發(fā)電機(jī)機(jī)組自勵(lì)磁問題及過電壓?jiǎn)栴}的分析及計(jì)算研究

山東電網(wǎng)黑啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)-發(fā)電機(jī)機(jī)組自勵(lì)磁及過電壓?jiǎn)栴}的分析研究山東大學(xué)電氣工程學(xué)院王洪濤TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"發(fā)電機(jī)機(jī)組自勵(lì)磁問題的分析及計(jì)算研究 2\o"CurrentDocument"自勵(lì)磁的物理過程 2\o"CurrentDocument"發(fā)生自勵(lì)磁的條件 3\o"CurrentDocument"自勵(lì)磁計(jì)算與分析 4\o"CurrentDocument"小結(jié) 5過電壓?jiǎn)栴}的分析及計(jì)算研究 6過電壓?jiǎn)栴}的分析 6\o"CurrentDocument"工頻過電壓計(jì)算 7\o"CurrentDocument"空載線路合閘操作過電壓計(jì)算 8分段空充線路 8一次空充全部線路 10空充變壓器諧振過電壓計(jì)算 10小結(jié) 12發(fā)電機(jī)機(jī)組自勵(lì)磁問題的分析及計(jì)算研究發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁是黑啟動(dòng)過程中需要注意的問題，本章從發(fā)生自勵(lì)磁的物理過程開始，結(jié)合泰安抽水蓄能電站實(shí)際對(duì)黑啟動(dòng)過程中自勵(lì)磁發(fā)生的條件進(jìn)行了分析和計(jì)算。自勵(lì)磁的物理過程自勵(lì)磁實(shí)質(zhì)是參數(shù)共振現(xiàn)象。在正常的同步運(yùn)行情況下，水輪發(fā)電機(jī)的同步電抗在Xd?X之間周期性地變動(dòng)著，即每過一個(gè)電周期，電抗將變動(dòng)兩個(gè)周期。另一方面，無論是凸極q機(jī)（水輪發(fā)電機(jī)）還是隱極機(jī)（汽輪發(fā)電機(jī)），當(dāng)它們處于異步工作狀態(tài)，或者處在定子磁通變動(dòng)時(shí)的同步工作狀態(tài)時(shí)，電抗將在Xd'~Xq之間周期性變動(dòng)。在所有這些情況下，如果電機(jī)的外電路具有容抗性質(zhì)，就可能在此電感參數(shù)自動(dòng)變化的振蕩回路中激發(fā)起一種特殊性質(zhì)的過電壓，稱為參數(shù)共振過電壓。首先，共振所需的能量由改變參數(shù)的發(fā)電機(jī)所供給，而不需單獨(dú)的電源電壓。同時(shí)，在起始階段，只要回路中具有某些殘余能量，例如，轉(zhuǎn)子剩磁切割繞組而產(chǎn)生不大的感應(yīng)電壓，或電容兩端具有微小的殘壓，就可保證共振現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)展。其次，由于實(shí)際電網(wǎng)中存在著一定的損耗電阻，所以每次參數(shù)變化所引起的能量應(yīng)當(dāng)足夠大（即參數(shù)變化足夠大），以便不僅可以補(bǔ)償電阻中的能量損耗，才可能并使回路中的儲(chǔ)能愈積愈多，保證共振的發(fā)展。第三，共振發(fā)生后，回路中的電流和電壓的幅值，理論上能趨于無窮大，這一點(diǎn)與線性共振現(xiàn)象有著顯著的區(qū)別，后者即使在完全共振的條件下，其振蕩的幅值也受損耗電阻所限制。當(dāng)然，參數(shù)共振發(fā)生后，隨著電流的增大，電感線圈達(dá)到磁飽和狀態(tài)，電感L迅速變小，使回路自動(dòng)偏離共振條件，從而限制了共振過電壓和過電流的幅值。第四，當(dāng)參數(shù)變化的頻率與振蕩頻率之比等于2時(shí)，共振最容易發(fā)生。當(dāng)同步電機(jī)處于同步或異步工作狀態(tài)時(shí)，如果外電路電抗表現(xiàn)為容性（例如空載線路），且電抗參數(shù)配合得當(dāng)，那么即使勵(lì)磁電流很小，甚至為零（零點(diǎn)升壓），由于勵(lì)磁能量的作用，將會(huì)激起參數(shù)共振現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)電流和端電壓的幅值急劇上升，最終產(chǎn)生很高的過電壓，這種現(xiàn)象稱為同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁。在黑啟動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)距離送電啟動(dòng)其它電網(wǎng)，空載線路合閘后，由于超高壓長(zhǎng)線路上顯著的電容效應(yīng)，容易引發(fā)自勵(lì)磁現(xiàn)象。