进相试验（精选6篇）
进相试验 篇1
摘要：本文对发电电动机进相运行的限制条件进行了论述, 分析了决定机组进相运行范围的静态稳定、定子端部铁心和金属结构件的温度及励磁系统限制等主要因素, 并由此得出宜兴抽水蓄能电站4号机进相试验的工况。最后通过对试验过程及结果的分析得出机组进相运行的范围。
关键词：抽水蓄能电站,电动发电机,进相运行
随着电网的不断发展, 装机容量的增加, 高电压长距离输电线路的大量投入, 电力系统中的充电无功日益增大。当夜间或节假日负荷处于低谷时, 需要的无功功率大为减少, 过剩的无功功率会使系统的电压增高, 甚至超过允许的规定值, 严重地影响到电能质量与设备安全[1]。因此, 吸收电网中的无功, 降低偏高的电网电压就成了电网的当务之急。采用并联电抗器、同步调相机和发电机进相运行等措施是降压常用的手段。仅从调相调压的角度看, 前两者投资太大, 所以发电机进相运行是适应这一要求的最经济、有效、便利的措施之一[2]。宜兴抽水蓄能电站是一座日调节纯抽水蓄能电站, 电站总装机容量为1 000MW, 装设4 台单机容量为250MW的立轴单级混流可逆式机组。电站机组本身在电网起到了调峰作用, 如果能够采用进相运行又能起到降低电网电压的作用。因此, 有必要验证机组进相运行能力, 确定稳定运行的范围, 以指导电站在适当时候采用该运行方式。
1 发电电动机进相运行限制因素
发电机的运行范围受冷却条件、电压水平、系统运行方式、AVR以及发电机参数的非线性 (饱和作用) 等多种因素的影响, 进相运行时还受发电电动机端部结构件的发热和在电网中运行的稳定性限制[3]。
1.1 静稳定限制
抽水蓄能机组属于凸极式发电电动机, 凸极机的特点是Xd≠Xq, 以标幺值表示的凸极机的电磁功率为:
式 (1) 中U为系统电压, δ为发电机内电势Eq与U的夹角, Xd为直轴电抗, Xq为交轴电抗。上式第一项为励磁电磁功率, 其值与励磁电流的大小有关;第二项为附加电磁功率, 其值仅取决于发电机Xd与Xq的差值和机端电压的高低, 与励磁电流无关。
Xd与Xq是发电机参数, 为固定值。当P、U一定时, 发电机进相运行过程中, 随着转子电流减小, 其进相深度逐渐增加。但此时, 发电机电势Eq降低, U相应也有所下降, 为了保持电磁功率P不变, 功角δ必须增大, 而δ角的增大使发电机静态稳定度降低, 根据静稳定判据, 可求出稳定运行的功角范围。显然, 凸极机的最小有功功率时静稳定极限为Eq=0, δ=45o。
1.2 定子端部铁心和金属结构件的温度限制
发电机端部漏磁通是由转子和定子漏磁通合成的, 它是一个随转子同速旋转的合成磁场, 其大小与定子绕组的结构、端部的结构和转子、风扇的材料、尺寸和位置等发电机制造工艺有关。该旋转漏磁通磁场在切割静止的定子端部各金属结构件时, 就会在其中感应涡流和磁滞损耗, 引起发热。当发电机由迟相向进相运行方式变化时, 端部合成漏磁通将随之显著增大, 端部元件的温升也将升高, 成为限制进相运行的条件之一。
1.3 低励限制和失磁保护
低励限制的功能是防止发电机进相运行时过度进相引起失磁和失步。低励限制的动作值是按发电机静稳定极限并留有一定余量进行整定的。失磁保护则是针对发电机励磁突然部分或全部消失而设置的继电保护。考虑到试验时一旦发电机失磁, 发电机转子电流将按指数规律衰减, 同时将过渡到异步运行状态, 此时发电机将从电网大量吸收无功, 严重影响系统安全稳定运行。因此, 低励限制需要根据机组实际运行情况重新核定, 而失磁保护则要求一直投入。试验期间, 为了维持系统电压稳定、保证系统无功储备, 同一单元的3号机组采用抽水调相的运行方式配合调节无功功率。
首先进行第一个工况, 有功功率250MW时机组的进相。进相前系统电压为512.0k V, 进相到试验计划工况, 无功为-86.78Mvar。 此时3 号机配合发出无功41.29Mvar, 功角为40.3°, 系统电压为511.33k V。稳定20 分钟后, 进行温度测量。
之后进行第二个工况, 有功降至200MW进行进相。进相前系统电压为512.97k V, 进相到试验计划工况, 无功为-129.49Mvar。此时3号机配合发出无功81.68Mvar, 功角为43.2°, 系统电压为511.29k V。稳定20 分钟后, 进行温度测量。
最后进行第三个工况, 有功继续下降至140MW进行进相。 进相前系统电压为513.27k V, 进相到无功为-135.15Mvar时, 发电机机端电压下降至14.45k V, 已低于额定电压的92.5% (14.56k V) , 停止继续进相。此时3号机配合发出无功92.00Mvar, 功角为37.4°, 系统电压为511.96k V。稳定20 分钟后, 进行温度测量。实际进相试验工况数据见表2。
1.4 进相工况的确定
试验前对进相工况进行计算, 功角以不超过50°为准, 进相时主要测量定子电流、电压, 机组有功无功、频率及功角等电气参数和定子铁心上部、铁心下部、线棒等温升值[4,5]。另外, 考虑宜兴抽蓄机组在低负荷时振动情况较差, 将最低考核工况的有功负荷设置为略大于125MW (额定负荷的一半值) 。经核算后选取的进相考核工况见表1。
2 实际试验情况
2008 年10 月19 日宜兴抽蓄进行了4 号机进相试验,
3 数据分析
3.1 静态稳定极限
从表4 中可以看出, 在3 个试验工况中, 功角最大值为43.2°, 不超过45°的静稳定极限, 因此该进相范围可以作为机组的进相运行范围。且在试验过程中, 低励限制和失磁保护都未发信, 验证了保护的正确性。
3.2 进相运行对铁芯温升的影响
从测得的定子铁芯温升数据看, 在3个进相工况中, 铁芯温升的最高点都在铁芯上部指压板。最高温升出现在有功为250MW, 进相-86.78Mvar工况时, 此时铁心上部指压板温升为69.6K。其余2 个工况的温升最高值均低于此值, 未超过发电机定子铁芯的温升限额80K, 且有一定预度。
3.3 进相运行对发电电动机端电压的影响
