同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)的主要因素及處理措施

同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)的主要因素及處理措施［摘要］本文依據(jù)在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)數(shù)據(jù)，從理論上分析同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)的原因，闡述了引起機(jī)組無(wú)功功率擺動(dòng)的主要因素及處理措施。［關(guān)鍵詞］同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)1?概述山西鋁廠熱電分廠共有六臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)，額定電壓為6.3kV，額定容量分別為一期12MW三臺(tái)；二期25MW三臺(tái)。從1996年一2002年3#、4#、5#、6#機(jī)組多次出現(xiàn)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率自然擺動(dòng)，其最大擺幅8Mvar,給生產(chǎn)的組織和調(diào)整帶來(lái)了很大的影響，為此通過(guò)多次的試驗(yàn)和分析，查找到了其無(wú)功擺動(dòng)的原因，并提出了對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改進(jìn)的措施。為分析機(jī)組無(wú)功功率自然擺動(dòng)的原因，于2002年2月7日0點(diǎn)到24點(diǎn)，對(duì)5#、6#機(jī)組實(shí)施無(wú)功功率的24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1、表2。表15#機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間電壓kV電流kA有功MW無(wú)功Mvar勵(lì)磁電壓V勵(lì)磁電流A備注0:366.42.62416-19160325T自動(dòng)1:556.42.72416-19160325T自動(dòng)7:046.32.62519-14145325T自動(dòng)9:096.32.72514-17155325T自動(dòng)9:186.32.72517-18155325T自動(dòng)10:186.32.72518-20170350T自動(dòng)11:266.22.4258-14130360T自動(dòng)12:406.22.62314-19165330T自動(dòng)15:156.42.62315-20160330T自動(dòng)15:506.42.62517-12140300T自動(dòng)19:006.42.52517-14140310T自動(dòng)20:336.42.72516-19170325T自動(dòng)表26#機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間電壓kV電流kA有功MW無(wú)功Mvar勵(lì)磁電壓V勵(lì)磁電流A備注

0:206.62.62415-20175200T自動(dòng)0:226.62.62420-17165190J手動(dòng)0:596.62.72517-21180200T自動(dòng)1:006.62.62521-27165190J手動(dòng)1:556.42.42417-10140160J自動(dòng)2:336.42.72513-20175200J自動(dòng)3:356.42.52520-14150175J手動(dòng)4:256.52.52514-18165190T自動(dòng)4:506.52.52518-14150175J自動(dòng)5:206.52.724.514-19175200T自動(dòng)6:156.42.32316-13140160J自動(dòng)6:236.62.62313-20170200T手動(dòng)7:066.52.42420-14150180J自動(dòng)9:106.52.62414-16160180T自動(dòng)10:456.42.52419-14150175J手動(dòng)11:006.42.52512-18150160T手動(dòng)11:206.52.72422-18180200J手動(dòng)12:406.52.42418-15150170J自動(dòng)13:546.62.62315-19165170T自動(dòng)14:276.42.32315-11135155J自動(dòng)15:126.52.42217-22160175T自動(dòng)19:506.42.52318-13150170J自動(dòng)從上表可以看出，5#機(jī)組在0.36到20.33期間發(fā)生無(wú)功擺動(dòng);6#機(jī)組在0.20到19.50期間發(fā)生無(wú)功擺動(dòng)，其他時(shí)間未擺動(dòng)。6#機(jī)組在1.55無(wú)功功率由17Mvar自然降到10Mvar,擺動(dòng)幅度7MVAR;在6.23無(wú)功功率由13Mvar自然上升到20Mvar，擺動(dòng)幅度為7Mvar，并且無(wú)功功率已超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定值。在2002年4月10日13點(diǎn)由于4#機(jī)組緊急停機(jī)，5#機(jī)組無(wú)功功率由12Mvar直線下降到0,發(fā)電機(jī)定子電流最大擺到4000A，有功功率由25MW上升到26MW，“電壓回路斷線”信號(hào)出現(xiàn)，強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作，勵(lì)磁電壓為30V，勵(lì)磁電流為50A。檢查磁場(chǎng)變阻器沒(méi)有異常后手動(dòng)調(diào)整增加無(wú)功負(fù)荷，恢復(fù)正常。4月12日11:58分，5號(hào)機(jī)無(wú)功功率由10Mvar降到0,其它參數(shù)正常。2?發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)理論分析2.1電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率發(fā)、供電的質(zhì)量指標(biāo)主要表現(xiàn)為電壓和頻率。頻率是由電力系統(tǒng)發(fā)電有功功率和有功負(fù)荷消耗的總電量來(lái)決定的；電壓則是靠電力系統(tǒng)中無(wú)功功率平衡來(lái)維持的。如果電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率嚴(yán)重短缺，則系統(tǒng)中的電壓水平過(guò)低，使某個(gè)系統(tǒng)的母線電壓運(yùn)行在臨界值以下時(shí)，母線電壓有一微小的下降就會(huì)發(fā)生負(fù)荷消耗的無(wú)功功率增量大于系統(tǒng)向該點(diǎn)提供的無(wú)功功率增量，使無(wú)功缺額進(jìn)一步增大，電壓進(jìn)一步下降，這種惡性循環(huán)將造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。