發(fā)生自勵(lì)磁的條件設(shè)發(fā)電機(jī)外電路由工頻容抗xc和損耗電阻r串聯(lián)組成，其等值電路如圖1-1所示。聯(lián)立求解同步電機(jī)方程和外電路方程，并經(jīng)復(fù)雜的變換后，可以解出自勵(lì)磁的邊界曲線，如圖1-2所示，在此曲線范圍以內(nèi)，都將產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。半圓I的范圍稱為自勵(lì)磁的同步區(qū)，第II個(gè)范圍近似于半圓，稱為異步區(qū)，其實(shí)線和虛線部分分別表示無阻尼繞組和有阻尼繞組時(shí)的自勵(lì)磁區(qū)域。顯然，對(duì)于凸極機(jī)來說，同步和異步自勵(lì)磁現(xiàn)象均有可能發(fā)生；隱極機(jī)的X尸Xq，故只能發(fā)生異步的自勵(lì)磁。圖圖1-1發(fā)電機(jī)外電路等值圖圖1-2同步自勵(lì)磁和異步自勵(lì)磁區(qū)根據(jù)圖1-2，可得：XqXT::Xc::XdXT同步自勵(lì)磁條件為：《Xdr2Xd+XT￡XcVX+XT異步自勵(lì)磁條件為：*X_Xrqd2該判據(jù)為了計(jì)及變壓器參數(shù)對(duì)自勵(lì)磁產(chǎn)生的影響，將變壓器漏抗 XT并入發(fā)電機(jī)電抗中。考慮機(jī)組參數(shù)、線路、變壓器等元件參數(shù)的誤差，為了可靠地脫離自勵(lì)磁區(qū)域，實(shí)際使用該判據(jù)時(shí)，應(yīng)留有適量的裕度，如： Xc>k(Xd+XT)，k=1.2其中：Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗，XT為主變漏抗，Xc為外部容抗。自勵(lì)磁計(jì)算與分析為了安全起見，在泰安抽水蓄能電站黑啟動(dòng)石橫電廠 5#機(jī)組的過程中，需進(jìn)行自勵(lì)磁計(jì)算。為了方便計(jì)算，均取標(biāo)么值進(jìn)行計(jì)算，基值?。?S=100MVAVb=10.5kV,Vb2=15.75kV,億=38.5kV,匕=242kV。1、空載充電蓄泰I線泰安抽水蓄能電站#1發(fā)電機(jī)Xd=1.12，xq=0.75，Xd'=0.22，#1主變電抗XT=0.045500,蓄泰I線電納B1/2=0.052804,容抗Xc=9.4697,當(dāng)泰抽廠#1機(jī)組經(jīng)#1主變空充蓄泰I線時(shí)，Xc>>(xd+XT+X|1)=1.179,不會(huì)有自勵(lì)磁發(fā)生。2、依次空載充電泰天I線、天園線、高園線、石高I線和石橫乙站05#啟備變泰天線電納B1/2=0.018849，此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)容抗降到x—6.97,累計(jì)電抗增加到Xd+XT+Xn+Xi2=1.187。因此，當(dāng)泰抽廠#1機(jī)組經(jīng)#1主變和蓄泰I線空充泰天I線時(shí)，X^^Xd+XT+Xh+X/,不會(huì)有自勵(lì)磁發(fā)生。天園線電納B1/2=0.040465,此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)容抗Xc=4.459,累計(jì)電抗增加到Xd+XT+xn+Xl2+Xl3=1.223。因此，當(dāng)泰抽廠#1機(jī)組經(jīng)#1主變、蓄泰I線、泰天I線空充天園線時(shí)，XcMXd+XT+Xh+XpXj，不會(huì)有自勵(lì)磁發(fā)生。高園線電納B1/2=0.010945,此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)容抗降到Xc=4.0629,累計(jì)電抗增加到Xd+XT+Xl1+為2+為3+為4=1.2336。因此，當(dāng)泰抽廠#1機(jī)組經(jīng)#1主變、蓄泰I線、泰天I線、天園線空充圖園線時(shí)，Xc>(Xd+XT+Xh+Xlz+Xs+Xj，不會(huì)有自勵(lì)磁發(fā)生。石高I線電納B1/2=0.010849，此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)容抗降到Xc=3.733,累計(jì)電

