水轮发电机并网知识

论水电站发电机并网运行的几种状态

随着农村水电事业的发展，绝大多数水电站都与县电网并网运行，解决了过去电站孤立运行时带来的一系列问题，如供电可靠性差、电能质量差、带负载能力差等。但并网后不少人认为运行人员的工作就是开机并网，抄抄表而已。虽然并网后运行人员的劳动强度改善了，用不着象单机运行那样，每时每刻都在看着频率调水门，看着电压调励磁(现在电压和频率由系统背着，无须经常调节)，但发电机并网后在运行状态上较单机运行时有着不同的特点和规律，就要求运行人员随时进行判断和处理。由于小水电站，单机容量大多在500kW以下，其保护设施差，在运行中出现不正常运行时，如不及时处理可能造成发电机乃至系统的严重故障。因此了解和掌握发电机并网运行的几种状态，不仅具有很强的技术实用性，而且对保证并网发电机的安全、经济运行都有实际意义。

一、发电机运行状态

发电机并网后，就可向电网输送电能，由于电能的发、供、用是在同一瞬间完成，因此必须保持系统功率的平衡，且有功的不平衡会影响电网的频率，无功的不平衡会影响电网的电压。电力系统要保持稳定运行，必须随时保持系统有功、无功的平衡。

水电站的发电机多为凸极式同步发电机，其功角特性曲线(见图1)。功角δ约在0°—80°范围内时，电磁功率Pde为增函数，发电机处于稳定运行状态；当6约为80°时产生最大的电磁功率pm；当δ在80°-180°范围内时，功角增大，电磁功率反而减小，发电机处于不稳定运行。发电机的额定功率．Pn。比功率极限Pm

小得多，Pm与Pn的比值称为发电机的过载能力km,一般水轮发电机的km，值设计时取1．7-3倍，其过载能力比隐极机大，因此额定运行时的功率角δn。一般在30°内。

发电机并网后，若维持励磁不变，只开大水门即增大原动机的出力，转子轴上的机械力矩材l增大，使输入的机械力矩M1，大于电磁力矩Md，转子将会升速，使功角δ增大，其电磁率也会增大，发电机多输出电能。在新的条件下保持m1=mdc，得到新的平衡，这时定子电流和功率表上均有新的指示。但若只开大水门，不调节励磁，功率因数表的指示将超前移动，甚至变为进相运行，这种状态称为欠励磁状态，发电机向电网输送有功，同时又向电网吸收无功。发电机不允许欠励运行，这时运行人员应立即增加励磁电流，使定子电流的大小和相位发生变化，发电机便可从欠励状态过渡到正常励磁。继续增大励磁，定子电流增大，功率因数表指针移向滞后，运行在过励状态。一般发电机都设计和运行在过励状态，即发电机向电网输送有功的同时，并向电网输送感性无功功率

正常情况下，功率因数为0．8(滞后)，这时发电机每发出l00kW有功，同时发出700-750kVar无功。以保证系统对有功、无功的需求。在运行期，电站可按调度的要求，或根据实际情况发送有、无功，让水流充沛的电站多发有功。但多发有功的发电机要注意定子电流不得超过其允许值，同时为了运行的稳定性，功率因数一般不得超过0．95(滞后)运行。

二、调相运行状态

为了平衡系统的无功，一般电力系统都有专门的调相机，以补偿系统无功的需要。在农村电网，也可采用水轮发电机作调相运行，如一些径流式电站或枯水期水源不足的电站，便可用来作调相机。所谓调相运行就是发电机不向电网输送有功，只向电网输送无功。发电机要维持运转，必须消耗一定的有功，可向电网吸收有功维持运转，通过调节励磁，榆出无功。但水电站作调相运行值得注意的是，当进水闸门及导叶全部关闭后，若蜗壳内的水未排尽，特别是一些混流式电站，轴流式电站，其尾水位高于蜗壳水位，这时运行中的转轴将会受到较大水阻力的作用，发电机要消耗较大的有功才能维持运转，同时机组还将产生一定的振动。因此一般规定只有在水轮机蜗壳内无水时，发电机才可作调相运行。在系统内应选择冲击式或斜击式水轮发电机作调相运行。发电机在作调相运行时，一般是吸收1kW有功发出6-8kVar无功。

三、失磁运行状态

发电机在并网运行中，若励磁开关误跳或励磁回路断线，导致励磁消失，这时发电机转子受到制动电磁力矩将趋近于0，而输入的机械力矩M，不变，这将使转子转速高于同步速(同步速h1：60ffp)。由于发电机与电网并列运行，其定子旋转磁场的同步速不变，则与转子间产生了转差。即定子磁场将以转差速度切割转子，在转子线圈和转子表面感应出交变电势与电流，其定子磁场与感应电流相互作用，根据电磁力定律又会产生一个制动力矩，称为异步力矩，这与三相异步电动机在转子上产生的电磁力矩相似，只不过异步机中产生的是驱动电磁力矩。发电机输入的外力矩在克服异步力矩的过程中作功，这两个力矩又将处于新的平衡。失磁后，发电机同样可以向电网输送有功，但却需要向电网吸收大量无功以建立磁场，这将可能使电网电压下降，甚至使电网瓦解，这是不允许的。另外，发电机失磁运行时还会使转子产生局部高温，定子中也将出现脉动电流，使发电机产生振动。由于小水电站一般都未安装失磁保护，在并网运行中，若发生失磁，运行人员可根据以下一些现象判断：如励磁电流为0；定子电流指示升高，指针摆动；功率表指示降低，指针摆动；功率因数表由滞后变为超前。当判明故障后，应迅速关闭进水闸门，并将发电机解列。

四、发电机处于同步电动机运行状态

从功角特性曲线看出，当功角δ超过180°，电磁功率Pde由正变负，说明发电机不向电网输送有功反而向电网吸收有功，即转入同步电动机运行状态。前面谈及的调相运行，实际上是一种同步电动机状态，只不过

转子没有电磁力矩输出。随着现代生产机械所需的功率越来越大，如压缩机、球磨机、大型鼓风机，其功率达数百千瓦到数万千瓦，这样大的功率若采用异步机，将消耗电网大量的无功，对电网十分不利。但若采用同步电动机，不仅不降低电网的功率因数，相反却能改善电网的功率因数，同时同步机的过载能力也优于异步机，因此大功率的生产机械在无调速要求时大多选用同步电动机。但这并不是说凸极水轮发电机就可以随便改为同步电动机使用。在原理上，同步发电机可以作同步电动机使用，二者是可逆的，但实际上它们在结构上是有一定差别的。为保证其起动、运行性能，水轮发电机不能随便改为同步电动机使用。水轮发电机在运行中，若进水部分出现故障，或者运行中导水叶全关闭，而这时又未断开主开关，发电机将会变为同步电动机运行。只要不变为欠励运行，或者说不对电网造成不利影响，发电机变为同步电动机运行，仍属正常运行。当开大水门，增加原动机的输入，又可变为发电机运行。

农村水电站的发电机并网后将会出现发电机运行、调相运行、同步电动机运行、失磁运行，其运行状态的变化及能量关系的转化与单机运行时有较大的不同。前三种按其需要进行调节都属正常运行状态，但其相应参数要控制在规定范围内。失磁运行属于不正常运行状态，又容易被运行人员忽视，因发电机可能还在向电网输送有功。因此要求运行人员了解和掌握发电机并网运行的基本运行状态，懂得在运行过程中的电势平衡与力矩平衡。按系统需要发送有功、无功，为水电站的安全、经济运行作好工作。