電壓崩潰后，大量電動(dòng)機(jī)自動(dòng)切除，某些發(fā)電機(jī)組失步，導(dǎo)致系統(tǒng)解列或大面積停電。2.2無(wú)功功率平衡與電壓水平的關(guān)系為QGi=》QLj+》AQ》k式中:EQGi一無(wú)功電源向系統(tǒng)供應(yīng)的無(wú)功功率；i—無(wú)功電源的個(gè)數(shù)；QLj—負(fù)荷所消耗的無(wú)功功率;j無(wú)功負(fù)荷的個(gè)數(shù)；AQEK—電力系統(tǒng)中變壓器、線路中所損耗的無(wú)功功率；圖1無(wú)功功率平衡和電壓水平關(guān)系圖1為電力系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性，如果電力系統(tǒng)電壓Ux運(yùn)行在額定電壓Ue，則系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷所消耗無(wú)功功率為Qe，則EQLj+EAQEk=Qe，如果電力系統(tǒng)中所有的無(wú)功電源發(fā)出無(wú)功功率總和為QGj也等于Qe，電力系統(tǒng)就會(huì)維持在額定電壓運(yùn)行。那么無(wú)功功率平衡關(guān)系則為EQGie=QLje+EAQEke（角標(biāo)“e”表示運(yùn)行在額定電壓）。如果系統(tǒng)中所有無(wú)功電源發(fā)不出Qe那么多無(wú)功功率，而只能發(fā)出Qa這么多，系統(tǒng)負(fù)荷就只能消耗Qa這么多。這時(shí)系統(tǒng)將運(yùn)行在a點(diǎn)，系統(tǒng)電壓Ux=Ua,系統(tǒng)負(fù)荷消耗的無(wú)功功率為Qa。則數(shù)學(xué)表達(dá)式即EQGia=ELja+EAQEka，角標(biāo)匕”表示系統(tǒng)運(yùn)行在a點(diǎn)?；蛘呦到y(tǒng)中所有無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率稍大于Qe為Qb,而系統(tǒng)中負(fù)荷消耗也達(dá)到了Qb這么多，則系統(tǒng)運(yùn)行在b點(diǎn)。系統(tǒng)電壓Ux=Ub，負(fù)荷消耗的無(wú)功功率為Qb,則數(shù)學(xué)表達(dá)式即為QGib=》QLib+》AQ》kb，角標(biāo)“b”表示系統(tǒng)運(yùn)行在b點(diǎn)。電氣規(guī)程要求系統(tǒng)正常運(yùn)行的電壓允許在Ux=Ue±5%Ue的范圍內(nèi)，所以a、e、c三點(diǎn)都是電力系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡點(diǎn)，即系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在電壓Ua、Ue、Ub下運(yùn)行。因此要控制系統(tǒng)在額定電壓下運(yùn)行，就要控制系統(tǒng)中的無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率等于電力系統(tǒng)負(fù)荷在額定電壓時(shí)所消耗的無(wú)功功率。如果這個(gè)“等式”關(guān)系不能滿足，則電力系統(tǒng)就會(huì)偏離額定電壓運(yùn)行。當(dāng)無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率偏離負(fù)荷在額定電壓下所需消耗的無(wú)功功率過(guò)多時(shí)，作為無(wú)功電源的發(fā)電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率擺動(dòng)，電力系統(tǒng)電壓就會(huì)過(guò)多地偏離額定電壓?？梢?jiàn)，維持電力系統(tǒng)電壓在允許范圍內(nèi)是靠控制系統(tǒng)無(wú)功電源的出力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2.3無(wú)功功率與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的關(guān)系電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的無(wú)功功率分配。無(wú)功功率是通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓的平衡。圖2(a)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖 (b)等值電路4 （右(c)適量圖 (d)同步發(fā)電的外特性圖圖2(a)是同步發(fā)電機(jī)的原理圖，圖中FLQ是勵(lì)磁繞組，機(jī)端電壓為Uf,電流為If。在正常情況下，流經(jīng)FLQ的勵(lì)磁通量電流為Ifd,由它所建立的磁場(chǎng)使定子產(chǎn)生的空載感應(yīng)電勢(shì)為Eq,改變Ifd的大小，Eq值就相應(yīng)地改變。通過(guò)圖2(b)的等值電路圖，可以得出：Uf+JIfxd=Eq式中Xd——發(fā)電機(jī)直軸電抗。根據(jù)圖2(c)的矢量關(guān)系:Eqcos8=Uf+Iwxd式中8 Eq與Uf間的相角，即發(fā)電機(jī)的功率角；Iw 發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流。一般情況下8的值很小，可近似為cos8=l則上式可簡(jiǎn)化為Eq~Uf+Iwxdo從式中可以看出，同步發(fā)電機(jī)的外特性是下降的，當(dāng)勵(lì)磁電流Ifd一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓Uf隨無(wú)功負(fù)荷增大而下降。圖2(d)說(shuō)明，當(dāng)無(wú)功電流為Iwl時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓為額定值Ufe,勵(lì)磁電流為Ifdlo當(dāng)無(wú)功電流增到Iw2時(shí)，如果勵(lì)磁電流不增加，則電壓降至Uf2,可能滿足不了運(yùn)行要求，必須將勵(lì)磁電流增大至Ifd2,才能維持端電壓為額定值Ufe。同理，無(wú)功電流減小時(shí)，Uf也會(huì)上升，必須減小勵(lì)磁電流。所以說(shuō)，同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率必須通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)整，才能滿足系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)無(wú)功功率的需求，進(jìn)而才能保證電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。