第二章大型发电机进相运行

第一节发电机的进相运行的必要性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，输电距离越来越长，加之许多配电网络使用了电缆线路，引起了电力系统电容电流的增加，增大了剩余无功功率。尤其是在节假日、午夜等低负荷情况下，由线路引起的剩余无功功率，使电网的电压上升，以致超过容许的范围。过去一般是采用并联电抗器或利用调相机来吸收此部分剩余无功功率，但有一定的限度，且增加了设备投资。近些年我国也广泛地开展了进相运行的试验研究。实践说明，进相运行是一项切实可行的办法，不需要额外增加设备投资，就可吸收无功功率，进行电压调整。适当进行进相运行，能降低电压，抑制和改善电网电压过高状况。该项技术措施易于实现，运行操作方便、灵活，可获得显著的经济效益。

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第二节发电机进相运行的分析1.什么是同步发电机的进相运行状态？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。

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2.发电机进相运行的相量关系实际并入电网的同步发电机是通过变压器、线路与电网相联的。发电机进相运行的相量关系如图1-15所示。此时发电机的功角为δG，发电机电势与电网电压相量之间的夹角为δs。

图1-15

发电机进相运行相量图

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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。4

3.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。我国1989年颁布的《发电机运行规则》第47条指出：“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。”发电机进相运行时就其本体而言有两个特点：1）发电机端部的漏磁较迟相运行时增大，会造成定子端部铁心和金属结构件的温度增高，甚至超过允许的温度限值；2）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。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。5

4.发电机进相运行所导致问题分析

发电机进相运行,从理论上分析是可行的。但由于发电机的类型、结构、冷却方式及容量有很大的差异，发电厂的电气主接线各异，发电厂和系统连接的紧密程度不同等原因，在进相运行是容许发出多少有功功率和吸收多少无功功率，理论上的计算由于不考虑电机的饱和及励磁方式的影响等，其结果是近似的，一般要通过运行试验来决定。运行和试验时应注意的问题如下：

1）静态稳定性的降低当同步发电机的输入功率受到一些微小的扰动，发生瞬时的增大或减小时，如果不考虑调节器的作用，发电机能在这种瞬时扰动后很快恢复到原来的平衡运动状态，这称为发电机的静态稳定。反之，称为静态不稳定。6

以隐极发电机为例，设电势为Eq，电抗xd=xq，端电压为UG，功率角为δG，则发电机的功角关系可用下式表示

（1－13）

由上式可知看出，在Eq、UG、xd不变的情况下，PM的变化会引起功角δ的变化，在功角为90o时，PM达到最大输出功率（1－14）对式（1-14）求导得（1－15）7可以看出：在时，发电机达到静态稳定极限；在时，发电机能保持静态稳定；在时，发电机会失去静态稳定。

因此，可以做为发电机静态稳定的判据。

设在迟相运行时，发电机的功角为δ1；进相运行时为δ2，在运行方式由迟相逐渐过渡到进相时，由于If下降，引起Eq下降（U也相应下降一些），而xd基本保持不变，则功角δ必然要增加，即从δ1增到δ2。此时最大功率点Pmax会下移。在δ=90°时，PM=

Pmax，达到静态稳定极限。此时若再减少励磁电流，则会失去稳定。

8例：N水厂一台TS854/156-40型、75MW的水轮发电机，实测有功功率恒定时励磁电流和功角的关系如图。功角随励磁电流减小而增大。时，增加比较缓慢。时，励磁电流稍有减小，功角增加很快。

讨论：上述的功角特性是指发电机励磁系统不带自动电压调节器而言。如果发电机在运行时带上自动电压调节器，则功角特性会有一些不同，最大电磁输出功率Pmax会向右移动，使得Pmax所对应的功角δ＞90°，实现发电机在人工稳定区域运行。9例（1）一台TB-100-2型发电机，，在手动励磁和投入自动励磁调节器两种条件下的实测结果列表：

该机的自动励磁调节器投入运行后，在接近额定有功功率时，吸收的无功功率由手动励磁时的42.2Mvar增到63Mvar。当有功功率降低时，电机的运行功角已超过自然稳定极限进入人工稳定运行区运行。10例（2）一台TQN-100-2型发电机，装有快速励磁调节器，在不投入或投入自动励磁调节器时进相能力的实测数据见下表进入人工稳定运行区运行，提高了进相运行的能力和进相运行工况下抗干扰的能力。11P发电厂一台QFQS-200-2型发电机。退出自动励磁调节器进相运行时，实测励磁电流与功角和机端电压的关系如图。

