自-发电机进相运行分析

同步发电机进相运行探讨
孙乐场
徐州坝山环保热电公司
[摘要] 根据电网供需矛盾、电网负荷特点，强调进相运行的必要。

分析进相运行状态、特点及进相运行限额,突出进相运行与失磁异步运行的区别。

最后结合引言实际案例提出工程技术人员一定要理解发电机进相运行和失磁异步运行关系,根据实际运行工况,把科研成果切实应用于生产。

[关键词] 进相;失磁异步；限额;科研
０引言
受当前供需矛盾影响，地区非统调电厂发电负荷受不同程度地限制。

20０５年10月,徐州供电公司调度中心下发了《９６点负荷曲线考核规定》、《峰谷比70:30考核规定》。

200６年初,又下发了《功率因数考核》通知。

06年３月，地区非统调电厂调度会在徐州供电公司调度中心召开，会上一些电厂技术管理人员对《功率因数考核》提出了意见,对发电机功率因数规定0.93－0.98范围的高限0.98,认为不安全,发电机接近进相状态运行会导致失步。

其实进相运行也是发电机的正常运行状态，它和发电机失步运行有着本质的区别。

借此机会讨论一下发电机进相运行。

1 发电机进相运行的必要性
随着大机组、大容量的电厂并网运行和电力远送,输电线路绵延伸长，电网的电压等级相应提高.近几年以来,5０0kV级的变电站也相继投入运行.在一些电网中;当电力负荷处于低谷(例如节、假日、后夜)或枯水期水电厂机组停运时，在轻负荷的高压长线路和部分网络中，可能会出现由充电电流引起的运行电压升高甚至电压超上限的情况，并且有日趋严重之势；这不但破坏了电能质量,影响电网的经济运行,也威协电气设备特别是磁通密度较高的大型变压器的运行以及用电安全。

因此，急需寻求有效的降压措施.适时将发电机进相运行，即能降低电压,抑制和改善网络运行电压过高的状况.该技术措施易于实现,运行操作方便、灵活，可获得显著的经济效益。

2 同步发电机进相运行状态分析与运行特点
2.1同步发电机进相运行状态分析
发电机经常的运行工况是迟相运行,此时定子电流滞后于端电压,发电机处于过励磁运行状态．进相运行是相对于发电机迟相运行而言的,此时定子电流超前于端电压，发电机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时,保持其有功功率恒定,调节励磁电流可以实现这两种运行状态的相互转换。

如图1和图２分别作出隐极发电机迟相和进相运行时的相量图。

实际上，并入电网的发电机是通过变压器,线路与电网相联的。

计及发电机与电网的联系电抗ＸΣｄ时，发电机进相运行的相量关系如图4所示。

此时发电机的功角为δ，发电机电势与电网电压之间的夹角为δs
发电机迟相运行时，供给系统有功功率和感性无功功率,其有功功率表和无功功率表，
的指示均为正值;而进相运行时供给系统有功功率和容性无功功率，其有功功率表指示正值,而无功率表则指示负值，故可以说此时从系统吸收感性无功功率．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．同样,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.
2．２发电机进相运行特点
发电机进相稳定运行是电网需要时采用的运行技术，其运行能力主要是由电机本体的条件确定,发电机是否能进相运行应遵守制造厂的规定.制造厂无规定的应通过试验确定.进相运行的可能性决定于发电机端部结构件的发热和在电网中运行的稳定性．，即发电机进相运行时存在的主要问题：a发电机端部的漏磁较迟相运行时增大，会造成定子端部铁芯和金属结构件的温度增高,甚至超过允许的温度限值;b进相运行的发电机与电网之间并列运行的稳定性较迟相运行时降低，可能在某一进相深度时达到稳定极限而失步。

C厂用电压降低。

因此,发电机进相运行时容许承担的电网有功功率和相应允许吸收的无功功率值是有限制的。

3 发电机运行容量图与进相限额
３.1发电机的运行容量图发电机的P－Q运行容量图表达了发电机在端电压和冷却介质温度为暂定值的条件下,其有功功率和无功功率的关系．由此可表明发电机在功率因数变化的不同运行工况下,保证长期安全运行所允许的运行限额图．下面介绍该图的由来与安全运行限额的确定原则.
为了分析简化起见,不计电机铁心饱和的影响，认为发电机的电抗x d常数。

根据发电机电压相量图。

将电压相量图中各电压相量分别除以xｄ，即可得到图5的电流相量三角形△BOA其中,BO＝U/x d,近似等于发电机的短路比KＣ,它正比于空载励磁电流I fo;OA=Ｉx d/ x d ＝Ｉn，为定子额定电流;ＢＡ=Ｅq/ x d∝Ｉｆn，即线段代表在额定状态下定子的稳态短路电流,它正比于转子额定电流Iｆn。

过O点作一条垂直于横轴的线段OU,且定义为纵轴，可见,它代表发电机端电压的方向,电流I与线段ＯU的夹角ϕ就是功率因数角。

电流相量处在第一象限时,表示负荷为感性;处在第二象限时，表示负荷为容性。

电流的纵向分量为有功分量，横向分量为无功分量。

所以线段OA的长度既代表发电机定子电流,也可以一定比例代表发电机额定容量S n；线段OＡ的位置可以表征coｓϕ的大小，所以，通过线段OA的位置可表示功率因数的变化对发电机的影响和限制。

