發電機進相能力分析與試驗

錢厚軍，吳舜華，張曉偉，張 旭，蔣 軍

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著我國電力系統的建設和發展，已基本形成高電壓、大容量、遠距離輸送的現代化電網規模。由于高壓輸電線路和電纜的數量和長度的增加，線間和線對地的電容也相應增大，從而引起系統電容電流以及容性無功功率的增長。從經濟運行的角度考慮，在節假日和系統負荷處于低谷期間利用發電機進相運行，使發電機在不影響有功功率的同時，適當吸收系統過剩的無功功率，達到平衡系統無功功率和穩定系統電壓的目的，社會效益和經濟效益十分顯著。

秦山一期30萬千瓦級發電機作為最早投入商用的核電機組，1991年首次并網發電，1993年進行了第一次進相試驗，2018年機組增容(至350 MW)后進行了第二次進相試驗。兩次試驗內容基本相同，但試驗背景發生較大變化。本文結合電網及電廠的發展，介紹兩次進相試驗的方法及條件，對本次進相深度進行計算，對試驗的結果進行對比分析評價，得出增容后發電機進相能力增強的結論。

1 進相運行工作點計算

1.1 系統、設備參數計算(2018)

(1)發電機同步電抗計算

增容后發電機視在容量SN=389 MVA，有功PN=350 MW，功率因數cosφ=0.9(滯后)，機端電壓UN=18 kV，發電機同步電抗Xd*=2.474。發電機同步電抗一次值Xd計算如下：

Xd=Xd*×UN2/SN=2.060 6

(2)主變電抗計算

主變壓器容量SN=400 MVA,高壓側電壓UHN=236 kV，低壓側電壓ULN=18 kV，短路阻抗UK*=0.14。主變電抗一次值XT為：

XT=Uk*×ULN2/SN=0.1134

(3)系統阻抗計算

將系統(不含電廠220 kV 1號發變機組)對秦山一期的系統阻抗為歸算至秦山一期1號變220 kV母線上的阻抗，為一點值，系統為無限容量；220 kV母線至主變的線路阻抗、主變至發電機的阻抗忽略不計；等值阻抗標幺值計算取基準容量Sj=1000 MVA，系統最大正常運行方式下系統電抗標幺值XS*=0.135。系統阻抗XS為：

XS=XS*×UN2/SN=0.043 73

根據上述計算參數，可繪制出系統阻抗圖，如圖1所示。

圖1 系統主接線及等值網絡圖

1.2 進相深度

根據文獻[1]，隱極發電機靜態穩定圓數學方程為：P2+[Q+c]2=r2，如圖2所示。

圖2 發電機靜穩圓

式中，P——有功功率；Q——進相無功功率；c——圓心(縱軸截距)；r——半徑.

結合秦山一期發電機特性及系統參數，機端電壓為0.9UN時，可得：c=772，r=899。

1.3 滿足動穩、靜穩條件的最大進相運行工作點計算

根據上述各計算公式，計算出最大進相運行工作點，并根據文獻[3]，列出兩次進相試驗的目標工作點，見表1。

表1 進相運行工作點計算值

2 進相試驗目的、限制條件、試驗方法及安全措施

2.1 進相試驗目的

對發電機開展進相試驗的目的：通過理論計算和實際試驗，探明發電機的實際進相能力，為勵磁系統低勵限制與發變組保護整定計算提供參考，同時也將試驗結果提供給電網調度機構。

2.2 進相試驗限制條件

開展進相試驗應首先確保機組安全穩定運行，主要限制條件如下：

1)發電機電壓不低于0.9UN，即16.2 kV；發電機功角不大于70°；發電機各部位溫度不大于120°；

2)220 kV母線電壓控制在不低于215 kV(1993年)，225～235 kV之間(2018年)；

3)6 kV廠用電電壓不低于5.9 kV，380 V廠用電電壓不低于350 V。

2.3 進相試驗方法

1)試驗前確認并記錄各項參數，包括發電機有功功率、無功功率、定子電壓、定子電流、勵磁電壓、勵磁電流、220 kV 母線電壓、發電機功角。

2)滿功率情況下進相試驗：保持機組滿功率不變，緩慢調節勵磁，逐漸減小勵磁電流使發電機無功功率逐步下降，當觸發限制條件時停止，而不必追求達到目標值。保持穩定運行1～2 h，在這期間測量記錄電氣量、功角、定子線圈、鐵心溫度、風溫。試驗開始后15 min測量記錄一次，發電機各部位溫度趨向穩定之后每5 min測量一次，發電機各部位溫度不再上升或不再變化即可認為該工況溫度已穩定。該工況結束后，增加勵磁電流使發電機恢復滯相運行。

