龍溪水電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行可行性試驗(yàn)

陳照暉

【摘 要】本文闡述了天臺(tái)龍溪水力發(fā)電站為滿足臺(tái)州電網(wǎng)提高供電質(zhì)量的要求，在報(bào)廢重建后的機(jī)組是否具備進(jìn)相運(yùn)行能力，以及進(jìn)相深度多少等方面進(jìn)行的探索。根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》和龍溪電站機(jī)組的實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算結(jié)合進(jìn)相運(yùn)行限制條件，先行確定最大進(jìn)相深度，然后按50%、80%、100%額定有功功率下進(jìn)相無(wú)功從小到大的順序分階段進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了機(jī)組各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足要求，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，進(jìn)相深度可達(dá)2×2.5MVar。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)組；進(jìn)相運(yùn)行；進(jìn)相深度；可行性試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0074-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.032

發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行是改善電網(wǎng)無(wú)功潮流分布、提高電網(wǎng)供電質(zhì)量、調(diào)控電網(wǎng)電壓等最經(jīng)濟(jì)、最便捷的技術(shù)措施，能夠靈活、快速有效地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，從而提高供電質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的工作原理

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，向系統(tǒng)提供有功的同時(shí)還提供無(wú)功，定子電流滯后于端電壓一個(gè)角度，此種狀態(tài)即遲相運(yùn)行。當(dāng)逐漸減少勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)從向系統(tǒng)提供無(wú)功而變?yōu)閺南到y(tǒng)吸收無(wú)功，定子電流從滯后而變?yōu)槌鞍l(fā)電機(jī)端電壓一個(gè)角度，此種狀態(tài)即為進(jìn)相運(yùn)行[1]。具體原理分析如下：

圖1為龍溪電站水輪發(fā)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)示意圖，發(fā)電機(jī)G發(fā)出6.3kV電壓經(jīng)變壓器升壓到110kV，通過(guò)龍平1834線連接于臺(tái)州電網(wǎng)S。忽略發(fā)電機(jī)電樞電阻，其等值電路圖如圖2，E為發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)，I為發(fā)電機(jī)輸出電流，U為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，Xg為發(fā)電機(jī)同步電抗。

發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)和機(jī)端電壓的關(guān)系式為式（1）[2]：

=-JXg（1）

根據(jù)式（1）可作出發(fā)電機(jī)在各種運(yùn)行狀態(tài)下的矢量圖，如圖3。

當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度不變時(shí)，則發(fā)電機(jī)輸出有功功率不變，即

P=3UIcosφ=常數(shù)（2）

和Pg=3（EI/Xd）sinδ=常數(shù)（3）

式（2）、式（3）中：P為發(fā)電機(jī)輸出有功功率，Pg為發(fā)電機(jī)電勢(shì)功率，cosφ為發(fā)電機(jī)輸出功率因數(shù)，δ為發(fā)電機(jī)功角。由于發(fā)電機(jī)并列在電網(wǎng)中運(yùn)行，所以，U、Xg基本不變，故

Icosφ=常數(shù)（4）

Esinδ=常數(shù)（5）

從式（4）、式（5）可以得知在上的投影和在垂線上的投影都是常數(shù)。從圖3的矢量圖可以看到，當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使電勢(shì)、定子電流都發(fā)生變化，和頂端的軌跡都在一條直線上。圖中A-A是頂端的軌跡線，B-B是頂端的軌跡線。發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有以下三種：

圖3 發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)矢量圖

第一種狀態(tài)，正常勵(lì)磁時(shí)1，發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為1，此時(shí)功率因數(shù)cosφ=1，定子電流=1全為有功電流。發(fā)電機(jī)電抗上的壓降為j1Xg，功角為δ1，此運(yùn)行方式下，發(fā)電機(jī)只發(fā)有功功率。

第二種狀態(tài)，在正常勵(lì)磁基礎(chǔ)上，增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為2，2>1，定子電流增加，2>1，功率因數(shù)cosφ滯后，功角減少到δ2，發(fā)電機(jī)電抗上的壓降為j2Xg。此時(shí)，發(fā)電機(jī)除發(fā)出有功功率外還將送出感性無(wú)功功率，此運(yùn)行方式為“過(guò)勵(lì)”，即遲相運(yùn)行。

第三種狀態(tài)，在正常勵(lì)磁基礎(chǔ)上，減少發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為3，3<1，定子電流也增加，3<1，功率因數(shù)cosφ超前，功角增大到δ3，發(fā)電機(jī)電抗上的壓降為。此時(shí)，發(fā)電機(jī)除發(fā)出有功功率外，還吸收感性無(wú)功功率，此運(yùn)行方式為“欠勵(lì)”，即進(jìn)相運(yùn)行。

勵(lì)磁電流不斷減少，功角δ不斷增大達(dá)到90°，這是一種極限狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組一般不允許在極限狀態(tài)下運(yùn)行[4]。