发电电动机运行规程中规定机端电压不得低于额定电压的92.5% (14.57k V) , 同时厂用电电压不得低于额定电压的95%。试验前, 为保证电站其他设备的安全, 厂用电倒至其他机组。试验中, 随着进相深度的增加, 发电电动机端电压U随之下降, 在250MW进相时, 机端电压从进相前的15.54k V跌至进相后的14.78k V。在200MW进相时, 机端电压从进相前的15.58k V跌至进相后的14.48k V, 此时机端电压已略低于额定电压的92.5% (14.57k V) 。在140MW进相时, 机端电压从进相前的15.66k V跌至进相后的14.45k V, 此时机端电压已低于额定电压的92.5% (14.57k V) , 此工况的进相试验由于机端电压过低而停止继续进相。因此, 发电电动机进相时进相深度受到机端电压的限制。
3.4 进相运行对500k V电网的调压作用
进相运行时, 随进相深度的增加, 发电机功角逐渐增大, 吸收系统的无功增多, 系统电压相应下降。试验时3号机组配合4号机组进行无功调节, 但在进相后, 系统电压还是有所下降。在250MW进相时, 系统电压从进相前的512.00k V跌至进相后的511.33k V。在200MW进相时, 机端电压从进相前的512.97k V跌至进相后的511.29k V。在140MW进相时, 机端电压从进相前的513.27k V跌至进相后的511.96k V。表明发电机进相运行对系统电压具有一定的调节作用。
4 结论
4.1 宜兴抽蓄4 号发电电动机具有一定的进相运行能力, 在AVR投入运行方式下, 在表3 所列工况的范围, 即图1 a/b/c范围内进相运行是安全的。
4.2 进相运行时失磁保护须投入, AVR低励限制可参照上述范围整定。
4.3 通过进相试验数据分析, 发电电动机端部结构件的温升在进相运行时有一定的预度, 不会对发电电动机进相运行构成限制。
4.4 发电电动机进相试验时机端电压下降明显, 进相运行时应监视机端电压和厂用电电压的下降, 不得低于电厂规定最低值。
4.5 进相运行对500k V系统降压作用是有效的, 对解决电网无功过剩, 改善电压质量是一种有效而且经济的技术措施之一。
参考文献
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进相试验 篇2
1 试验数据与分析
黑龙江某电厂350 MW机组 (型号:QFSN-350-2) 主要参数如下:
额定功率为350 MW, 额定电压为20 k V, 额定电流为11887 A, PT变比为20 000 V/100 V, CT变比为15 000 A/5 A, 功率因数为0.85 (滞后) , 冷却方式为水、氢、氢 (内冷) , 额定励磁电压为368 V, 额定励磁电流为2897 A, 励磁调节器型号为NES-5100, 励磁方式为自并励, 强励顶值电压倍数为2, 转子电流分流器变比为4000 A/75 m V。
1.1 发电机不同工况下的进相试验
在黑龙江电网局部电压偏高、部分变电站母线电压接近或超过允许限制值时, 可采用本地区或临近区域机组进相运行的方法吸收电网过剩的无功。进相运行的机组有功出力不宜超过额定有功的80%, 发电机机端电压应不低于额定电压的90%, 机端电流不大于额定电流, 功角应不超过70°, 厂用电母线电压应不低于负载额定电压的95%, 端部铁芯和金属结构件温升以及发电机进出水温差、冷热风温差不超出机组运行规程的允许范围[2]。试验时, 有功功率要分别稳定在280 MW、245 MW和210 MW, 平稳调整发电机励磁电流, 使发电机无功功率逐渐降低, 由迟相运行过渡到进相运行。测得发电机及励磁电气量数据如表1所示。
从试验数据可以看出:
1) 发电机定子电压、转子电压和转子电流, 随进相深度的加深而降低, 而发电机定子电流和功角随进相深度的加深而增大。
2) 发电机进相深度、定子电流、定子电压和功角都在规定的控制指标之内。
1.2 发电机静态稳定性限制
发电机在进相运行时保持有功功率不变, 随着进相深度的增加, 励磁电流不断减小, 发电机的功角逐渐增大, 当发电机的功角增大至静态稳定的临界点时, 如果继续降低励磁电流将导致发电机失去静态稳定。因此, 进相运行时不仅要严格监视功角仪, 同时还要投入低励限制。NES-5100型励磁调节器低励限制动作曲线采用5点拟合, 低励限制整定值如表2所示。
采用逐渐减磁的方法, 用便携式电量记录分析仪分别测得280 MW、245 MW和210 MW工况下低励限制动作曲线如图1-图3所示。根据3个录波图可以获得低励限制动作时的实际值如表3所示。
由低励限制拟合整定公式Q整定值= (2/7) P整定值-120和NES-5100型励磁调节器低励限制动作公式Q2动作值= (U标幺值-1) Q0+Q整定值 (Q0为P=0时对应的低励限制无功整定值) , 计算出无功功率整定值及理论动作值如表4所示。
由表4数据可知, 低励限制实际动作值几乎等于理论动作值。发电机进相深度应该与低励限制相互配合, 要防止在发电机进相过程中低励限制定值设置不合理而造成误动的情况。因此, 选取280 MW及210 MW工况试验数据, 根据直线型低励动作曲线公式Q=a P+b, , 求得a=0.246666667, b=-102.6424533, 依此算出各工况下低励限制动作值和最大允许进相深度的配合关系如图4所示。
1.3 进相运行对高压母线电压和厂用电压的影响
大型发电机组采用发电机出口自带厂用变压器, 经它降压后为厂用设备供电。当发电机进相运行时, 随着励磁电流的降低, 发电机由发出无功功率变为吸收无功功率, 使得发电机出口电压下降, 导致厂用母线电压降低, 厂用辅机电动机转数下降, 辅机出力降低, 从而间接影响到发电机的功率输出。此外, 厂用电压降低, 还会使辅机电动机电流增大, 定子线圈发热量增加, 严重时烧毁电动机。因此, 为了保证厂用大型辅机的连续运行, 要求厂用电母线电压不低于负载额定电压的95%, 主变高压侧母线电压不低于额定值[3]。不同工况下高压母线电压与厂用电压值如表5所示。
从表5可以看出, 随着进相深度的增加, 220 k V母线电压和厂用电压呈下降趋势, 此时发电机进相运行可以吸收系统的无功功率, 降低电网电压, 并且不会对系统稳定构成威胁。
1.4 发电机端部温升限制
