第二章大型發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行

第一節(jié)發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行的必要性隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)組日益增多，同時(shí)輸電線路的電壓等級(jí)越來越高，輸電距離越來越長，加之許多配電網(wǎng)絡(luò)使用了電纜線路，引起了電力系統(tǒng)電容電流的增加，增大了剩余無功功率。尤其是在節(jié)假日、午夜等低負(fù)荷情況下，由線路引起的剩余無功功率，使電網(wǎng)的電壓上升，以致超過容許的范圍。過去一般是采用并聯(lián)電抗器或利用調(diào)相機(jī)來吸收此部分剩余無功功率，但有一定的限度，且增加了設(shè)備投資。近些年我國也廣泛地開展了進(jìn)相運(yùn)行的試驗(yàn)研究。實(shí)踐說明，進(jìn)相運(yùn)行是一項(xiàng)切實(shí)可行的辦法，不需要額外增加設(shè)備投資，就可吸收無功功率，進(jìn)行電壓調(diào)整。適當(dāng)進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行，能降低電壓，抑制和改善電網(wǎng)電壓過高狀況。該項(xiàng)技術(shù)措施易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行操作方便、靈活，可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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第二節(jié)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的分析1.什么是同步發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)？進(jìn)相運(yùn)行是相對于發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行而言的，此時(shí)定子電流超前于端電壓，發(fā)電機(jī)處于欠勵(lì)磁運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)直接與無限大容量電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，保持其有功功率恒定，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以實(shí)現(xiàn)這兩種運(yùn)行狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。

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2.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的相量關(guān)系實(shí)際并入電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)是通過變壓器、線路與電網(wǎng)相聯(lián)的。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的相量關(guān)系如圖1-15所示。此時(shí)發(fā)電機(jī)的功角為δG，發(fā)電機(jī)電勢與電網(wǎng)電壓相量之間的夾角為δs。

圖1-15

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行相量圖

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發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行時(shí)，供給系統(tǒng)有功功率和感性無功功率，其有功功率和無功功率表的指示均為正值；而進(jìn)相運(yùn)行時(shí)供給系統(tǒng)有功功率和容性無功功率，其有功功率表指示正值，而無功功率表則指示負(fù)值，故可以說此時(shí)從系統(tǒng)吸收感性無功功率。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)各電磁參數(shù)仍然是對稱的，并且發(fā)電機(jī)仍然保持同步轉(zhuǎn)速，因而是屬于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行方式中功率因數(shù)變動(dòng)時(shí)的一種運(yùn)行工況，只是拓寬了發(fā)電機(jī)通常的運(yùn)行范圍。同樣，在允許的進(jìn)相運(yùn)行限額范圍內(nèi)，只要電網(wǎng)需要是可以長時(shí)間運(yùn)行的。4

3.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行特點(diǎn)

發(fā)電機(jī)進(jìn)相穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)需要時(shí)采用的運(yùn)行技術(shù)，其運(yùn)行能力主要是由電機(jī)本體的條件確定。我國1989年頒布的《發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)則》第47條指出：“發(fā)電機(jī)是否能進(jìn)相運(yùn)行應(yīng)遵守制造廠的規(guī)定。制造廠無規(guī)定的應(yīng)通過試驗(yàn)確定。進(jìn)相運(yùn)行的可能性決定于發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱和在電網(wǎng)中運(yùn)行的穩(wěn)定性?！卑l(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)就其本體而言有兩個(gè)特點(diǎn)：1）發(fā)電機(jī)端部的漏磁較遲相運(yùn)行時(shí)增大，會(huì)造成定子端部鐵心和金屬結(jié)構(gòu)件的溫度增高，甚至超過允許的溫度限值；2）進(jìn)相運(yùn)行的發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性較遲相運(yùn)行時(shí)降低，可能在某一進(jìn)相深度時(shí)達(dá)到穩(wěn)定極限而失步。因此，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)容許承擔(dān)的電網(wǎng)有功功率和相應(yīng)允許吸收的無功功率值是有限制的。5

