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1、汽轮发电机进相运行分析韦 XX 河南省 XX 市热电厂（ 457000）摘要：汽轮发电机进相运行已逐步成为调节系统无功和电压的极为有效的方法，本文着重从 汽轮发电机进相运行的必要性、进相运行状态分析、运行特点及措施、现场进相运行注意事 项、进相限额、经济性等方面进行了较为详细的分析。关键词：迟相运行、进相运行、励磁电流、定子端部、静态稳定性、功角特性曲线、定子过 电流、发电机运行容量图、进相限额1 概述随着大机组、大容量电厂并入电网运行的数量增加，高压输电线路的输送距离和电压等 级的不断提高，使得电网充电无功功率日益增大。根据理论计算可以得出，110KV、220KV、 500KV线路每公里充电
2、无功功率分别约为34kvar、130kvar、lOOOkvar。在电网低谷时间，轻 载长线路或部分网路的容性无功功率可能超过用户的感性无功负荷和网络无功损耗之和。以 至于会因电容效应引起运行电压升高，甚至造成某些枢纽变电站的母线电压超过规定的上限 值，直接影响了电网的电能质量和电气设备的安全经济运行。因此急需采取有效而合理的降 压措施。根据无功电力分层和分区就地平衡的原则，通常采用装设并联无功补偿电抗器或调 相机的方法，不仅设备投资大、周期长，而且受到现有场地的限制，无法在短时期内解决调 压问题。而发电机进相运行则是充分利用现有设备的一种调压手段，具有无需增加设备投资、 运行操作方便灵活、安全
3、经济、无级平滑调压的特点，逐步成为电力系统发展和运行需要的 一种必要的调压措施。2 发电机进相运行的状态分析发电机在通常的迟相运行状态时，定子电流滞后于端电压，处于过励磁运行状态。而发 电机在进相运行状态时，定子电流则超前于端电压，处于欠励磁运行状态。发电机直接与无 限大容量电网并联运行，保持其有功负荷恒定，调节励磁电流可以实现这两种运行状态的互 相转换。发电机迟相和进相运行时的相量图参见图 1。在图1中，假定发电机直接接在无限大容量系统，其端电压U保持恒定。调节励磁电流 If,在U不变的条件下，随着Eq的变化，G角也发生变化。如果增加励磁电流If，Eq变大， 此时I滞后于U,即功率因数角是滞
4、后的，发电机向系统提供有功功率和感性无功功率（有 功功率和无功功率表均指示正值），称为迟相运行。反之，如果降低励磁电流 If， Eq 变小， 此时功率因数角就变成超前的，发电机向系统提供有功功率和容性无功功率（有功功率表指 示正值，而无功功率表指示负值），称为进相运行。可以看出，发电机进相运行时各电磁参数仍然是对称的，并且发电机仍然保持同步转速, 因而是属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况，只是拓宽了发电机通常 的运行范围。所以，在允许的进相运行限额范围内，只要电网需要是可以长时间运行的。（a）迟相运行（b）进相运行图1发电机迟相和进相运行相量图3发电机进相运行的特点及措施3.