影响发电机进相运行能力的因素除了发电机静态稳定性的限制外, 还有定子端部结构件的过热问题。发电机进相运行时, 由于定子和转子绕组端部的漏磁场相加, 造成发电机端部的漏磁密度大大增加, 并且相对定子以同步速度旋转, 通过磁阻最小的路径形成回路, 在定子端部铁芯和金属结构件中产生磁滞损耗和涡流损耗, 从而引起端部铁芯和金属结构件的温度升高, 以致端部结构部件变形或损坏, 绕组和铁芯松动, 端部绝缘磨损和绝缘老化速度加快, 及进一步破坏定子绕组的绝缘, 引起绕组接地或相间短路等故障, 限制了发电机的进相能力。但是, 发电机端部发热并不是限制机组进相运行深度的首要条件, 这主要是因为在制造过程中, 大型汽轮发电机采取了多种措施对端部漏磁场加以限制, 例如采用非磁性钢的转子护环和非磁性材料的定子压圈、压指、铜屏蔽等都可以减少端部发热[4,5,6]。此外, 将定子铁芯的端头制成阶梯形也有利于降低漏磁磁场强度。
2 结语
利用发电机吸收无功功率是解决电网低谷运行期间无功功率过剩、电压过高的有效措施。发电机进相运行时应考虑发电机静态稳定性与低励限制的配合关系、漏磁引起的端部温升以及进相时机端电压下降对厂用电设备的影响等各方面因素, 加强对发电机各项指标的监控, 控制机组在指标限制范围内进相运行, 使发电机进相深度与低励限制相互配合, 保证机组的进相安全。同时, 用进相的方法来调节电网电压可以降低投资成本, 确保良好的经济效益和安全性。
参考文献
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进相试验 篇3
发电机处于迟相运行时, 如, 保持输出有功不变, 减小励磁电流I, 则E减小, θ增大, 当E
发电机运行时, 随着进相功率因数cosθ由1到0逐渐降低, 吸收的无功功率增多, 合成漏磁通值越来越大, 致使定子端部发热越来越严重。如果温度超过允许值。就必须限制发电机的出力。故发电机定子端部结构件温度上升是发电机进相运行的1个限制条件。
西安交通大学王瑛老师《同步发电机与变压器的原理及运行》一书中指出, 当发电机进相运行时, 如果电流原已达到额定值, 则系统电压的下降, 将迫使其定子电流超过额定值, 所以, 发电机定子电流的限制, 也是发电机进相运行的1个限制条件。
发电机的机端电压下降, 会造成厂用电电压降低, 使厂用电动机转差率增加, 从而电动机各绕组中电流将增大、温升增加、效率降低, 这也是发电机进相运行的1个限制条件。
因此, 每台发电机必须通过试验确定发电机的进相容量, 摸清发电机进相运行深度的限制条件, 为电网的调度, 发电机稳定运行提供依据。
为搞清山西古交电厂1号发电机组进相情况, 我们组织了发电机进相试验, 总结出古交发电厂1号发电机进相行运行的部分限制条件。
1 控制进相运行限制条件的分析
随着电力系统的不断发展, 大型发电机组日益增多, 同时输电线路的电压等级越来越高, 输电距离越来越大, 加之许多配电网络使用了电缆线路, 它们的相间和对地的电容相应地增大。这就相当于在系统中增加了大量的电容负载, 它们从系统中吸收了大量的容性无功。这种无功的大小只由系统的结构来决定, 与系统的负载大小无关。当系统负载较大时, 系统所需要的感性无功也比较大, 这时线路电容可以补充一些系统的无功需要。但当系统处于轻载时, 系统总的无功需要相应减少, 但线路电容并不随负载改变, 这样就使系统的无功出现剩余, 从而使系统电压上升, 以致超过容许的范围。过去, 一般采用电抗器或利用调相机来吸收此部分剩余无功功率。其效果局限在一定的范围内, 且还要增加了设备投资。为了解决这个问题, 最好措施是利用部分发电机作进相运行, 以吸收系统剩余的无功功率, 保证系统电压始终处于在容许范围内。
发电机实际运行的过程中, 受到自动电压调整器的投入状况, 短路比的大小, 外部电抗的大小等的影响, 实际的静态稳定极限比理论静态稳定极限小。为了保证发动机的运行状态, 尽可能地处于理论静态稳定极限状态, 以保证发θ=90°的静态稳定极限状态, 因此, 控制电机的静态稳定极限就成为发电机进相运行的主要条件。
随着进相功率因数cosθ由1到0逐渐降低, 吸收的无功功率增多, 合成漏磁通值越来越大, 致使定子端部发热越来越严重。如果温度超过允许值, 就必须限制发电机的出力。为了保证发动机处于进相运行状态, 还必须限制发电机定子端部结构件温度的上升。
为了控制因发电机的机端电压下降, 引起系统电压下降, 造成发电机的定子电流因其功角的增大而增大的问题, 还应该限制发电机定子的电流。
总之, 每台发电机必须通过测试, 确定发电机的进相容量, 摸清发电机进相运行深度的限制条件, 为电网的调度, 发电机稳定运行提供依据。
2 兴能电厂1号机组进相运行限制条件测试结果
我们从发电机功角、定子电流及厂用电电压等方面进行测试, 给出兴能电厂1号机组进相运行的控制条件。
2.1 发电机功角θ[1]
根据当前运行方式下, 系统静态和暂态计算的结果, 在有功功率200 MW, 230 MW和250 MW 3个工况点进行测试, 各工况点功角限制添加见表1。
利用表1给出的数据, 根据E
2.2 发电机定子电流
测试结果给出, 发电机定子电流不得超过发电机定子额定电流的1.05倍, 否则会因定子端部发热, 造成进相运行失败。
2.3 厂用电电压
按厂用电电压不低于其额定值的90%考虑, 1号机组的可进相深度为6 Mvar。按厂用电电压不低于其额定值的95%考虑, 在有功出力为250 MW时, 可进相深度为1 Mvar, 测试结果见表2。
测试结果表明, 1号发电机端部结构件的温升, 不是该发电机进相运行的限制条件, 在不同工况下的进相深度, 系统稳定计算极限值是限制因素。带厂用电运行时, 厂用电压不是首要限制因素。
2.4 小结
带厂用电运行时, 按厂用电电压不低于其额定值的90%考虑1号机的进相深度, 可进相6 Mvar。不带厂用电有功功率为200 MW进相深度为-72 Mvar功角为50°, 有功功率为250 MW进相深度为-30 Mvar功角为47.1°, 在不同工况下的进相深度, 系统稳定计算极限值是限制因数。根据实际情况看, 发电机在不同工况下发电机端部结构件的温升不超过120°, 发电机定子电流不超过额定电流1.05倍, 均能满足进相运行的要求。
3 结语
同步发电机进相运行, 对于维持电力系统电压的稳定有着至关重要的作用, 尽管进相运行会给发电机组的稳定运行带来一定的影响, 但是趋势的发展是不容回避的, 所以为了电网的稳定及发电机运行稳定, 认识发电机进相运行, 探索同步发电机进相运行的限制条件, 并充分掌握它、运用它是很有必要的, 是有着重要的现实意义的。