讨论运行范围的几个限制条件。

（1）定子、转子发热隐极发电机运行并保持冷却介质温度不变时,为了保证发电机定子、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５所示，以B点为圆心,AB为半径作转子额定电流圆弧ＡC，就是转子发热极限。

为防转子过热，禁止在圆弧ＡC以外运行;以Ｏ点为圆心，OA为半径作定子额定电流圆弧ADG,这两个圆弧的交点Ａ，圆弧ＡＤ就是定子发热极限,在圆弧AＤ以内运行是安全的(D点为原动机功率限额对应,在下将讨论)。

所对应的发电机定子、转子电流同时达到额定值.当cosϕ降低(角ϕ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ｃosϕ=o时发电机输出的无功功率最大值,此时定子绕组未充分利用，当cosϕ增高(角ϕ减小)时,发电机电枢反应减小.所需的励磁电流减小,故励磁电流不成为限制因素．但此时要受到定子电流的限制，发电机的运行点不得超过弧线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ｃosϕ时，受到原动机出力限制线DF的限制，即限制了发电机的容量.由此,发电机的迟相运行范围为OEDACO围成的闭合区域．(2)原动机输出功率限制与发电机配套的原动机额定功率一般略大于发电机的额定功率。

图5中水平线段DF是原动机最大安全输出功率所决定的，它稍大于发电机的额定功率。

线段DF是发电机输出功率极限,勿在DF上方运行。

（3)静态稳定运行极限当发电机电流超前其端电压而进入进相运行时电动势Eq与端电压Ｕ之间的夹角(功角)δ不断增大,此时发电机的有功功率输出受静态稳定运行条件的限制。

图５中线段BR是理论的静态运行边界,在该边界上运行时，功率角＝900，在实际运行中,发电机有突然过负荷的可能，所以发电机不能运行在理论稳定极限上，须留出一定的余量。

图５中曲线弧ＦL便是留有1０%安全储备的实际静态稳定极限，通常把曲线弧FL当作运行的实际静态稳定极限。

曲线弧FＬ的作图方法：在理论稳定边界上先取一些点,然后保持各个Eq／x d数值（长度)不变,画出数个圆弧;找出实际功率比理论功率降低0．１Pｎ的一些新点，在这些新点处分别画水平直线，于是得到若干个圆弧线与直线的交点,如图5中1、2、3点。

连接交点构成曲线FL。

曲线FＬ的位置与发电机端电压有关，当端电压比额定值大时，线段BA较长，相当于曲线FL向左移动，安全运行范围变大;反之,曲线FＬ向右移动,安全运行范围变小。

为了防止同步发电机失去静态稳定,通常用ｄＰｅ/dδ的正负作为同步发电机静态稳定判据：当ｄPｅ/ｄδ﹥0时,能保持静态稳定运行;dPｅ/ｄδ﹤0时,则不能保持静态稳定运行。

3.2.２进相运行范围．
有功功率恒定发电机转入进相运行时，该机处于低励磁状态，此时电势降低,电磁转矩减小，功角增大，发电机静稳定裕度减小，易失去静稳定．同时，发电机定子端部漏磁也趋于严重,损耗增加.其进相运行容量(即Ｐ和Ｑ值)由定子铁芯端部过热、静稳定极限或定子过电流三者中的最小限值确定.由发电机定子端部温升确定容量时,因其端部结构及材料性能和冷却条件不同,准确计算获知各部位的温升是很困难的，因而不能确定局部高温不超过限值时允许的进相容量实际值。

一般估算端部发热限制的容量是以图5中直线KJ控制的。

Ｋ点为发电机在额定功率Pｎ、功率因数coｓϕ=0.95(超前)运行坐标;Ｊ点坐标在-Ｑ轴上，其数值在标幺值０．5附近，一般按0.6S n确定,即取该机在cosϕ=0.80(滞后)运行时的无功功率值。

4结论
１．发电机进相运行科研工作，已进行了许多年,取得了丰硕的成果。

但未能正式应用于电力生产。

有时更为严重者竟把进相、失磁混为一个概念,不能正确理解及区分之。

2.进相运行是发电机的正常运行方式下的特殊运行方式，发电机在额定功率值时,均应具备能按功率因数0.95进相运行的能力。

对已投入运行的发电机，应有计划的按系列运行典型的吸收无功电力能力试验，并应将试验结果为运行方式的依据。

进相运行容量(即Ｐ和Q值)由定子铁芯端部过热、静稳定极限或定子过电流三者中的最小限值确定。

3.中国电力协会、科研机构及发电企业应切实做到技术交底，让发电机进相运行能应用于电力生产,而不能脱离电力生产，把技术推广到生产一线。

４．发电企业技术管理人员应带头刻苦钻研,敢于创新，立足实践,把新技术,新成果应用于生产。

[作者简介]
孙乐场(１９7６—),男,工程师，南京工程学院热能动力工程本科。

现工作于徐州坝山环保热电公司，从事生产管理。