抗增加到Xd+XT+X|j+X|2+X|3+X|4+X[5=1.2388。因此，當(dāng)泰抽廠#1機(jī)組經(jīng)#1主變、蓄泰I線、泰天?線、天園線、高園線空充石高?線時(shí)，X＞（Xd+XT+X|j+X|2+X|3+X|4+x/,不會(huì)有自勵(lì)磁發(fā)生。石橫乙站05啟備變主抗Xt=0.043243,此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)容抗仍保持為 X,二3.733,累計(jì)電抗增加到 X12+X13-fX14+X15+X2=1.282o因此，當(dāng)泰抽廠#1機(jī)組經(jīng)#1主變、蓄泰?線、泰天?線、天園線、高園線和石高?線空充石橫乙站05#啟備變時(shí)，X?（Xd+x+x,+X12+X13+X14+X15+x2）,不會(huì)有自勵(lì)磁發(fā)生。自勵(lì)磁指標(biāo)的總體校驗(yàn)過程如下圖所示：圖較比標(biāo)指磁勵(lì)自10圖較比標(biāo)指磁勵(lì)自987654321自勵(lì)磁校驗(yàn)表一1按充電順序的累計(jì)容抗-按充電順序的電抗線1線自勵(lì)磁校驗(yàn)表一1按充電順序的累計(jì)容抗-按充電順序的電抗線1線黑啟動(dòng)充電順序黑啟動(dòng)充電順序小結(jié)本章對(duì)黑啟動(dòng)方案進(jìn)行了自勵(lì)磁驗(yàn)算，泰安抽水蓄能電站1#機(jī)組黑啟動(dòng)石橫電廠5#機(jī)組廠用電過程中不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁2過電壓?jiǎn)栴}的分析及計(jì)算研究過電壓?jiǎn)栴}的分析黑啟動(dòng)過程中可能產(chǎn)生三種類型的過電壓， 即工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。過電壓標(biāo)么值的基準(zhǔn)值是用設(shè)備最高運(yùn)行相電壓表示。工頻過電壓1.0p.U.=Um/3（有效值），操作和諧振過電壓1.0p.u.=?2Um/..3（峰值），其中220kV線路Um=252kV,500kV線路U=550kVo工頻過電壓電力系統(tǒng)正?；蚬收蠒r(shí)可能出現(xiàn)超過最大工作相電壓、 頻率為工頻的電壓升高稱為工頻過電壓。黑啟動(dòng)過程中，由于空載線路的工頻容抗 xc大于工頻感抗XL,在電源電勢(shì)的作用下，線路中的電容電流在感抗上的壓降將使容抗上的電壓高于電源電勢(shì)，從而造成工頻過電壓。電壓過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)欠勵(lì)磁，甚至自勵(lì)磁和不穩(wěn)定。在我國(guó)220kV高壓線路中一般要求工頻過電壓不超過1.3p.u.o操作過電壓電力系統(tǒng)中的電容、電感均為儲(chǔ)能元件，當(dāng)操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將有過渡過程產(chǎn)生。在過渡過程中，由于電源繼續(xù)供給能量，而且儲(chǔ)存在電感中的磁能會(huì)在某一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)橐造o電場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存于系統(tǒng)的電容之中，所以可產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的操作過電壓。 常見有空載線路合分閘過電壓、空載變壓器分閘過電壓、單相間隙電弧接地過電壓。在黑啟動(dòng)過程中，隨著電網(wǎng)的逐步恢復(fù)，線路逐步接入電網(wǎng)，會(huì)進(jìn)行大量合空載線路的操作，可能會(huì)產(chǎn)生危及系統(tǒng)安全運(yùn)行的過電壓。由于線路有損耗，合閘過電壓通常衰減比較快，其最大值一般小于工頻穩(wěn)定電壓的2倍，因此，工頻穩(wěn)態(tài)電壓越高，合閘過電壓越嚴(yán)重，其與工頻過電壓的疊加可能導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)的發(fā)生，甚至造成系統(tǒng)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。由于合閘過電壓的大小與系統(tǒng)的具體條件有關(guān)，如線路參數(shù)、斷路器的合閘電阻和合閘相位角以及系統(tǒng)容量等，需要通過電磁暫態(tài)仿真對(duì)合閘過電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行具體的分析。在電力設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)中根據(jù)過電壓保護(hù)規(guī)程對(duì)操作過電壓倍數(shù)作如下規(guī)定：對(duì)于220kV及以下系統(tǒng)允許承受小于3.0p.u.