4.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行所導(dǎo)致問題分析

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行,從理論上分析是可行的。但由于發(fā)電機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)、冷卻方式及容量有很大的差異，發(fā)電廠的電氣主接線各異，發(fā)電廠和系統(tǒng)連接的緊密程度不同等原因，在進(jìn)相運(yùn)行是容許發(fā)出多少有功功率和吸收多少無功功率，理論上的計(jì)算由于不考慮電機(jī)的飽和及勵(lì)磁方式的影響等，其結(jié)果是近似的，一般要通過運(yùn)行試驗(yàn)來決定。運(yùn)行和試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的問題如下：

1）靜態(tài)穩(wěn)定性的降低當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的輸入功率受到一些微小的擾動(dòng)，發(fā)生瞬時(shí)的增大或減小時(shí)，如果不考慮調(diào)節(jié)器的作用，發(fā)電機(jī)能在這種瞬時(shí)擾動(dòng)后很快恢復(fù)到原來的平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這稱為發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定。反之，稱為靜態(tài)不穩(wěn)定。6

以隱極發(fā)電機(jī)為例，設(shè)電勢為Eq，電抗xd=xq，端電壓為UG，功率角為δG，則發(fā)電機(jī)的功角關(guān)系可用下式表示

（1－13）

由上式可知看出，在Eq、UG、xd不變的情況下，PM的變化會(huì)引起功角δ的變化，在功角為90o時(shí)，PM達(dá)到最大輸出功率（1－14）對式（1-14）求導(dǎo)得（1－15）7可以看出：在時(shí)，發(fā)電機(jī)達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限；在時(shí)，發(fā)電機(jī)能保持靜態(tài)穩(wěn)定；在時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)失去靜態(tài)穩(wěn)定。

因此，可以做為發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)。

設(shè)在遲相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的功角為δ1；進(jìn)相運(yùn)行時(shí)為δ2，在運(yùn)行方式由遲相逐漸過渡到進(jìn)相時(shí)，由于If下降，引起Eq下降（U也相應(yīng)下降一些），而xd基本保持不變，則功角δ必然要增加，即從δ1增到δ2。此時(shí)最大功率點(diǎn)Pmax會(huì)下移。在δ=90°時(shí)，PM=

Pmax，達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限。此時(shí)若再減少勵(lì)磁電流，則會(huì)失去穩(wěn)定。

8例：N水廠一臺(tái)TS854/156-40型、75MW的水輪發(fā)電機(jī)，實(shí)測有功功率恒定時(shí)勵(lì)磁電流和功角的關(guān)系如圖。功角隨勵(lì)磁電流減小而增大。時(shí)，增加比較緩慢。時(shí)，勵(lì)磁電流稍有減小，功角增加很快。

討論：上述的功角特性是指發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不帶自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器而言。如果發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)帶上自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，則功角特性會(huì)有一些不同，最大電磁輸出功率Pmax會(huì)向右移動(dòng)，使得Pmax所對應(yīng)的功角δ＞90°，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在人工穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行。9例（1）一臺(tái)TB-100-2型發(fā)電機(jī)，，在手動(dòng)勵(lì)磁和投入自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩種條件下的實(shí)測結(jié)果列表：

該機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行后，在接近額定有功功率時(shí)，吸收的無功功率由手動(dòng)勵(lì)磁時(shí)的42.2Mvar增到63Mvar。當(dāng)有功功率降低時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行功角已超過自然穩(wěn)定極限進(jìn)入人工穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)運(yùn)行。10例（2）一臺(tái)TQN-100-2型發(fā)電機(jī)，裝有快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，在不投入或投入自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)進(jìn)相能力的實(shí)測數(shù)據(jù)見下表進(jìn)入人工穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，提高了進(jìn)相運(yùn)行的能力和進(jìn)相運(yùn)行工況下抗干擾的能力。11P發(fā)電廠一臺(tái)QFQS-200-2型發(fā)電機(jī)。退出自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，實(shí)測勵(lì)磁電流與功角和機(jī)端電壓的關(guān)系如圖。