2 龍溪電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)的背景

天臺(tái)縣龍溪水電站是臺(tái)州地區(qū)目前裝機(jī)容量（2×9MW）最大的水電站，1990年投產(chǎn)以來(lái)，承擔(dān)著臺(tái)州電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)。根據(jù)當(dāng)時(shí)的社會(huì)形勢(shì)，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有考慮進(jìn)相運(yùn)行。2016年開(kāi)始，龍溪電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)行報(bào)廢重建，龍溪電站機(jī)組報(bào)廢重建完成以后，組織了設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)廠家和電站等技術(shù)人員，對(duì)機(jī)組是否具備進(jìn)相運(yùn)行能力進(jìn)行了可行性分析，得出結(jié)論是：少量進(jìn)相運(yùn)行是可行的，具體進(jìn)相深度需要通過(guò)確定。

3 發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)限定值的確定

制約發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的主要因素有：系統(tǒng)穩(wěn)定的限制；發(fā)電機(jī)定子端部件溫度的限制；定子電流的限制；廠用電電壓的限制。為了保證龍溪電站進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)的安全、穩(wěn)定、順利，進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)前，電站技術(shù)人員會(huì)同設(shè)計(jì)和各有關(guān)廠家對(duì)進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)的限定值進(jìn)行了計(jì)算確定。

（1）進(jìn)相深度的確定：

發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為：

P=3UIcosφ（6）

發(fā)電機(jī)進(jìn)相吸收的無(wú)功功率為：

Q=3UIEsinφ（7）

根據(jù)式（6）、式（7），畫(huà)出P-Q-φ的關(guān)系圖，如圖4。

根據(jù)進(jìn)相運(yùn)行原理和圖4分析，可以得出：在保持有功功率不變時(shí)，減少勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)的功角增大，功率因數(shù)角φ增大（從φa增大到φb），功率因數(shù)減少，發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率Q增大（從Qa增大到Qb），即進(jìn)相深度加大。

受系統(tǒng)穩(wěn)定的限制，發(fā)電機(jī)必須在靜態(tài)穩(wěn)定曲線限制范圍內(nèi)運(yùn)行。為確保發(fā)電機(jī)運(yùn)行中不失步，按照發(fā)電機(jī)制造廠家提供的技術(shù)資料，功角δ應(yīng)小于45°，結(jié)合臺(tái)州供電局的要求，確定本次試驗(yàn)最大進(jìn)相深度限制在發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷時(shí)進(jìn)相功率因數(shù)cosφ在0.95以內(nèi)。在額定負(fù)荷時(shí)最大吸收無(wú)功功率計(jì)算式如下[2]，式（8）。

龍溪電站單臺(tái)機(jī)組額定功率為P=9MW，功率因數(shù)cosφ按0.95計(jì)算，代入式（8），得出Q=2.96Mvar?？紤]龍溪電站發(fā)電機(jī)是利用老機(jī)組改造，為了安全穩(wěn)定，最后確定：按照在額定負(fù)荷時(shí)的最大進(jìn)相深度為2.5Mvar進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）發(fā)電機(jī)進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓會(huì)降低。根據(jù)調(diào)度曲線要求，試驗(yàn)時(shí)保證6.3kV機(jī)端母線電壓不低于額定值的90%，即不低于5.67kV。

（3）由于進(jìn)相運(yùn)行，發(fā)電機(jī)端部漏磁通增大，將引起端部鐵心及鐵構(gòu)件發(fā)熱 。根據(jù)發(fā)電機(jī)定子絕緣等級(jí)允許溫度的要求，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保定子端部結(jié)構(gòu)件的溫度不超過(guò)120℃，防止溫升過(guò)高而危及機(jī)組的安全運(yùn)行。

（4）進(jìn)相運(yùn)行勵(lì)磁電流應(yīng)在低勵(lì)限制線以內(nèi)，一般低勵(lì)限制為額定勵(lì)磁的20%（或稍高）。

4 發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)

為保證進(jìn)相試驗(yàn)順利進(jìn)行，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，同時(shí)保證試驗(yàn)時(shí)的機(jī)組和電網(wǎng)安全， 根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 507-2014）中的規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)組無(wú)功進(jìn)相試驗(yàn)按50%、80%、100%額定功率分階段進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 進(jìn)相試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)前，由勵(lì)磁廠家對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的欠勵(lì)限制值設(shè)置在一定的數(shù)值（滿足進(jìn)相無(wú)功值要求），退出機(jī)組失磁保護(hù)，勵(lì)磁系統(tǒng)以恒機(jī)端電壓運(yùn)行方式運(yùn)行。

（2）進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)按表1的P-Q值從小到大的順序，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)帶不同的有功功率，分別在每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，維持有功功率不變，調(diào)整勵(lì)磁電流使無(wú)功功率達(dá)到表1的無(wú)功值。

（3）由運(yùn)行人員在每一有功負(fù)荷的第一試驗(yàn)點(diǎn)（功率因數(shù)為1.0）和進(jìn)相運(yùn)行最深一點(diǎn)時(shí)記錄有功功率、無(wú)功功率、定子電壓、定子電流、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)子電流及定子線圈和鐵芯的溫度。