3?引起機(jī)組無(wú)功功率擺動(dòng)的原因3.1機(jī)組問(wèn)題1996年，三號(hào)機(jī)發(fā)生無(wú)功擺動(dòng)以后，我們對(duì)直流勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，勵(lì)磁機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)正常，9月份電機(jī)大修期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠，最后檢查為轉(zhuǎn)子線圈有匝間短路現(xiàn)象。2001年6月份，4號(hào)機(jī)因勵(lì)磁機(jī)碳刷打火，換向器表面有燒傷，無(wú)功功率擺動(dòng)頻繁，最后檢查確定勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子有匝間短路現(xiàn)象。2001年4月，5號(hào)機(jī)因無(wú)功功率擺動(dòng)停機(jī)后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)的換向器片間有短路現(xiàn)象。2002年4月10日-12日，5號(hào)機(jī)兩次出現(xiàn)無(wú)功功率直線下降為零，經(jīng)停機(jī)檢查，屬換向器的片間出現(xiàn)瞬間短路所引起的。3.2同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的分配汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率只受汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制，與勵(lì)磁電流的大小無(wú)關(guān)。故無(wú)論勵(lì)磁電流如何變化，發(fā)電機(jī)的有功功率均為常數(shù)。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化只是改變了機(jī)組的無(wú)功功率的大小。我廠發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的母線，屬于直配母線，也就是發(fā)電機(jī)的出線直接與6kV配電室并聯(lián)運(yùn)行。改變其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，不但影響它的電壓和無(wú)功功率，而且也將影響與之并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無(wú)功功率。由于多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)組之間存在著搶帶無(wú)功的現(xiàn)象，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)功缺額或無(wú)功過(guò)量時(shí)，總是存在著部分發(fā)電機(jī)搶帶或搶甩無(wú)功的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象的發(fā)生使系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，而另一部分發(fā)電機(jī)就出現(xiàn)無(wú)功缺額或無(wú)功過(guò)?，F(xiàn)象，最終反映出來(lái)的就是這一部分發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率擺動(dòng)。為了消除無(wú)功功率大幅度的擺動(dòng)，只有調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)維持本臺(tái)發(fā)電機(jī)的無(wú)功平衡。3.3電力系統(tǒng)擾動(dòng)的因素電力系統(tǒng)的負(fù)荷每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，特別是大負(fù)荷的起動(dòng)和停用，都對(duì)系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率產(chǎn)生波動(dòng)。我們廠處在山西電網(wǎng)的末端。在這個(gè)末端電網(wǎng)內(nèi)電力系統(tǒng)有兩個(gè)電廠，再加上我們的自備電廠總裝機(jī)容量為1000MW左右，而運(yùn)城地區(qū)的農(nóng)業(yè)用電較多，工業(yè)用電較少，氣候環(huán)境對(duì)電負(fù)荷的影響特別大，天陰下雨大面積甩負(fù)荷，天氣干旱，又大量用電，以及我廠的同步電動(dòng)機(jī)的起停，這就產(chǎn)生了系統(tǒng)的正常擾動(dòng)。這種擾動(dòng)就使發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行重新分配，于是出現(xiàn)無(wú)功功率的擺動(dòng)。3.4同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)都帶有自動(dòng)控制調(diào)整裝置，但是一些老機(jī)組和小機(jī)組因種種原因?qū)⒆詣?dòng)控制系統(tǒng)退出運(yùn)行，改為手動(dòng)調(diào)整，我廠就屬于這種。手動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁有很多缺點(diǎn)，如調(diào)整時(shí)間不能及時(shí)把握；調(diào)整勵(lì)磁電流的大小無(wú)法控制等等。更重要的是如果調(diào)整不及時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行，或者在事故情況下造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。調(diào)整勵(lì)磁就是調(diào)整勵(lì)磁電流。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是解決并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組之間的無(wú)功功率合理分配問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)不斷地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)平衡系統(tǒng)的無(wú)功功率，進(jìn)而維持機(jī)端電壓為額定水平。隨著微機(jī)控制的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)不斷地更新，自動(dòng)化程度在不斷地提高，性能也在不斷地完善,這對(duì)我們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一次設(shè)備問(wèn)題非常重