時(shí)，曲線變得很陡，表明勵(lì)磁電流降到此值以后，若再發(fā)生微量的減少，都會(huì)引起功角有較大的增加，電機(jī)出現(xiàn)失步情況。投入自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定大大提高，有功功率增大時(shí)，仍未失去穩(wěn)定，只是定子電流超過額定值使進(jìn)相深度受到了限制。12原因分析：

（1）發(fā)電機(jī)直接接在無限大電網(wǎng)上，即認(rèn)為外部阻抗xs=0。由于帶自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器后，在一定的勵(lì)磁電流If下，不是保持Eq不變而是保持暫態(tài)電勢不變所致，此時(shí)PM的表達(dá)式為：

（1－16）式中：

為瞬變電抗；為暫態(tài)電動(dòng)勢。由于，所以功角特性曲線相當(dāng)于一個(gè)與sinδ成比例的部分和一個(gè)與sin2δ成比例的部分的合成。

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（2）外部阻抗xs≠0從圖1-15中的相量圖可以導(dǎo)出：

（1－17）（1－18）

當(dāng)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，在輸出有功功率一定的條件下，隨著勵(lì)磁電流的減少，δ角就要增大，從而使靜態(tài)穩(wěn)定性降低。式（1-16）是發(fā)電機(jī)直接接在無限大容量母線上而得出的。實(shí)際系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器、線路接到系統(tǒng)，所以需要計(jì)及這些元件的電抗（統(tǒng)稱為外部電抗xs）。此時(shí)靜態(tài)穩(wěn)定性將進(jìn)一步降低。

14圖1-16隱極發(fā)電機(jī)的可能出力曲線

圖1-16表示隱極發(fā)電機(jī)的可能出力曲線。圖中，a的部分受定子繞組溫升限制，b的部分受轉(zhuǎn)子繞組溫升的限制，c的部分受定子端部溫升的限制，通常是由運(yùn)行試驗(yàn)確定。d的部分表示外電抗為零時(shí)，進(jìn)相運(yùn)行的靜穩(wěn)定極限。e的部分表示外電抗不為零時(shí)，進(jìn)相運(yùn)行的靜穩(wěn)定極限。15

當(dāng)發(fā)電機(jī)接有外部電抗時(shí)，由圖1-15的相量圖可得出進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的有功功和無功功率表達(dá)式:

（1－20）由相量圖可知16

代入式（1-19）和（1-20）經(jīng)運(yùn)算整理得

（1－21）（1－22）由相量圖可看出δG與δs成正比變化，所以P與Q均為δs的函數(shù)。式（1-21）和（1-22）不僅可以計(jì)算發(fā)電機(jī)功率的大小，還可以判斷系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定情況。17

在靜態(tài)穩(wěn)定的極限(δs=90°時(shí))，式中cosδs項(xiàng)為零。將上兩式整理得

（1－23）由式（1-23）可以看出，計(jì)及外部電抗時(shí)進(jìn)相運(yùn)行的靜穩(wěn)定極限為一圓特性。其圓心在Q軸上距原點(diǎn)0為單位的點(diǎn)上，其半徑長度為，如圖1-16所示。此部分是進(jìn)相運(yùn)行時(shí)由靜穩(wěn)定決定的理論上的最大容許值，考慮實(shí)際運(yùn)行中突然過負(fù)荷等因素的影響，比最大容許值還要低些。