摘要：从发电机动角、定子电流、厂用电电压等方面, 对山西古交兴能电厂1号发电机组的进相限制条件进行了测试。结果表明, 在发电机进相运行, 有限制在有功功率为250MW以下, 定子电流不得超过额定电流的1.05倍。目前发电机组端部结构件升温、带与不带厂用电运行以及系统稳定计算极限还不会影响发电机的进相运行。
关键词：发电机,进相运行,限制条件
参考文献
发电机进相运行的研究现状及展望 篇4
随着超高压、大容量、远距离输送的现代化电网的建设和发展,电力系统低谷运行时枢纽点电压偏高的问题日益突出,严重影响着送变电设备的安全运行。常用的电网调压方式中,发电机进相运行具有调压平滑、不需额外投资、易于实施等独特优势而逐渐得到应用[1,2,3]。从20世纪50年代开始,国内外就有关于发电机进相运行的文献报道[4,5,6,7,8],至今已取得了一系列的成果。
当前,关于单机进相运行的关键制约因素的研究已较充分,且有很多采用进相运行显著降低区域高电压的成功实践。但是,单机进相时容性无功负荷通常未按最优方式分配,未能充分发挥发电机的调压能力;随着发电机进相深度的加大,发电机本身乃至整个电网的暂稳水平也将下降。而由系统内多台机组承担进相任务,能有效避免发电机深度进相,使系统具有较大的稳定裕度,机组定子端部发热等问题也可明显改善。因而,充分利用并网发电机的调压潜力,实现多机协调进相运行,对于减少设备投资、解决地区无功过剩矛盾、制定电压控制预案、保证电网的电能质量、提高电力系统稳定运行水平等有着重要意义。
本文首先总结了目前国内外在发电机进相运行方面已经取得的研究成果,并进一步指出了该领域所需解决的关键技术问题和主要发展方向。
1 发电机进相运行的基本机理
如图1所示,以隐极发电机为例,设发电机G直接连于无穷大系统S,则端电压UG恒定不变,设发电机电势为Eq、定子电流为I、功率因数角为ϕ,励磁电流为If,同步电抗为Xd,发电机功角为δ。
当If增大时,Eq随之变大,I产生去磁电枢反应,此时I滞后于UG,ϕ同时发生变化,是滞后的,G发出有功功率P和无功功率Q,此时G为迟相运行状态,如图1(a)所示;反之,当减小If,使Eq减小,ϕ超前于UG时,I产生助磁电枢反应,此时G转为吸收Q,G为进相运行,如图1(b)所示。
2 发电机进相运行的研究现状
2.1 进相运行能力的约束因素和稳定监测研究
当前,工程技术人员主要从机组定子端部发热、功角静稳、厂用电电压等出发,研究单机进相运行的注意事项和监测指标,本文在此进行简要阐述。
1)端部发热。定子端部发热是由端部漏磁引起的结构件温升导致的,其主要与定子绕组结构、端部结构以及风扇材料、尺寸等制造工艺有关,是现场所无法控制的[1]。文献[9]指出典型工况下端部温升的计算可以用来分析进相运行时的安全性和可靠性,并可进一步推广运用到端部结构的优化设计。文献[2]应用工况参数计算定子端部温度,试验方法简单且不影响发电机的安全运行。根据定子铁心端部的温度模型,文献[10]推导了一种新型的定子铁心端部温升限制曲线数学模型及方法,以实时指导发电机的进相运行。
因定子端部结构和材料的差异,要精确求端部某点温升较困难,即使是一些近似的计算方法依然较复杂,目前常用的有最小二乘回归法和推算方法,此两种算法都需要试验实测值,对不同类型的发电机仅能大致预计其定子端部温升的限制作用[7]。
早期生产的发电机端部结构较简单,缺少降低端部磁密及加强冷却的措施,进相运行时端部结构件温升较高。近年来随着制造工艺的提高,大型发电机的设计可充分考虑影响发电机进相运行的一些因素,尤其是端部铁心发热,通过改造通风冷却系统,己基本能满足进相运行的要求[3]。
2)功角静稳。当发电机进相运行时,随着If的持续减小,将使δ增大,逐步逼近发电机的静态稳定极限,若继续减小If,则发电机将面临失稳危险。对发电机进相运行稳定性的研究,主要是从不计自动励磁调节器和计及自动励磁调节器两方面来研究[11]。文献[12]根据发电机进相运行的功角特性方程并考虑一定的静稳定储备系数,分析发电机稳定极限功角。文献[13]在此基础上提出了隐极同步发电机进相运行功角计算新方法,在计算功角时引入发电机转子电流,计及了磁路饱和的影响,计算简单并且易于实现。文献[14]采用解析法对发电机进相运行时的静稳定性进行研究,从理论上推导了发电机进相运行的静态稳定。
3)厂用电电压。发电机进相运行时,对于静稳极限和进相深度影响最大的是机端电压的变化,这是因实际系统不可能为无穷大系统,无法维持机端电压恒定的缘故,文献[1]指出机端电压的下降幅度在进相运行时可以进行控制。
4)暂态稳定性的影响。在输出相同P的条件下,进相运行时Eq较小,δ较大,此时系统的暂态稳定水平随之下降,使得进相能力也相应受其约束,应根据实际运行方式通过系统计算进行分析。
5)进相运行的监控。由以上分析的限制因素可知,在发电机进相运行之前须做好必要的计算、试验等准备工作,在运行中设置有效的监测手段,以确保发电机在进相运行方式下的安全运行。文献[15]指出当发电机进相深度增大时,端部铁心温度提高,定子铁心的中段部分下降,因而发电机在不同的运行方式下,为防止引起定子铁心局部过热,应重点监测不同部位。文献[2]提出了一种新的发电机工况参数模型,在线实时计算静稳裕度,并将其应用到石景山热电厂故障诊断系统之中,实现了发电机进相运行时的在线监测。另外,文献[16]研究了汽轮机进相运行时安监系统的研制,通过在线测量机端电压电流对机组的工况进行安全评估。文献[17]设计了进相监控器,可测量显示发电机功角、无功功率和功率因数,且可按离线计算与试验数据所拟合的P-Q曲线控制发电机进相深度,以保证发电机进相运行的安全。
综上所述,进相运行时应实时监控功角、定子端部温升等参数,确保进相期间系统的安全稳定。
2.2 发电机进相能力的建模研究
开展发电机进相试验是确定其进相能力的重要环节,进相试验结果是机组进相运行的参数监视、无功负荷调节和制定现场运行规程的依据。但发电机进相现场实测试验不可能穷举所有工况,而电网进相运行需要的工况与试验时肯定会有差异,试验结果的可参照性较差。因而,如何建立合适的模型以反映实际发电机的进相能力,是值得研究的问题。
文献[18]根据有限元计算参数,分析汽轮发电机的稳态运行极限,对确定发电机的进相运行能力提供了依据。文献[19-20]指出在实际系统中,进相运行机组的输出有功一般较小,某些发电机模型(如发电机三阶模型、Phillips-Heffron模型)不宜用于进相工况下的稳定分析。文献[21]基于Matlab搭建了单机无穷大系统的仿真模型,对同步发电机进相运行进行仿真,一定程度上模拟了发电机进相运行的实际运行情况,但模型的仿真精度受局限。