3)75%、50%功率情況下進相試驗：保持機組75%、50%功率不變，試驗方法同上。

2.4 進相試驗安全措施

核電廠的任務是在確保核安全基礎上穩定發電，對核電機組開展進相試驗應更加保守謹慎，要特別關注以下安全措施。

1)進相試驗期間盡量維持電網電壓，確保進相深度最大時電廠各母線電壓在規定范圍內，確保核安全相關設備的可靠運行；

2)條件允許時，盡可能安排試驗按功率平臺下降開展，這種情況下發電機各部位熱量能得到較好的冷卻；

3)核電機組的自動勵磁調節器必須投入運行，試驗之前確保AVR已進行維護且功能、性能正常，以提高機組的穩定性。減小勵磁電流，使發電機進入進相運行工況時，應緩慢調節，尤其在接近試驗工況的進相無功功率數值時更應細調，以免調節過頭。調節過程中隨時注意功角的變化，若發現功角自行增大，則應立即增加勵磁電流以免發電機失步；

4)在進相試驗過程中，發電機各電氣量和冷風溫度要求保持穩定，以免試驗時間不必要的延長；

5)任何試驗工況下，定子鐵心磁屏蔽溫度不能超過限額，否則應增加勵磁電流、減小進相無功；

6)試驗時萬一滑極失步，應中斷試驗，立即采取增加勵磁電流、投入PSS、減小有功輸出等措施恢復機組穩定，如采取拉入同步措施無效，由試驗現場負責人向值長發出處理指令(停機)。

3 試驗結果分析

表2列出了兩次進相試驗實際結果，分析評價如下。

表2 進相試驗實際結果

3.1 進相能力分析

1993年試驗結果表明，在70%功率情況下能夠進相54 MVar，在50%功率情況下能夠進相58 MVar。

2018年試驗結果表明，在滿功率情況下能夠進相54 MVar，在75%功率情況下能夠進相76 MVar，在50%功率情況下能夠進相98 MVar。

3.2 首先觸發的限制條件

1993年進相試驗首先觸發的限制條件是：發電機電壓。

2018年進相試驗首先觸發的限制條件是：發電機功角。

3.3 分析與評價

兩次進相試驗，發電機各部位溫升均有較大裕量，風溫、水溫基本無變化。

2018年開展的進相試驗結果，與進相能力分析計算結果相比，較為接近，見圖2中曲線2所示。而1993年進相試驗結果與計算結果相比還有較大差距，主要是由當時的電網結構所決定的，1993年進相試驗過程中，發電機電壓(及廠用電電壓)是影響發電機進相深度的主要條件。這與秦山核電廠當時所處華東電網中的位置有關。1993年秦山核電廠處于華東電網的負荷中心，周圍無大型發電廠，當秦山核電機組進相運行時，秦山廠所需的大量無功無法就近補償，需遠距離輸送，必然造成220 kV 母線電壓、發電機電壓及廠用電電壓大幅度下降。

與1993年相比，2018年發電機采用新技術實施了增容改造，同時經過25年的發展，浙江省電網裝機容量由980萬kW增加到9565萬kW，已形成超高電壓、大容量、遠距離輸送的現代化電網的規模。2018年開展進相試驗時，無功基本實現就近平衡，220 kV 母線電壓、發電機電壓及廠用電電壓雖有所下降但已不是首先觸發的限制條件，發電機功角成了首先觸發的限制條件。發電機增容改造以及電網容量擴張，使得發電機進相能力增強，可為電網做出更大貢獻。

4 結束語

在對時隔25年開展的兩次發電機進相試驗開展分析后，指出了電網發展和設備性能提升后進相試驗限制因素的變化。試驗證明，秦山一期發電機增容改造后進相能力增強。隨著電網進一步的規劃及發展，長距離輸電和無功補償裝置增加帶來的無功過剩問題也將日益顯著。利用發電機進相運行解決該問題將會成為主流方案，但對于核電機組進相運行還需謹慎保守為先，本文提出的發電機進相能力分析計算和進相試驗安全措施可供核電同行參考。