5、1定子端部铁芯和金属结构件的温度增高汽轮发电机的转速高，体积小，对其端部线圈采用金属材料做成的压板、支架和护环等 进行紧固。发电机稳定运行时，漏磁通在定子端部压板和铁芯等金属部件中产生由于损耗而 引起的发热，进相运行时，其端部的漏磁通增高引起发电机定子端部铁芯和金属结构件发热 增加。一般采取如下一些措施减少发热：（1）定子铁芯端部做成阶梯齿。（2）定子端部结构 件采用无磁性铸钢或无磁性铸铁压指，齿压板选用无磁性钢，螺杆、螺帽都用青铜或无磁性 不锈钢。（3）在可能发热的压圈上放上导电性能好的金属板做成电屏蔽，在铁芯端部压指与 压圈之间装设磁屏蔽。发电机端部漏磁的大小还与发电机定子电流值及功率因数
6、有关。为使定子端部温度不超 过规定值（我国规程为130C）,进相运行的深度必须由现场试验确定。3.2发电机进相运行时静态稳定性下降发电机静态稳定的判据为dPM/dS。当dPM/d8=0时，发电机达到静态稳定极限；当 dPM/d60时，发电机能保持静态稳定；当dPM/dS90 ，如图3所示，电磁输出功率最大值的 出现明显偏置于90后，通过试验，最大可达到100。，发电机不失去稳定。故可以得出如下 结论：(1) 自动调整励磁装置后，进相能力明显增加；(2) 发电机短路比大(Xd小)，进相能力就强；(3) 发电机与系统联接紧密时，进相能力强；(4) 系统电压越高，无功储备越大，则发电机进相时端电压下
7、降越少，发电机进相运0 5 1 290180行能力强。图2 不同励磁电流下发电机的功角特性曲线（EqlEq2Eq3Eq4 ）图3发电机带自动励磁调节器运行的功角特性3.3发电机进相运行时暂态稳定性下降保持相同的有功功率输出不变，发电机进相运行较滞相运行时的功角要大，当系统遭受 大干扰时，对于相同的故障切除时间，运行功角大对应的减速面积（即发电机转子在减速过 程中能量归还系统，减速转矩对转子所做的功）小，当减速面积小于加速面积（即发电机转 子在加速期间贮存的动能，加速转矩对转子所做的功）时，发电机则失去暂态稳定。提高暂态稳定的极为重要的措施是保证自动调整励磁装置良好投入运行。当系统遭受大 干扰时
8、，借助于自动调整励磁装置提供的制动转矩，可以使发电机暂态稳定性得以提高。3.4发电机定子过电流如图4所示，根据发电机输出有功功率公式P=U I cos 和电磁功率PM=EqUsin 6 /Xd， 在假定U不变的前提下，要保持有功功率P不变，则要求Icos和Eqsin6/Xd不变，相当 于AB区间间距不变，在=0。时，定子电流I最小。迟相运行时，定子电流随着励磁电流 的上升而增加。进相运行时，定子电流随着励磁电流的下降而增加。这样就形成了图5的I-If 曲线，即发电ABjI2Id图4不同功率因数下的电势相量图图5发电机“U”形曲线机“U”形曲线。从曲线上可以看出，发电机在有功功率较高的情况下进相
9、运行，定子过电 流的可能性较大，而实际上进相运行时的端电压要比迟相运行时低，所以定子过电流的可能 性会更大，在进相运行时要特别注意定子过电流问题。3.5厂用电电压下降大型汽轮发电机组一次接线一般为单元式，出口带高压厂用变压器。根据火力发电厂 厂用电设计技术规定，厂用电的电压应其额定值的5%之间。如果发电机采用进相运行，必 然会引起出口电压下降并导致厂用电电压下降。为了防止这种情况出现，可以采用下列方法 来解决。（1）减少进相运行的深度，满足厂用电要求；（2）改变厂用变压器分接开关的位置；（3）将厂用电倒至备用变压器，但倒至备用变压器后，会对厂用电系统的灵活性、可靠性产生一定的影响，不宜长期采用