18結(jié)論：1）帶自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器后，進(jìn)相能力明顯增加。2）發(fā)電機(jī)短路比大，即xd小，進(jìn)相能力強(qiáng)。3）發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)接緊密時(shí)，則進(jìn)相能力強(qiáng)，而邊遠(yuǎn)地區(qū)孤立的電廠，發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力小，甚至不能進(jìn)相。4）系統(tǒng)電壓越高，無功儲(chǔ)備越大，則發(fā)電機(jī)進(jìn)相時(shí)端電壓下降越少，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力越強(qiáng)。5）機(jī)機(jī)組所帶的有功功率越多，則功角越大，靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備越低。19

由于大型內(nèi)冷式汽輪發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)值較一般外冷式發(fā)電機(jī)明顯增大，導(dǎo)致其端部漏磁明顯加大。盡管在設(shè)計(jì)中采用了一系列的技術(shù)措施，如定子壓指、壓圈，轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)采用無磁性鋼，定子鐵心端部加電屏蔽和磁屏蔽，邊段鐵心做成階梯形，端部小齒開槽等，來增加漏磁路的磁阻，以避免漏磁通集中，減少由漏磁場感應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗，降低端部溫度，以維持溫升在允許的范圍之內(nèi)，但是隨著運(yùn)行方式由遲相逐漸過渡到進(jìn)相，端部合成磁通將會(huì)增大，引起發(fā)電機(jī)定子邊段鐵心及端部結(jié)構(gòu)件上的感應(yīng)渦流增大，而產(chǎn)生附加發(fā)熱。

發(fā)電機(jī)端部的漏磁是由定子繞組端部漏磁與轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁組成的合成磁通。定子端部鐵心、結(jié)構(gòu)件的過熱主要是由于端部漏磁引起的。它的大小除與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、型式、材料、短路比等因素有關(guān)外，還與定子電流的大小、功率因數(shù)的高低等因素有關(guān)。2）端部漏磁引起的發(fā)熱

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發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在其端部出現(xiàn)的定子繞組端部漏磁和轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁，將盡可能通過磁阻最小的路徑形成閉路。為此由磁性材料制成的定子端部鐵芯、端部壓板以及轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)等部分便通過相當(dāng)大的端部漏磁。它在空間與轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，對定子有相對運(yùn)動(dòng)，因此在定子端部鐵芯齒部、壓指、壓板等部件中要感應(yīng)出渦流和磁滯損耗使之發(fā)熱。特別是直接冷卻的或者大型氫冷卻的定子線負(fù)荷大的發(fā)電機(jī)，此種發(fā)熱尤為顯著。

在遲相運(yùn)行時(shí)這種發(fā)熱是在容許范圍內(nèi)的。而在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨著進(jìn)相功率的增大，發(fā)熱越來越嚴(yán)重，這是因?yàn)槎瞬亢铣陕┐磐S功率因數(shù)的變化而增大所致。

分析：圖1-17（a）所示氣隙磁通關(guān)系中，各磁通全部都通過氣隙，但是端部漏磁通的路徑很復(fù)雜，定子端部漏磁通與轉(zhuǎn)子端部漏磁通不取共同的途徑。某一點(diǎn)的磁通量取決于該點(diǎn)的磁阻，故磁通量因地而異。21

圖1-17磁通相量圖（a）氣勢磁通相量圖；（b）端部漏磁通相量圖

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定子鐵芯端部中，由定子磁勢引起的漏磁的漏磁通φea易于通過，在圖1-17（b）中以AC表示。轉(zhuǎn)子磁勢引起的漏磁通經(jīng)過氣隙進(jìn)入定子端部的部分φe0則較小，假設(shè)它為勵(lì)磁磁通量φ0的λ倍（λ<1隨鐵心端部位置而定），在圖1-17（b）中以相量AD表示，其值為a，AD=λAB。此時(shí)端部的合成漏磁通φe等于CD。保持定子電流不變的情況下（亦即圖中AC不變），當(dāng)功率因數(shù)由遲相轉(zhuǎn)為進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，合成的漏磁通CD將要增大。如圖1-18所示。23