时，曲线变得很陡，表明励磁电流降到此值以后，若再发生微量的减少，都会引起功角有较大的增加，电机出现失步情况。投入自动励磁调节器后，发电机进相运行时的静态稳定大大提高，有功功率增大时，仍未失去稳定，只是定子电流超过额定值使进相深度受到了限制。12原因分析：

（1）发电机直接接在无限大电网上，即认为外部阻抗xs=0。由于带自动电压调节器后，在一定的励磁电流If下，不是保持Eq不变而是保持暂态电势不变所致，此时PM的表达式为：

（1－16）式中：

为瞬变电抗；为暂态电动势。由于，所以功角特性曲线相当于一个与sinδ成比例的部分和一个与sin2δ成比例的部分的合成。

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（2）外部阻抗xs≠0从图1-15中的相量图可以导出：

（1－17）（1－18）

当进相运行时，在输出有功功率一定的条件下，随着励磁电流的减少，δ角就要增大，从而使静态稳定性降低。式（1-16）是发电机直接接在无限大容量母线上而得出的。实际系统中，发电机经变压器、线路接到系统，所以需要计及这些元件的电抗（统称为外部电抗xs）。此时静态稳定性将进一步降低。

14图1-16隐极发电机的可能出力曲线

图1-16表示隐极发电机的可能出力曲线。图中，a的部分受定子绕组温升限制，b的部分受转子绕组温升的限制，c的部分受定子端部温升的限制，通常是由运行试验确定。d的部分表示外电抗为零时，进相运行的静稳定极限。e的部分表示外电抗不为零时，进相运行的静稳定极限。15

当发电机接有外部电抗时，由图1-15的相量图可得出进相运行时的有功功和无功功率表达式:

（1－20）由相量图可知16

代入式（1-19）和（1-20）经运算整理得

（1－21）（1－22）由相量图可看出δG与δs成正比变化，所以P与Q均为δs的函数。式（1-21）和（1-22）不仅可以计算发电机功率的大小，还可以判断系统运行的稳定情况。17

在静态稳定的极限(δs=90°时)，式中cosδs项为零。将上两式整理得

（1－23）由式（1-23）可以看出，计及外部电抗时进相运行的静稳定极限为一圆特性。其圆心在Q轴上距原点0为单位的点上，其半径长度为，如图1-16所示。此部分是进相运行时由静稳定决定的理论上的最大容许值，考虑实际运行中突然过负荷等因素的影响，比最大容许值还要低些。

18结论：1）带自动电压调节器后，进相能力明显增加。2）发电机短路比大，即xd小，进相能力强。3）发电机与系统联接紧密时，则进相能力强，而边远地区孤立的电厂，发电机进相能力小，甚至不能进相。4）系统电压越高，无功储备越大，则发电机进相时端电压下降越少，发电机进相运行能力越强。5）机机组所带的有功功率越多，则功角越大，静态稳定储备越低。19

由于大型内冷式汽轮发电机的电磁负荷设计值较一般外冷式发电机明显增大，导致其端部漏磁明显加大。尽管在设计中采用了一系列的技术措施，如定子压指、压圈，转子护环采用无磁性钢，定子铁心端部加电屏蔽和磁屏蔽，边段铁心做成阶梯形，端部小齿开槽等，来增加漏磁路的磁阻，以避免漏磁通集中，减少由漏磁场感应产生的涡流损耗，降低端部温度，以维持温升在允许的范围之内，但是随着运行方式由迟相逐渐过渡到进相，端部合成磁通将会增大，引起发电机定子边段铁心及端部结构件上的感应涡流增大，而产生附加发热。

发电机端部的漏磁是由定子绕组端部漏磁与转子绕组端部漏磁组成的合成磁通。定子端部铁心、结构件的过热主要是由于端部漏磁引起的。它的大小除与发电机的结构、型式、材料、短路比等因素有关外，还与定子电流的大小、功率因数的高低等因素有关。2）端部漏磁引起的发热