（4）在每一有功負(fù)荷下做完進(jìn)相試驗(yàn)后，先增加勵(lì)磁電流，將發(fā)電機(jī)拉入遲相運(yùn)行狀態(tài)，然后才能調(diào)節(jié)有功負(fù)荷，進(jìn)行下一個(gè)工況的試驗(yàn)。

4.2 進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)的異常處理

（1）在試驗(yàn)過(guò)程中，密切注意發(fā)電機(jī)定子鐵芯、定子線圈、定子鐵芯端部溫度變化情況，當(dāng)溫度升高較快、達(dá)到限制點(diǎn)時(shí)，立即將發(fā)電機(jī)拉回至遲相運(yùn)行狀態(tài)。

（2）進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓將降低，導(dǎo)致廠用母線電壓下降，在試驗(yàn)時(shí)要密切監(jiān)視廠用電壓的變化情況，當(dāng)400V廠用電電壓降低到360V時(shí)，停止試驗(yàn)并增加勵(lì)磁。

（3）機(jī)組在進(jìn)相試驗(yàn)過(guò)程中，一旦發(fā)生失磁，應(yīng)迅速恢復(fù)勵(lì)磁，如果失敗應(yīng)立刻跳閘停機(jī)。

（4）試驗(yàn)中，如果發(fā)生機(jī)組電氣量、溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)超過(guò)允許范圍，立即停止試驗(yàn)。

（5）試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)失磁、低勵(lì)或其他保護(hù)動(dòng)作，由勵(lì)磁或保護(hù)廠家技術(shù)人員調(diào)整低勵(lì)限制整定曲線及保護(hù)定值。試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)調(diào)度要求，發(fā)電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

5 進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果分析

龍溪電站的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組在枯水期、電網(wǎng)允許的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為22℃。試驗(yàn)過(guò)程記錄了各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2所列為發(fā)電機(jī)在輸出額定有功功率時(shí)最大進(jìn)相無(wú)功功率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在給定額定有功功率9MW，進(jìn)相無(wú)功功率2.5Mvar的工況是機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的最差工況，根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)與限制條件進(jìn)行比較可見(jiàn)：

1號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行11個(gè)小時(shí) ：110kV母線電壓為112.82kV，發(fā)電機(jī)機(jī)端母線電壓為5.92 kV，不低于限制條件的5.67kV；發(fā)電機(jī)定子電流為746.2 A，小于發(fā)電機(jī)的額定電流1082A；定子線圈和定子鐵芯六個(gè)測(cè)溫點(diǎn)最高溫度分別為55.8℃、49.1℃，空冷器熱風(fēng)溫度最高為40.8℃，在允許的限制范圍內(nèi)。

2號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行了7個(gè)小時(shí)，110kV母線電壓為113.80 kV，機(jī)端母線電壓為5.88 kV，不低于限制條件的5.67kV；發(fā)電機(jī)定子電流792.1 A，小于發(fā)電機(jī)的額定電流1082A；定子線圈和定子鐵芯六個(gè)測(cè)溫點(diǎn)最高溫度分別為49.2℃、44.6℃，空冷器熱風(fēng)溫度最高為37.7℃，在允許的限制范圍內(nèi)。

發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行過(guò)程，運(yùn)行安全穩(wěn)定，各導(dǎo)瓦溫、油溫、機(jī)組振動(dòng)擺渡都在允許范圍內(nèi)，廠用電最低電壓367V，在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生異常情況。

試驗(yàn)結(jié)束后，勵(lì)磁廠家按照額定輸出有功功率進(jìn)相無(wú)功功率為2.5Mvar的工況時(shí)，監(jiān)視的數(shù)據(jù)，對(duì)低勵(lì)限制進(jìn)行了整定。試驗(yàn)人員和運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了全面檢查，一切正常。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次進(jìn)相運(yùn)行可行性試驗(yàn)，證實(shí)了龍溪電站水輪發(fā)電機(jī)組完全滿足進(jìn)相運(yùn)行要求，進(jìn)相深度可達(dá)2×2.5MVar。運(yùn)行值班人員全程參與了試驗(yàn)過(guò)程，全面了解了進(jìn)相運(yùn)行的限制條件，掌握了進(jìn)相運(yùn)行的方法和技術(shù)，摸清了機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行性能。由于龍溪電站發(fā)電機(jī)組是在老機(jī)組的基礎(chǔ)上改造而來(lái)，在結(jié)構(gòu)上和新設(shè)計(jì)具備進(jìn)相運(yùn)行能力的機(jī)組有所差別，在今后運(yùn)行中，應(yīng)盡量在遲相工況下運(yùn)行，如果在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，需要進(jìn)相運(yùn)行，必須在調(diào)度的指令和許可下進(jìn)行，進(jìn)相深度最高不得超過(guò)2×2.5MVar。龍溪電站機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的試驗(yàn)也說(shuō)明了機(jī)組報(bào)廢重建，增效擴(kuò)容后，只要嚴(yán)格認(rèn)真做好各項(xiàng)安全、組織及技術(shù)措施，盡管是舊機(jī)組改造也是可以進(jìn)相運(yùn)行的。

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