的操作過電壓，500kV系統(tǒng)不宜大于2.0p.u.o諧振過電壓諧振過電壓是指電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器、電壓互感器等非線性元件和系統(tǒng)中的電容元件組成的很多復(fù)雜振蕩回路，在一定條件下發(fā)生諧振引起的過電壓。諧波諧振過電壓通常由變壓器等非線性元件的投入引起， 當(dāng)恢復(fù)變壓器或連接有變壓器的線路時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流將產(chǎn)生各次諧波。在最不利情況下，當(dāng)系統(tǒng)阻抗和線路電容在某次諧波頻率下構(gòu)成并聯(lián)諧振條件時(shí)， 將在變壓器勵(lì)磁涌流的作用下產(chǎn)生很高的電壓，變壓器端電壓的升高導(dǎo)致鐵心飽和程度的加大， 進(jìn)一步造成勵(lì)磁涌流各次諧波分量的增大，因而造成電壓的進(jìn)一步上升。通常系統(tǒng)在恢復(fù)初期最容易產(chǎn)生諧波諧振過電壓，由于此時(shí)系統(tǒng)的阻尼較小，諧波諧振過電壓的持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，甚至可穩(wěn)定存在，直到破壞諧振條件為止。當(dāng)諧波諧振過電壓過于嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起繼電保護(hù)動(dòng)作，甚至造成避雷器的損壞和系統(tǒng)故障等，因此必須通過電磁暫態(tài)仿真等對(duì)諧波諧振過電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行全面的分析和研究。工頻過電壓計(jì)算由上節(jié)分析可知，空充36.325km.220kV蓄泰I線和46.59km、220kV天園線時(shí)，工頻過電壓和操作過電壓能否控制在允許的范圍以內(nèi)是黑啟動(dòng)成功與否的關(guān)鍵?；A(chǔ)方式下，按照各變壓器分接頭都投在檔位3情況下進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)線路空載時(shí)，各母線的穩(wěn)態(tài)電壓能控制在額定電壓4.1%的下降范圍內(nèi)如下圖所示。魯石播己站仝卻曾高余站立如000-J0.02曾砸園站22。0.0O-JOD4曾天平站空0* 0.OO-jO.12BWMm MK■■■MB■■■HMV, 八 <O.OO+jQ.DO當(dāng)線路空載時(shí)，各母線的穩(wěn)態(tài)電壓能控制在額定電壓4.1%的下降范圍內(nèi)如下圖所示。魯石播己站仝卻曾高余站立如000-J0.02曾砸園站22。0.0O-JOD4曾天平站空0* 0.OO-jO.12BWMm MK■■■MB■■■HMV, 八 <O.OO+jQ.DOJ * 'O.OD+jO.02CL00-j0.0<nir-jf天搟46.白巾耿 泰天工線13.24kn0.00-jO.151209680.9680.9E5O.OCKjO.000.第豈003A0959窖乘山站22Qi0.OO-jO.15■1.DM魯泰山電站1號(hào)?0.04-JO220番A始6班h09CLDO-jD.25魯、泰山電站220<20—1 (1.9510.QO-jO.250.OO-jO.25如果帶石橫廠用電20+j20MVA,此時(shí)計(jì)算結(jié)果如下圖所示，魯石橫乙站05號(hào)母線，即石橫廠用電母線的電壓明顯偏低，需要電壓調(diào)整措施高就門.T33f魯魯、iS余站釜 桃園站EEQ 告天平站沏Q C.2(M-jO-22 O.ZOtjO.16 0.EOtjO.12a.20*jo.34 —O.SOi-jO.24 0ZO+jO.22 D.20+j0|&0.；04j0.260.BG3 0.935 0.93S 0.M60.20+jO.200.04*j0.03A?害石IS乙站。?害石IS乙站。5導(dǎo)0.T92D.20*j0.20□.204jd121.000曾泰山E&站L號(hào)0.20+JD.03?0244jC.0&曾泰山電站四0150.20*j0.0315如果保持其它變壓器的分接頭在3檔上，則需把石橫廠啟備變的分接頭調(diào)到檔以上時(shí)，石橫廠用電母線的電壓才能達(dá)到合理的水平，如下圖所示。曾、石摘乙站2勿高園aL3.732kn曹高余站EEC 售桃園站2如曾、石摘乙站2勿高園aL3.732kn曹高余站EEC 售桃園站2如0.2(H-jO.Z￡ 0SO+jO.20天園戰(zhàn)4氏59kn魯天平站Z20020+J014o.acH-jo.ioQ.ZMjO.2A. 0.20+jO.220.2(H-10.200.20+jQ14G0.ptjO.24D.938□.9370.946a.2t>j0.20昔石橙乙站a.2t>j0.20昔石橙乙站C5號(hào)0.957V0.04+j0.03A.■1.000售秦山站2200.20+jQ.1000D*jO.2aD.20rl-j0.00D*jO.2aD.20rl-j0.01莓泰i線3乩325tan0.949?024*j0,0*(19500.2D+J0012.3空載線路合閘操作過電壓計(jì)算對(duì)于空載線路合閘操作過電壓校驗(yàn)，本文按照分段空充線路和一次空充全部線路兩種情況進(jìn)行仿真校驗(yàn)。2.3.1分段空充線路泰安抽水蓄能電站黑啟動(dòng)成功后，按照設(shè)定的供電路徑，依次對(duì)泰山電站#1主變、蓄泰I線、泰天I線、天園線、高園線、石高I線和石橫電廠啟備變充