当前,对于确定发电机进相能力的问题,常用的方法主要有数学模型计算法和试验结果拟合法。其中,数学模型计算法基于机端电压不变或同步电抗不饱和等假定,建立进相时各量值的解析数学模型[14,22]。然而,发电机进相运行系统是一类多变量、强耦合的复杂非线性系统,解析的数学模型难以精确建立,故该方法具有一定的局限性。试验结果拟合法仅从试验结果入手,基于发电机进相各变量线性关系假设,拟合试验结果各量值之间的曲线[23],该类方法通常包括:表格插值、曲线插值和最小二乘法曲线拟合等,由于不考虑试验过程中各参数的关系和变化,存在精度低的缺点。
传统用于进相运行分析的数学模型,基本采用的是基于理想电机假设条件计算其P-Q容量图,计算误差较大,并导致盲目限制发电机进相运行能力的后果,文献[2]用发电机工况参数模型确定发电机进相运行能力,较好地描述了饱和的非线性影响,在计算发电机进相行为时达到了较高的计算精度。
另外需要指出的是,不同类型的发电机其进相能力是不同的,以异步化同步发电机(Asynchronized Generator,ASG)为例简要说明。ASG是一类转子磁场相对于转子本体位置可控的新型发电机,其定子结构类似于绕线式异步感应电机,采用三相对称绕组,转子采用两相或三相对称绕组方式励磁。当前文献中经常出现的双馈电机、交流励磁电机及变速恒频电机在本质上均可归属为ASG[24]。由于一般的同步发电机励磁的可调量只有一个,即励磁电流的幅值,故其只能调节发电机的无功。而ASG励磁的可调量有励磁电流幅值、频率、相位。当调节ASG励磁电流的频率或相位时,可以改变发电机电势与机端电压之间的夹角。因为增加了励磁控制自由度,ASG稳态运行时可实现有功、无功的独立调节,即使深度进相仍具有良好的稳定性,可实现变速恒频等运行,从而为解决电力系统的稳定问题、持续工频过电压问题以及变水头电站、抽水蓄能机组和风电机组的运行问题提供了一种新的思路[24,25,26]。
此外,确定发电机进相能力,还应从系统侧校核暂稳水平方面加以考虑。一般选择进相机组的近区三相故障,主要考察故障后进相机组对系统是否失稳以及敏感区域的电压恢复情况。暂稳计算结果不仅对进相试验本身,而且对试验后制定发电机进相运行规程均有指导意义[7]。
综上所述,如何克服传统发电机进相能力分析方法的局限性,探求适合于发电机进相能力的建模新方法具有重要的理论和实际意义。
2.3 进相运行带来的特殊影响研究
1)失磁保护。现在的发电机都允许一定程度的进相运行,一般以异步圆作为失磁保护的动作阻抗区域[27]。发电机处于进相运行状态,此时机端测量阻抗呈容性,可能进入失磁保护阻抗动作圆,容易导致发电机的失磁保护动作[28,29,30,31]。文献[32]指出发电机进相运行时失磁保护是否容易误动,主要在于阻抗平面上低励限制曲线与整定的阻抗圆间的关系是否合理,并提出进相试验时防止失磁保护误动的方法。
2)电压升高失稳。大多数电压失稳的表现形式为母线电压的持续下降,但过电压导致失稳的情况也是存在的,引起这种类型电压失稳的原因包括发电机的最小励磁限制、变压器分接头的调节限制、较低的负荷水平,以及同步调相机的进相运行等[33]。
3)机组功率波动。文献[34]分析了二滩水力电厂1号机组发生功率波动的原因,指出该机组进相运行使低励限制动作后,励磁装置的调节品质变坏,使励磁电压出现大幅度波动,并提出了防范措施。
4)迭代算法的收敛。基于有限元的发电机非线性研究中,存在着大量涉及端点量迭代的计算,以往常用的线性端点量迭代法在功率因数(感性)较低的小功角下可较好地收敛,而对功率因数较高尤其是进相运行等大功角时收敛性较差,甚至无法收敛,文献[35]提出了牛顿拉夫逊(Newton-Laphson)端点量迭代法以解决此问题。
5)阻尼影响。文献[36]指出进相运行可提升机组固有阻尼能力,且进相运行时AVR对交轴和直轴阻尼绕组作用的影响不同。进相运行时,交轴阻尼绕组的阻尼能力得以提升,显著高于迟相运行时的能力,而直轴阻尼绕组的阻尼能力当有功很大时可能较迟相运行时的更差,进一步指出AVR负阻尼效应的强度与进相深度有关。
6)无功电价影响。发电厂的无功电价是整个无功市场定价的基础。发电机在进相运行吸收感性无功,定子端部温度升高,静稳裕度减少,需加大监视和管理力度,此时应计及相应的无功辅助服务成本,对进相运行的机组给予更多的补偿[37],且发电机进相运行对有功出力或备用容量的影响也应计及成本[38]。另外,文献[39]指出电力市场下以网损为目标的无功优化不是电网的最佳选择,单一的以网损最优为目标的无功优化虽可达成网损优化,但其总体的经济性能较差,往往是以有功发电的不合理分布和无功大量消耗为代价的,因为同样的负荷水平,为了达成网损的降低,某些情况下发电机组被迫进相运行,从而带来了更大的附加成本。
发电机无功服务成本的一种三段补偿计算[40]为
式中:iQ为发电机的无功出力;QCN为发电机额定无功出力;Qmin和Qmax分别为发电机的最小和最大无功出力;1λ、2λ和3λ分别为进相运行、正常运行和无功大于额定出力时的无功报价。对于发出(或吸收)单位数量的无功,发电机正常运行时成本最小,发电机在进相运行时成本最大,因此发电机三段报价的取值原则为:1λ≤2λ≤3λ[40]。
相反地,因为发电机进相运行吸收无功对系统也是有贡献的,文献[41]考虑发电机的进相运行,将无功等效补偿方法延伸到发电机进相运行的情形,形成统一的资源价值判断方法,从而能更全面地判断发电机的资源价值大小。
2.4 进相运行在不同工程背景中的应用
1)黑启动和抽水蓄能。黑启动电源的选取原则:调节性能好、自启动能力且该能力已通过试验验证、具备较大进相能力、启动速度快等[42]。由于抽水蓄能机组具有启动时间短、爬坡速度快和进相运行能力强等优点,所以在以火电机组为主的电网,一般首选抽水蓄能机组作为黑启动电源[43]。
黑启动一般由水电机组自启动成功后再远距离启动火电机组,在此过程中可能出现因水电机组带空载长线产生的工频过电压、操作过电压和谐振过电压等问题,可采取一定的措施,如带负荷前将机组进相运行于低电压水平、只对单回线路充电、变电站投补偿装置等[44]。机组黑启动试验每年至少进行一次,试验中包括对机组进相运行能力的检验[45]。
