力情況，本次進相試驗分別在50%、75%和86%(機組出力受限)有功負荷下進行進相運行驗證。進相運行試驗數據見表4，發電機端部溫度與進相深度變化對比見表5。

表4 不同有功負荷時的進相運行試驗數據

表5 發電機端部結構件溫度與進相深度變化對比

6 進相運行試驗數據分析

2）定子電流在實際進相運行中裕度較大，不是進相運行的主要限制因素，但在大負荷特別是滿負荷運行時，需要加強監控。

3）發電機進相試驗中功角最大值僅為66.5°。由于微機勵磁調節器在自動方式下其穩定運行功角可以達到90°，因此此運行功角離失穩值有較大裕度，不是機組進相運行的限制因素，但進相運行中有必要進行監控。

4）被試發電機功率因數在不同工況中變化很小，且與發電機-曲線所給出的出廠數據相差很大，遠未達到0.97的限值，所以功率因數不是影響發電機進相深度的限制因素，但在單臺機組運行時需要加強監控。

5）被試發電機在正常運行過程中，發電機端部溫度高于并列機組5℃左右，且在進相試驗中，發電機端部溫升較少(發電機端部溫度最高僅61.9℃)，遠未達到發電機廠家給出的溫度限值(120℃)，裕度很大。根據表5可知，隨著機組負荷的升高，進相深度對發電機溫升有一定影響，但發電機溫升對進相深度的限制很小。因此，溫升不是被試發電機進相深度的限制因素。

6）隨著進相深度增加，定子電壓降低較快，并最先降到0.95￠e(￠e為發電機定子額定電壓)。盡管由于并列機組在進相試驗過程中較大幅度地支撐了無功輸出，穩定了330kV系統電壓，也從一定程度上減緩了被試發電機機端電壓的下降，但如果并列機組不參與無功調節，隨著進相深度增加，特別是滿負荷工況下，被試發電機定子電壓將會更大幅度地下降，這必將是影響發電機組進相運行深度的最重要因素，因此須重點監控。

10kV廠用電電壓在試驗中下降較少，主要是由于并列機組的無功支持和被試機組高廠變、高公變分接擋位較高(已由中間擋3擋調至4擋)。當并列機組不參與無功調節，特別是被試機組滿負荷工況下，10kV廠用電電壓的大幅下降也將是影響發電機進相深度的一個重要因素，需要重點監控。

400V廠用電源電壓在進相試驗過程中降低比較嚴重，在離進相無功目標值還有很大差距時，隨著發電機定子電壓的降低(低于19kV)，380V電壓接近361V，已達到進相運行的電壓限制值。400V電動機繼電保護配置為過負荷保護、電流速斷保護和單相接地零序過流保護，若定值計算或整定難以保證可靠性，極易造成跳閘[15]。因此，400V廠用電電壓是進相運行最重要的制約因素。

7）本次試驗過程中，失磁保護(信號)未動作，表明在以上試驗工況下，本臺發電機現有的進相深度未影響機組的安全穩定運行，失磁保護定值整定基本適當，能滿足機組目前進相運行可靠性要求。

他是中國食品毒理學學科的創始人之一，是國內外享有盛譽的營養和食品安全專家。為了在國際食品法典活動中捍衛中國利益，陳君石以充分的數據，挫敗了歐洲國家制定醬油中氯丙醇限量標準的動議。他還開創了由中國牽頭起草國際食品標準的先河，并為中國“入世”后應對食品進出口的非關稅壁壘措施作出重要貢獻。

7 改善機組進相深度策略

1）在驗證試驗過程中，由于陪試機組參與系統電壓調節，因此發揮陪試機組系統的電壓調節和支撐作用，可以明顯提升機組的進相能力。

2）考慮到進相運行中會有較大容量電機啟動、電源切換或短路故障等引起廠用電電壓突然降低等偶發因素，從而引發個別輔機跳閘并危及機組安全穩定運行的意外風險，被試發電機實際進相運行深度和連續進相運行時間都需要綜合考量，須首先以保證機組安全穩定為前提。當然，如果提前切換廠用電源，進相深度將會有顯著的改善。

3）如果將主變擋位由中間擋3擋調至2擋，提高發電機機端電壓和廠用電壓的水平，或調低高廠變、低壓廠用變分接擋位，抬高重要負荷或負荷較大廠用工作段電壓，均可改善發電機進相深度，但需要對整個電源系統進行綜合考量，防止低負荷時配電段電壓高超限。

4）對低壓廠用電接線方案專題優化[16]，合理分配廠用工作段負荷，確保各配電段負荷基本均衡，避免在進相運行中因某一配電段電壓下降太快，而成為制約機組進相運行的限制因素。

8 結論

本文在對發電機進相運行特征、功角變化及進相運行限制因素分析的基礎上，以某火電廠600MW發電機組實際進相運行試驗數據為例進行分析，得出以下結論：1）陪試機組參與系統電壓調節，可明顯提升機組的進相能力；2）廠用電電壓突然降低等偶發因素同樣影響機組進相深度；3）合理調整主變擋位、低壓廠用變分接擋位，均可改善發電機進相深度；4）廠用工作段負荷的合理分配，也可改變機組進相運行的限制因素。

試驗中由于被試機組鍋爐機務原因限制了機組出力，所以未進行滿負荷工況下的進相運行深度驗證，也未記錄發電機組滿負荷工況下的進相運行數據，但仍可作為被試機組85%以下負荷工況的進相運行例證。后續根據電廠實際擇機開展100%負荷工況下的進相運行驗證試驗，以獲得機組完全進相運行數據，以期作為機組今后進相運行的數據支撐和改善進相深度的參考依據。

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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，高級工程師，從事高低壓電氣試驗、發電廠啟動調試和技術監督管理工作；

李養俊(1985)，男，碩士，工程師，從事電氣試驗及技術監督管理工作，elitist21@qq.com。

何子春

(責任編輯 楊陽)