電。仿真結(jié)果顯示沒有出現(xiàn)合閘操作過電壓，文中給出空充小系統(tǒng)中兩條最長(zhǎng)線路，即蓄泰I線和天園線時(shí)的仿真結(jié)果?？粘湫钐㊣線時(shí)，如下圖所示，過電壓倍數(shù)為1.27,在允許范圍之內(nèi)，母線電壓經(jīng)短時(shí)波動(dòng)迅速穩(wěn)定在額定電壓附近。AdvanceciGraphFrameQ-0.000Min-2S1JB4icdoo[V10.050lx1ijVioox10016o1a.oooicdoo[V10.050lx1ijVioox10016o1a.ooo圖蓄泰I線空載非同期合閘操作過電壓波形t-62.51018,0501810018,05018100空充天園線時(shí)，如圖所示，C相電壓最高，其最大值達(dá)到310.591kV,過電壓倍數(shù)為1.52，在允許范圍之內(nèi)，之后母線電壓經(jīng)短時(shí)波動(dòng)迅速穩(wěn)定在額定電壓附近。TimeGraphX126.863O0W0Min-257J27M務(wù)310591X18024O13.000f-41448圖天園線空載非同期合閘操作過電壓波形

232一次空充全部線路在黑啟動(dòng)試驗(yàn)之前，泰山站、天平站、桃園站、高余站開關(guān)閉合，形成114.557km的220kV長(zhǎng)線路。泰安抽水蓄能電站黑啟動(dòng)成功后，按照設(shè)定的供電路徑，依次對(duì)泰山電站#1主變、長(zhǎng)線路和石橫電廠啟備變充電?？粘溟L(zhǎng)線路時(shí)，如圖所示，C相電壓最高，達(dá)到321.277kV,母線電壓經(jīng)短時(shí)波動(dòng)迅速穩(wěn)定在額定電壓附近。過電壓倍數(shù)為 L56,沒有發(fā)生合閘操作過電壓。AdvancedGraphFrameXX-234.471O0.136&234607Min-315.777Mex32127?10/00 10050 1Q100X10021og.sssH *f-44.009圖長(zhǎng)線路空載合閘操作過電壓波形2.4空充變壓器諧振過電壓計(jì)算黑啟動(dòng)過程中諧振過電壓相關(guān)的主要問題是發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后從低壓側(cè)空充主變壓器，對(duì)于許多擴(kuò)大單元接線的電廠情況則更加嚴(yán)重，其原因是發(fā)電機(jī)容量比較小，對(duì)于小機(jī)充大主變這種情況，發(fā)電機(jī)及其脆弱的廠用電系統(tǒng)很難承受勵(lì)磁涌流的沖擊而造成緊急停機(jī)。勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理可以用利用理想電壓源和變壓器來進(jìn)行解釋。但處于黑啟動(dòng)初期的發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)及其廠用電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜性制約了精確的數(shù)學(xué)方法在該問題的應(yīng)用。勵(lì)磁涌流的大小主要與主變?nèi)萘?、剩磁、送端電壓以及合閘角有關(guān)，孤島系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)僅僅會(huì)影響以上因素中的送端系統(tǒng)的電壓幅值，發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加會(huì)令整個(gè)孤島系統(tǒng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，這使得孤島系統(tǒng)耐受電磁功率暫態(tài)變化的能力變強(qiáng)；另一方面，發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加令孤島系統(tǒng)的等效內(nèi)電抗變小，這使得孤島