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发电机运行时，在其端部出现的定子绕组端部漏磁和转子绕组端部漏磁，将尽可能通过磁阻最小的路径形成闭路。为此由磁性材料制成的定子端部铁芯、端部压板以及转子护环等部分便通过相当大的端部漏磁。它在空间与转子同速旋转，对定子有相对运动，因此在定子端部铁芯齿部、压指、压板等部件中要感应出涡流和磁滞损耗使之发热。特别是直接冷却的或者大型氢冷却的定子线负荷大的发电机，此种发热尤为显著。

在迟相运行时这种发热是在容许范围内的。而在进相运行时，随着进相功率的增大，发热越来越严重，这是因为端部合成漏磁通随功率因数的变化而增大所致。

分析：图1-17（a）所示气隙磁通关系中，各磁通全部都通过气隙，但是端部漏磁通的路径很复杂，定子端部漏磁通与转子端部漏磁通不取共同的途径。某一点的磁通量取决于该点的磁阻，故磁通量因地而异。21

图1-17磁通相量图（a）气势磁通相量图；（b）端部漏磁通相量图

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定子铁芯端部中，由定子磁势引起的漏磁的漏磁通φea易于通过，在图1-17（b）中以AC表示。转子磁势引起的漏磁通经过气隙进入定子端部的部分φe0则较小，假设它为励磁磁通量φ0的λ倍（λ<1随铁心端部位置而定），在图1-17（b）中以相量AD表示，其值为a，AD=λAB。此时端部的合成漏磁通φe等于CD。保持定子电流不变的情况下（亦即图中AC不变），当功率因数由迟相转为进相运行时，合成的漏磁通CD将要增大。如图1-18所示。23

图1-18端部漏磁通与功率因数关系

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在图1-18中，电枢反应磁势产生的漏磁通AC不变。随着功率因数由迟相转为进相运行，由于励磁电流的减小，所以励磁磁势产生的漏磁通AD也相应地减少，其值等于λAB。而定子端部的合成漏磁通φe则增大，φe等于CD。D点则在以O点为圆心（O点到C点的距离OC=λBC），以OD（OD=BD×AC/AB=(1-λ)AC）为半径的半圆上移动。

由图1-18还可看出，当功率因数由迟相往进相变化时，在功率因数为1的附近，合成漏磁势φe的变化较显著；随着进相功率因数的降低（由1将到0），吸收的无功功率增多，φe越来越大，致使定子端部发热越来越严重。如取功率因数等于1时的φe为1，则定子端部某一点（其λ为小于1的定值）的合成漏磁通φe随功率因数而变化的关系如图1-19所示。

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图1-19端部合成漏磁通随功率因数变化曲线

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当功率因数一定时，端部漏磁通约与发电机的千伏安出力成正比，如图1-20所示。由图中可以看出，如欲保持端部发热为一定值，亦即端部漏磁通为一定值，随着进相程度的增大，千伏安出力应相应降低。

图1-20端部漏磁通与发电机出力的关系

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图1-21表示大型机组功率因数变化时的容许出力(有功和无功)。从图上很明显地看出，当发电机申迟相转入进相运行时，随着功率因数的降低，发电机容许的出力剧烈下降。图1-21功率因数变化时，发电机的容许有功功率和容许无功功率

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值得指出的是，目前大型发电机已采取多种措施来减少端部发热，例如：采用非磁性钢的转子护环、采用铜板屏蔽、开槽分割以限制涡流通路等等。采用上述措施后，可降低进相运行时的端部温升，从而提高进相运行时的容许功率。思考题：1.发电机进相运行有何实际意义？2.发电机进相运行的特点是什么？295.发电机进相运行时端部漏磁与温度测量实例发电机定子端部铁心和金属结构件的温度限值，我国规定见下表所示301）汽轮发电机一台SQF-100-2型汽轮发电机，进相运行时，实测定子端部铁心段轴向磁通密度B，温升△θ与功率因数关系的曲线，如图该机带额定有功功率功率，在迟相和进相运行时，定子第36槽和37槽铁心端部与阶梯齿的温长升分布，见下图31（1）进相运行（超前）时，定子铁心端部各测点的温升值比工况运行时升高3~12˚C.（2）定子端部第五、六段铁心齿部的温度最高，当进风温度为34˚C时，进相运行时可达114˚C，温升为80˚C。——额定有功功率时不宜进相运行.（3）进相运行时定子铁心各测点的温度互差29˚C（114-85）322）水轮发电机一台TS425/125-12型水轮发电机，