圖1-18端部漏磁通與功率因數(shù)關(guān)系

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在圖1-18中，電樞反應(yīng)磁勢產(chǎn)生的漏磁通AC不變。隨著功率因數(shù)由遲相轉(zhuǎn)為進(jìn)相運(yùn)行，由于勵(lì)磁電流的減小，所以勵(lì)磁磁勢產(chǎn)生的漏磁通AD也相應(yīng)地減少，其值等于λAB。而定子端部的合成漏磁通φe則增大，φe等于CD。D點(diǎn)則在以O(shè)點(diǎn)為圓心（O點(diǎn)到C點(diǎn)的距離OC=λBC），以O(shè)D（OD=BD×AC/AB=(1-λ)AC）為半徑的半圓上移動(dòng)。

由圖1-18還可看出，當(dāng)功率因數(shù)由遲相往進(jìn)相變化時(shí)，在功率因數(shù)為1的附近，合成漏磁勢φe的變化較顯著；隨著進(jìn)相功率因數(shù)的降低（由1將到0），吸收的無功功率增多，φe越來越大，致使定子端部發(fā)熱越來越嚴(yán)重。如取功率因數(shù)等于1時(shí)的φe為1，則定子端部某一點(diǎn)（其λ為小于1的定值）的合成漏磁通φe隨功率因數(shù)而變化的關(guān)系如圖1-19所示。

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圖1-19端部合成漏磁通隨功率因數(shù)變化曲線

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當(dāng)功率因數(shù)一定時(shí)，端部漏磁通約與發(fā)電機(jī)的千伏安出力成正比，如圖1-20所示。由圖中可以看出，如欲保持端部發(fā)熱為一定值，亦即端部漏磁通為一定值，隨著進(jìn)相程度的增大，千伏安出力應(yīng)相應(yīng)降低。

圖1-20端部漏磁通與發(fā)電機(jī)出力的關(guān)系

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圖1-21表示大型機(jī)組功率因數(shù)變化時(shí)的容許出力(有功和無功)。從圖上很明顯地看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)申遲相轉(zhuǎn)入進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨著功率因數(shù)的降低，發(fā)電機(jī)容許的出力劇烈下降。圖1-21功率因數(shù)變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的容許有功功率和容許無功功率

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值得指出的是，目前大型發(fā)電機(jī)已采取多種措施來減少端部發(fā)熱，例如：采用非磁性鋼的轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)、采用銅板屏蔽、開槽分割以限制渦流通路等等。采用上述措施后，可降低進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的端部溫升，從而提高進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的容許功率。思考題：1.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行有何實(shí)際意義？2.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的特點(diǎn)是什么？295.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)端部漏磁與溫度測量實(shí)例發(fā)電機(jī)定子端部鐵心和金屬結(jié)構(gòu)件的溫度限值，我國規(guī)定見下表所示301）汽輪發(fā)電機(jī)一臺(tái)SQF-100-2型汽輪發(fā)電機(jī)，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，實(shí)測定子端部鐵心段軸向磁通密度B，溫升△θ與功率因數(shù)關(guān)系的曲線，如圖該機(jī)帶額定有功功率功率，在遲相和進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，定子第36槽和37槽鐵心端部與階梯齒的溫長升分布，見下圖31（1）進(jìn)相運(yùn)行（超前）時(shí)，定子鐵心端部各測點(diǎn)的溫升值比工況運(yùn)行時(shí)升高3~12?C.（2）定子端部第五、六段鐵心齒部的溫度最高，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為34?C時(shí)，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)可達(dá)114?C，溫升為80?C?！~定有功功率時(shí)不宜進(jìn)相運(yùn)行.（3）進(jìn)相運(yùn)行時(shí)定子鐵心各測點(diǎn)的溫度互差29?C（114-85）322）水輪發(fā)電機(jī)一臺(tái)TS425/125-12型水輪發(fā)電機(jī)，