对于与发电机进相能力直接相关的励磁系统中的欠励限制可能导致的定子过电压,目前在黑启动的相关研究中还没有得到应有的重视,文献[46]对此进行定量分析,指出为保证黑启动过程的安全,水电机组带空线成功后,应尽快加带部分负荷使发电机尽早脱离进相运行状态。另外,文献[47]分析了琅琊山抽水蓄能电厂突然深度进相故障的过程和原因,并提出了处理故障的措施。
2)风电场。目前,国内大型风力发电机厂家都承诺其产品具备一定进相长期运行的能力,但只能定功率因数运行[48]。随着风电技术的发展,风力发电容量比重将进一步增大,因此应充分利用风电的进相特性以发挥其最大功效,在低负荷时期合理增加风电出力,有效减少进相运行机组或降低机组进相深度,改善系统整体的电压水平、降低网损等[49]。
3)核能。核电机组要求具有功率因数0.95(超前)的进相运行能力[50]。文献[51]指出秦山第三核电机组设计上具备进相运行能力,但因核电机组的特殊性目前不采取进相运行方式。但该机组在调试阶段做过进相运行试验(即低励试验在达到进相测试点后立即恢复迟相运行),并指出今后随着秦山一、二期机组扩建并投入运行,核电机组有可能采取进相运行方式。
4)其他。在水电站和HVDC中的应用[52,53,54]等。
3 进一步的研究要求与趋势
3.1 进相运行管理数据库
目前,已有众多进相运行的成功工程实践,取得了大量的实验数据,其数据类型简要汇总如下。
1)电厂数据包括:电气一次主接线图、母线电压波动范围、机组厂家、投运时间等。
2)发电机数据包括:型号、额定容量、额定功率、定子(转子)电压电流、功率因数、机端电压等。
3)励磁调节器数据包括:励磁方式、型号、低励限制值设置、强励倍数、是否低励保护等。
4)单机数据包括:功角零位测试时间、进相运行试验时间、通过评审时间等。
当前进相试验所得的众多参数资料数据(限额结论、统计总结、低励限值等)的共享性和查阅方便性不强,有待完善。因而,建立一套完整的进相管理数据库,将试验数据进行统一维护、管理,方便运行人员使用,就显得十分必要[55]。进相管理数据库可对电网进相运行管理、厂网协调管理、丰富电网运行数据库、提高电网管控能力等起到重要作用,并将为多机进相研究和实验打下一定的基础,最终为全网进相调压运行管理的规范化作出贡献。
3.2 多机进相运行的研究展望
对多机进相系统来说,电机内部的物理约束与单机是相同的;但在多机系统中,调节励磁电流要引起机组间的无功重新分配,应根据发电机与系统的联接方式和承担的有功负荷情况,合理规定各发电机调压的额度,即从突出群体效果出发进行整体进相运行控制。由于涉及到多机间的相互影响,多机、群机进相运行对电网影响的群体效果并非是单机进相基础上的简单叠加,具体单台机组稳定控制的指导性较差,尚无可依据的操作规范或判断依据。
目前,已有部分文献对多机进相运行情况下的调压能力进行研究[49,56,57],表明多台机组同时进相运行,在有效降低局部电压的同时,避免了同样进相容量范围内单机深度进相发电机的失稳。但是当前的文献主要是用静态等值的方法将外网多机系统简化为单机无穷大模型进行分析,等值的过程忽略了进相的多台机组间的相互影响,与电力系统实际运行情况存在差异,并且等值精度有待进一步提高。
已有的现场试验表明,通过采取一定的措施,厂用电电压下降和机组端部发热的问题已经不是限制发电机进相运行的因素,发电机静态稳定和电网暂态稳定极限降低是必须考虑的主要问题[58]。随着机组进相运行深度的加大,功角逐渐增大,机组本身乃至整个电网的暂态稳定水平也将下降,尤其是在有多台机组进相运行的电网,暂态稳定问题已成为限制机组进相运行的主要因素。通常在低谷负荷时系统无功较多,部分地区的电压偏高,电网的暂态稳定裕度比高峰负荷时也略高,但随着进相运行机组数目和容量的增加,电网的暂态稳定水平将有下降的趋势或可能性。为提高系统的暂态稳定,在相同的无功调节范围内,宜由多台机组以适当进相深度同时进相运行,而不宜单台机组深度进相。此外,对于进相运行的机组,其AVR必须投入,而且必须在合理的计算分析基础上对低励限制单元进行整定,通过试验后,才可以确定机组是否可以进相运行及进相运行的深度。
由于单机进相对电网调压的作用有限,调度中应突出多机进相的群体效果,多机进相、协调进相的新理念应加以重视,多机进相运行中的关键问题,如多机进相运行的稳定性、多机进相调压能力、多机协调进相及深度优化等,需要进一步的研究分析。
4 结语
本文综述了国内外在发电机进相运行领域的研究成果,并提出了未来发电机进相运行研究的方向,这些新的思路将为进相运行的深入开展做出贡献:
1)目前,按照国网公司的要求,各网省公司已经组织相关人力物力,进行了大量机组进相运行试验,取得了大量试验数据(如机组转子电压、定子电压、功率因数、3/6/10 k V厂用电电压及温度量测量等),如此众多的数据给运行人员统计和分析造成了相当的困难,亟待开发对应的进相管理数据库,以方便数据的共享、查阅、以及数据整合与综合利用。
2)多机进相运行对电网电压的调节作用明显优于单机进相,可显著节省系统无功补偿设备的投资,有利于变电站的接线简化和电网设备的运行维护。
3)随着进相运行机组数目和容量的增加,电网的暂态稳定水平将趋于下降,需要进一步从调度侧分析表征多机进相运行静态稳定裕度的实用指标。
4)当同一电厂内部或附近电厂某些机组进相、某些机组迟相运行时,可能出现迟相运行机组抢发无功,削弱了进相运行机组吸收电网无功的效果,需要进一步从机组侧探讨多机协调进相的策略,优化不同约束下的多机进相深度。
进相试验 篇5
在平衡电网无功的诸多方式中, 采用发电机进相运行不但能有效调节系统电压, 还不用投入额外设备, 经济性较好、操作简单、调节范围广, 对提升电网安全稳定水平具有重要意义[1,2]。目前, 电力系统广泛采用电力系统综合仿真程序 (PSASP) 在发电机进相试验前开展系统稳定计算, 以确保发电机进相运行时的系统稳定性。但是, 在传统发电机进相运行仿真计算时往往采用恒机端负荷模型, 即发电机组带不同有功负荷时厂用电数值保持不变, 而在实际运行时, 发电机组的厂用电负荷是随着机组出力而变化的, 这就导致了仿真结果不能完全反映机组及系统的实际运行状况, 也是导致现场试验结果与仿真计算结果出现偏差的重要原因之一, 一定程度上降低了仿真计算的准确度。对此, 本文在实测发电机组进相运行试验相关数据的基础上, 建立研究对象的厂用负荷模型, 研究厂用电变化影响仿真计算结果的程度, 改进传统发电机进相运行仿真计算条件, 并将改进前后的仿真结果与试验结果作对比来验证改进设置方式的有效性。