10、。3.6 定子铁芯振动增大定子铁芯的振动主要是由电磁力所引起的，该电磁力使铁芯产生2f和2kf频率的振动（f 为50HZ）,而且随着进相深度的增加而增大。如果铁芯的振动过大，会引起硅钢片的磨损、 铁芯冲片齿部产生断裂、槽契磨损使导体压紧力减小等问题。严重时，会导致线棒磨损产生 接地短路的故障和其它恶性事故的发生，因此必须在进相试验中对振动数值进行严格的测量。4 发电机运行容量图和进相限额4.1 发电机运行容量图发电机运行容量图表达了发电机在端电压和冷却介质温度为额定值的条件下，其有功功 率和无功功率的关系。由此可以表明发电机在功率因数变化的不同工况下，保证长期安全运 行所允许的运行限额值。以图
11、 6隐极同步发电机运行容量图为例分析如下：（1）滞相运行范围 隐极发电机滞相运行并保持冷却介质温度不变时，为了保证定子、转子绕组的温升不超 过允许值而造成过热，其定子、转子电流不得超过额定值。如图 6所示，以 B 点为圆心，以 线段AB为半径作转子额定电流圆弧AC,以0点为圆心，线段OA为半径作定子额定电流 圆弧ADGK，在两个圆弧的交点A，发电机定子、转子电流同时达到额定值。当cos申降低（申 角增大）时，由于受转子电流限制，发电机运行点不能超过弧线AC，C点为cos申=0时发电 机发出的无功功率最大值，此时定子绕组未充分利用。当cos申升高（申角减小）时，发电机 电枢反应减小，所需的励磁电
12、流减小，故励磁电流不成为限制因素。但是，此时要受到定子 电流的限制，发电机的运行点不能超过弧线ADGK，此时转子绕组又未充分利用。对于发电 机的有功功率，则不能超过汽轮机的额定功率，因此过D点后继续提高cos申时，还要受到原 动机出力限制线DF的限制。综上所述，发电机的滞相运行范围为OEDACO围成的闭合区域。实际上，运行中的发 电机总是会有些饱和，此时的P和Q值由实测发电机的调整特性曲线求得。（ 2）进相运行范围发电机转入进相运行时，发电机静稳定裕度减小，定子端部漏磁损耗增加，进相容量主 要是由定子铁芯端部过热、定子过电流或静稳定极限三者中的最小值来确定的。发电机定子 端部温升很难准确计算出
13、某一点的温升，一般估算端部发热限制线是以图6中直线KJ来控 制的。K点坐标为发电机在额定有功功率（P=Pn）运行于cos申=0.95 （超前）时的值。J点坐 标在一Q轴上，其数值一般可取该发电机运行在cos申=0.8(滞后)时发出的无功功率值，即按 0.6Sn确定。在不带自动调整励磁装置的条件下，发电机进相运行限额通常以10%额定有功功率作为 静稳定储备，其作法是：以图6中B点为圆心，线段BH为半径画弧，再由0.9Pn处作与横 轴平行的直线与圆弧相交于H点，由此即可求出静稳定储备为10%Pn的静稳定容量限制线 FL。图6隐极同步发电机运行容量图我们也可以用功角6=70的直线作为静稳定容量限制线
14、，见图6中直线BB，此时发电 机的静过载能力K=1/ (sin70) =1.06，可以有6%的静稳定储备。对于进相运行中的发电机 要以此作为限制条件，去控制发电机的励磁电流，当功角超过70。时，动作于增加励磁电流以 阻止功角6增大，限制其进相深度。若发电机经联系电抗X S并入大电网，则其静稳定极限容量降低。由于X SH0,在P、 ESESQ功率平面图上的静稳定限制线不再是一条直线而是图6中的RP弧线。在有功功率P和电 压U为某一恒定值的条件下，可以计算出此时发电机能吸收的无功功率值。图6中曲线RP 为X SH0, U=1时静稳定限制的容量曲线，它表明由于X S的影响，在同样的有功功率值下,ESES发电机吸收无功功率的能力降低，即发电机保持静稳定的功角值减小。曲线 MN 为允许最小的励磁电流限制线，一般以 10%的额定电流考虑。4.2 发电机进相运行限额上述计算得到的发电机进相静稳定限额值仍与实际测量结果相比较误差较大。造成这种 情况的原因是电压 U 是一个变量，同时，制造厂提供的发电机同步电抗 Xd 值一般是设计数 据，并常为非饱和值，虽然可以经实际测量获得其饱和值，但由于随着机端电压的改变，发 电机的饱和程度也不同。因此同步电抗 Xd 值也是与发电机进相深度有关的变量，所以发电 机进相运行限额计算的结果应作为估算参考。为使发电机进相运行限额