1 发电机进相原理及厂用电负荷影响
由于电力系统负荷多为感性负载, 发电机正常运行时电压相位一般超前电流相位, 功角δ滞后, 此时发电机既发出有功功率, 又发出无功功率, 这种状态称为迟相运行。若减小发电机的励磁电流If直至功角δ变为超前, 则发电机的负荷电流将产生助磁电枢反应, 此时发电机的状态称为进相运行[3,4]。发电机从迟相运行变为进相运行的过程, 表现为从发出感性无功功率改变成吸收感性无功功率, 利用这一特性可减少系统中过剩的感性无功, 降低局部过高电压。
通常, 发电机组有功出力不变时, 其厂用电负荷的变化会影响机端电压和厂用电电压的大小。下面建立单机无穷大系统模型来分析厂用电负荷的变化对机端电压和厂用电电压的影响, 如图1所示。
用额定电压时的充电功率来代替输电线路的电纳支路, 并在线路首末端分别连上充电功率的一半。
式中, UN为线路额定电压;B为线路电纳。
线路功率损耗为:
式中, RL、XL为线路电阻和电抗值;PL、QL为线路传输的有功功率和无功功率。
对于变压器, 将绕组和励磁损耗当作高压侧的负荷来计算, 可得:
式中, ΔST、ΔS0为绕组损耗和励磁损耗;RT、XT为电阻值和电抗值;PT、QT为变压器的有功功率和无功功率;I0%为空载电路百分比;ΔP0为空载损耗。
构建的发电机接入系统简化模型等值图如图2所示。
由式 (1) ~式 (4) 可求出各节点负荷Sa、Sb、Sc、Ss和各支路传输功率S′1, S″1, S′2, S″2, S′3, S″3。
因此变压器支路末端电压UT为:
由式 (5) 可得机端电压UG和厂用电电压UF:
式中, kT1和kT2是升压变和厂用变的变比。
由式 (5) ~式 (7) 可知, 当发电机厂用电负荷Sa改变时, 支路传输功率S′1、S″1也相应改变, 进而影响机端电压UG和厂用电电压UF, 最终影响发电机进相运行状态, 因此厂用电负荷的改变会在一定程度上影响发电机的进相运行。
2 基于实测参数的仿真算例
本文将在实测机组厂用电数据的基础上, 利用PSASP仿真计算进一步分析厂用电负荷的变化对机端电压和厂用电电压的影响程度及其对发电机进相运行状态的影响。此处选用某电厂#3发电机作为算例进行进相计算。
2.1 仿真计算说明及条件
(1) 计算采用中国电力科学研究院PSASP计算程序。其中, 潮流计算采用牛顿法, 暂态稳定计算采用隐式梯形积分法, 积分步长为0.01s。
(2) 华中电网100MW及以上发电机组及该电厂#3发电机组均采用考虑E″q、E″d电势变化的5阶模型 (即PSASP中3型模型) 。
(3) 该电厂#3发电机升压变在4档 (235.95/20kV) , 高压厂用变、公用变均在中间档;#4发电机出力保持300MW+j0Mvar不变。#3发电机组分别在不同有功工况 (330、265、200、165MW) 下逐渐从迟相进入进相运行直至达到发电机进相运行限制条件中的任一限制条件。
2.2 厂用电负荷模型
进相试验过程中实测该电厂#3发电机组厂用电负荷见表1~5。
由表1~5可知, 在机组有功负荷维持一定时, 厂用电有功、无功基本与机组无功出力无关, 因此可将同一发电机组有功出力时的厂用电有功、无功负荷取平均值 (见表6) , 再根据这些数据, 采用线性插值拟合不同发电机有功出力时的厂用电有功、无功出力曲线。
2.3 仿真计算对比及分析
为了充分了解厂用电参数改变对仿真计算结果的影响, 仿真计算时将#3发电机的厂用电负荷分为两组进行对比, 第一组厂用电负荷保持传统仿真计算时采用的20MW+j10Mvar恒定参数模型, 即机组满负荷时的厂用电水平, 第二组厂用电负荷取值参考拟合所得模型。
2.3.1 有功330MW校核
该电厂#3发电机处于满出力工况时, 两组厂用电负荷都为20MW+j10Mvar, 不具有比较意义, 因此不需要进行这一工况的校验。
2.3.2 有功265MW校核
该电厂#3发电机有功出力为265MW时, 第一组校验厂用电负荷取20MW+j10Mvar, 第二组校验厂用电负荷取17.51MW+j12.25Mvar。表7是仿真计算结果。
2.3.3 有功200MW校核
该电厂#3发电机有功出力为200MW时, 第一组校验厂用电负荷取20MW+j10Mvar, 第二组校验厂用电负荷取15.16MW+j11.18Mvar。表8是仿真计算结果。
2.3.4 有功165MW校核
该电厂#3发电机有功出力为165MW时, 第一组校验厂用电负荷取20MW+j10Mvar, 第二组校验厂用电负荷取13.92MW+j10.62Mvar。表9是仿真计算结果。
3 仿真结果分析
将表7~9的两组仿真计算数据分别绘制成曲线并与现场试验数据进行对比分析。
(1) 被试发电机组的厂用电负荷主要随机组有功负荷而变化。
(2) 随着机组有功出力的改变, 厂用电负荷有功的变化幅度较无功大。
(3) 厂用电负荷的改变可明显影响发电机组进相试验计算结果。
(4) 采用拟合曲线进行计算, 计算结果的变化趋势与不采用实测参数时基本一致。
(5) 发电机组有功负荷越小, 厂用负荷改变越大, 对发电机组进相运行计算结果的影响程度越大。
(6) 采用拟合曲线计算时, 发电机端电压和厂用母线电压都随厂用电负荷而变化, 其中厂用电电压受影响变化幅度更大。
(7) 采用拟合曲线开展进相运行系统计算时, 发电机端电压和厂用电电压的计算结果更接近于试验数据, 精度更高。
(8) 有功负荷越低, 计算结果特别是厂用电压与试验结果的吻合度越好。
4 改进模型算法与现场试验配合
在工程实际中, 开展进相运行试验前, 为确保试验时的系统稳定性, 需开展一系列的稳定计算, 通过系列边界条件来确定试验时的进相深度。在计算过程中, 往往达到某个电压限制或功角限制时就不再进行更深度的系统稳定计算。但是由以上分析可知, 受制于厂用电模型的精确度和其它因素, 发电机端电压和厂用电压的计算结果往往与现场实测数据存在一定差异。恒厂用电负荷模型会导致发电机端电压和厂用电压计算结果比实际值偏小, 特别是在低负荷时, 恒厂用负荷模型的计算结果与变厂用负荷模型的偏差达到2%以上, 而根据Q/GDW 746—2012《同步发电机进相试验导则》的规定, 试验时厂用电母线电压与额定值偏差最大也仅为5%。在计算过程中, 如果发电机端电压和厂用电压是最终限制进相运行的条件, 那么实际进相试验会因计算结果不够精确没有校核更深程度进相时的系统稳定性, 而没有达到实际能达到的进相深度, 从而限制了机组进相能力的发挥。
根据本文的研究成果, 上述问题的解决可采用改变原恒定厂用负荷模型为变厂用负荷模型的办法对计算结果进行改进;同时, 不以发电机端电压或厂用电压达到限值为停止计算的条件, 在计算时适当放宽机端电压和厂用电压的低限, 进行更深程度的进相稳定计算, 在现场试验过程中根据测试数据确定何时为进相极限, 以避免发电机进相试验因受稳定计算精确度的影响而没有达到预期目的的情况发生。
5 结束语
本文针对目前发电机进相运行仿真计算和实际试验存在偏差的问题, 首先从理论分析了厂用电负荷模型对发电机进相运行仿真计算的影响, 其次根据试验时实测的厂用电数据建立了变负荷厂用电模型以对厂用负荷设置的方式进行改进, 并将恒定厂用负荷模型的计算结果与改进后的计算结果进行了比较, 得出了改进后的模型仿真计算结果与试验值吻合程度更好的结论, 证明了本文提出的在实测参数基础上建立的变厂用负荷模型能够有效提高发电机进相运行仿真计算的准确性, 最后还结合发电机进相运行现场试验情况提出了针对性的改进建议, 对指导发电机进相运行仿真计算和现场试验具有重要意义。
参考文献
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进相试验 篇6
发变组的失磁保护是在阻抗坐标系中按照发电机的静稳阻抗圆和异步阻抗圆进行整定,而励磁系统的低励限制环节是在PQ坐标系中按照发电机进相试验的结果进行整定。两者之间存在一定的配合关系,即低励限制的动作应先于励磁系统通道切换和失磁保护的动作[1]。然而由于整定时未考虑两者的配合或机组运行参数等造成配合不合理而导致失磁保护误动作时有发生。
本文介绍一起由于发电机进相运行引起失磁保护误动作的事故,分析了励磁系统低励限制未动作和失磁保护误动作的原因,提出了通过两者的配合计算预防失磁保护误动作的措施。
1 事故概况
某发电厂3号机组装机容量为353 MW。2010年7月26日机组完成整套启动试验后并网运行,有功功率为147 MW,无功功率为47 Mvar。由于电网运行方式的需要,3号机组由滞相运行改为进相运行。当日16时59分左右,无功功率降为-43 Mvar,3号机组发“发变组保护异常”光字;17时09分机组跳闸,发变组保护装置“失磁保护告警”、“失磁保护动作”、“保护出口”信号指示灯亮。
2 事故分析
2.1 设备参数及保护定值
该机组保护装置采用南瑞继保电气有限公司生产的RCS985发变组保护,励磁调节器采用南瑞电气控制有限公司生产的SAVR2000型励磁调节器。与失磁保护相关的机组参数和失磁保护定值见表1,励磁系统低励限制定值见表2。
表1中,阻抗圆特性选择值为1,代表异步圆。
2.2 发变组失磁保护动作分析
根据机组跳闸后发变组保护打印报告和相关的参数曲线分析,7月26日16时54分35秒(保护系统时间)发电机失磁报警动作,AB相电流2.646∠330°A,AB相电压90.435∠300°V,发电机进相运行,测量阻抗已进入保护静稳阻抗圆整定范围,机端电压下降约9%。在此12 s后,发电机失磁保护动作(异步圆),动作电流2.860∠296°A,电压88.780∠260°V,测量阻抗进入异步阻抗圆范围,保护延时1 s后跳闸。由此判定发电机确实失磁,失磁保护动作正确。
2.3 低励限制未动作分析
发电机跳闸前,有功功率为147 MW,无功功率为-47 Mvar。根据励磁系统低励限制定值,有功功率为147 MW时,无功功率降低到-54 Mvar以下后低励限制才会动作,并发出“低励限制”报警信号。此时,无功功率为-47 Mvar,低励限制应当不动作。
2.4 低励限制不动作而失磁保护动作分析
根据文献[1],低励限制的动作应先于励磁系统通道切换和失磁保护的动作。然而本起事故中失磁保护先动作,而低励限制未动作,其故障原因可能就是两者定值配合不当造成的。发变组的失磁保护是在阻抗坐标系中按照发电机的静稳阻抗圆和异步阻抗圆进行整定,而励磁系统的低励限制环节是在PQ坐标系中按照发电机进相试验的结果进行整定。为了研究低励限制与失磁保护定值的配合问题,需要将失磁保护的阻抗坐标系转换为低励限制的PQ坐标系,在同一个坐标系中进行比较。
2.4.1 失磁保护异步圆向功率圆转化
设失磁保护阻抗圆的圆心坐标为(0,X0),半径为R0,圆内为动作区,其方程为:
发电机运行各电气量存在如下关系:
式中:U为发电机线电压;I为发电机相间电流;φ为发电机的功率因数角;P为发电机有功功率;Q为发电机无功功率。
将(式)2—5代入(式)1并整理得:
由于阻抗圆采用异步圆,是下抛圆,因此有:
所以,(式)6化简得:
2.4.2 发电机静稳圆与低励限制曲线
由文献[2]可知,发电机静稳功率极限圆为:
式中:UG为发电机机端电压;Xs为系统电抗;Xd为发电机直轴电抗。
根据励磁系统低励限制定值,可以绘出低励限制在PQ坐标系中的曲线。
2.4.3 低励限制与失磁保护的配合关系
根据上述描述和励磁限制和失磁保护的定值,将低励限制、失磁保护和发电机静稳圆绘制在PQ坐标系中,如图1所示。
图1中,曲线1为发电机静稳功率圆,圆内为稳定区;曲线2为发电机失磁保护功率圆,圆内为动作区;曲线3为励磁系统低励限制曲线,曲线下方为低励限制动作区。
由图1可以看出,低励限制定值整定明显不合理,当低励限制未动作时,失磁保护有可能动作,与本次故障现象一致。
3 事故处理与预防措施
本次事故为一起典型的误整定造成保护不正确动作的案例,需重新计算失磁保护定值[3,4,5,6]。
阻抗基准值ZB为:
失磁保护阻抗为:
根据重新计算后的失磁保护定值,校核低励限制和失磁保护的配合关系,低励限制、失磁保护和发电机静稳圆在PQ坐标系的曲线如图2所示。
由图2可以看出,在PQ坐标系中失磁保护功率圆位于低励限制的下方,低励限制位于发电机静稳功率圆内,三者之间配合的裕度充分合理,过渡平稳。
4 结论
本文详细分析了一起发电机进相运行导致失磁保护误动作的事故原因,提出将低励限制、失磁保护和发电机静稳圆3条曲线绘制在PQ坐标系内进行对比分析。实践证明,该方法切实可行,能够有效提高发电机安全稳定运行水平。
参考文献
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[5]孟凡超.发电机励磁技术问答[M].中国电力出版社, 2009.