发电机机组自励磁问题及过电压问题的分析及计算研究

山东电网黑启动实验-发电机机组自励磁及过电压问题的分析研究山东大学电气工程学院王洪涛TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"发电机机组自励磁问题的分析及计算研究 2\o"CurrentDocument"自励磁的物理过程 2\o"CurrentDocument"发生自励磁的条件 3\o"CurrentDocument"自励磁计算与分析 4\o"CurrentDocument"小结 5过电压问题的分析及计算研究 6过电压问题的分析 6\o"CurrentDocument"工频过电压计算 7\o"CurrentDocument"空载线路合闸操作过电压计算 8分段空充线路 8一次空充全部线路 10空充变压器谐振过电压计算 10小结 12发电机机组自励磁问题的分析及计算研究发电机自励磁是黑启动过程中需要注意的问题，本章从发生自励磁的物理过程开始，结合泰安抽水蓄能电站实际对黑启动过程中自励磁发生的条件进行了分析和计算。自励磁的物理过程自励磁实质是参数共振现象。在正常的同步运行情况下，水轮发电机的同步电抗在Xd〜X之间周期性地变动着，即每过一个电周期，电抗将变动两个周期。另一方面，无论是凸极q机（水轮发电机）还是隐极机（汽轮发电机），当它们处于异步工作状态，或者处在定子磁通变动时的同步工作状态时，电抗将在Xd'~Xq之间周期性变动。在所有这些情况下，如果电机的外电路具有容抗性质，就可能在此电感参数自动变化的振荡回路中激发起一种特殊性质的过电压，称为参数共振过电压。首先，共振所需的能量由改变参数的发电机所供给，而不需单独的电源电压。同时，在起始阶段，只要回路中具有某些残余能量，例如，转子剩磁切割绕组而产生不大的感应电压，或电容两端具有微小的残压，就可保证共振现象的持续发展。其次，由于实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数变化所引起的能量应当足够大（即参数变化足够大），以便不仅可以补偿电阻中的能量损耗，才可能并使回路中的储能愈积愈多，保证共振的发展。第三，共振发生后，回路中的电流和电压的幅值，理论上能趋于无穷大，这一点与线性共振现象有着显著的区别，后者即使在完全共振的条件下，其振荡的幅值也受损耗电阻所限制。当然，参数共振发生后，随着电流的增大，电感线圈达到磁饱和状态，电感L迅速变小，使回路自动偏离共振条件，从而限制了共振过电压和过电流的幅值。第四，当参数变化的频率与振荡频率之比等于2时，共振最容易发生。当同步电机处于同步或异步工作状态时，如果外电路电抗表现为容性（例如空载线路），且电抗参数配合得当，那么即使励磁电流很小，甚至为零（零点升压），由于励磁能量的作用，将会激起参数共振现象，发电机电流和端电压的幅值急剧上升，最终产生很高的过电压，这种现象称为同步发电机的自励磁。在黑启动过程中，发电机远距离送电启动其它电网，空载线路合闸后，由于超高压长线路上显著的电容效应，容易引发自励磁现象。发生自励磁的条件设发电机外电路由工频容抗xc和损耗电阻r串联组成，其等值电路如图1-1所示。联立求解同步电机方程和外电路方程，并经复杂的变换后，可以解出自励磁的边界曲线，如图1-2所示，在此曲线范围以内，都将产生自励磁现象。半圆I的范围称为自励磁的同步区，第II个范围近似于半圆，称为异步区，其实线和虚线部分分别表示无阻尼绕组和有阻尼绕组时的自励磁区域。显然，对于凸极机来说，同步和异步自励磁现象均有可能发生；隐极机的X尸Xq，故只能发生异步的自励磁。图图1-1发电机外电路等值图图1-2同步自励磁和异步自励磁区根据图1-2，可得：XqXT::Xc::XdXT同步自励磁条件为：《Xdr2Xd+XT£XcVX+XT异步自励磁条件为：*X_Xrqd2该判据为了计及变压器参数对自励磁产生的影响，将变压器漏抗 XT并入发电机电抗中。考虑机组参数、线路、变压器等元件参数的误差，为了可靠地脱离自励磁区域，实际使用该判据时，应留有适量的裕度，如： Xc>k(Xd+XT)，k=1.2其中：Xd为发电机同步电抗，XT为主变漏抗，Xc为外部容抗。自励磁计算与分析为了安全起见，在泰安抽水蓄能电站黑启动石横电厂 5#机组的过程中，需进行自励磁计算。为了方便计算，均取标么值进行计算，基值取： S=100MVAVb=10.5kV,Vb2=15.75kV,亿=38.5kV,匕=242kV。1、空载充电蓄泰I线泰安抽水蓄能电站#1发电机Xd=1.12，xq=0.75，Xd'=0.22，#1主变电抗XT=0.045500,蓄泰I线电纳B1/2=0.052804,容抗Xc=9.4697,当泰抽厂#1机组经#1主变空充蓄泰I线时，Xc>>(xd+XT+X|1)=1.179,不会有自励磁发生。2、依次空载充电泰天I线、天园线、高园线、石高I线和石横乙站05#启备变泰天线电纳B1/2=0.018849，此时系统累计容抗降到x—6.97,累计电抗增加到Xd+XT+Xn+Xi2=1.187。因此，当泰抽厂#1机组经#1主变和蓄泰I线空充泰天I线时，X^^Xd+XT+Xh+X/,不会有自励磁发生。天园线电纳B1/2=0.040465,此时系统累计容抗Xc=4.459,累计电抗增加到Xd+XT+xn+Xl2+Xl3=1.223。因此，当泰抽厂#1机组经#1主变、蓄泰I线、泰天I线空充天园线时，XcMXd+XT+Xh+XpXj，不会有自励磁发生。高园线电纳B1/2=0.010945,此时系统累计容抗降到Xc=4.0629,累计电抗增加到Xd+XT+Xl1+为2+为3+为4=1.2336。因此，当泰抽厂#1机组经#1主变、蓄泰I线、泰天I线、天园线空充图园线时，Xc>(Xd+XT+Xh+Xlz+Xs+Xj，不会有自励磁发生。石高I线电纳B1/2=0.010849，此时系统累计容抗降到Xc=3.733,累计电

抗增加到Xd+XT+X|j+X|2+X|3+X|4+X[5=1.2388。因此，当泰抽厂#1机组经#1主变、蓄泰I线、泰天।线、天园线、高园线空充石高।线时，X＞（Xd+XT+X|j+X|2+X|3+X|4+x/,不会有自励磁发生。石横乙站05启备变主抗Xt=0.043243,此时系统累计容抗仍保持为 X,二3.733,累计电抗增加到 X12+X13-fX14+X15+X2=1.282o因此，当泰抽厂#1机组经#1主变、蓄泰।线、泰天।线、天园线、高园线和石高।线空充石横乙站05#启备变时，X»（Xd+x+x,+X12+X13+X14+X15+x2）,不会有自励磁发生。自励磁指标的总体校验过程如下图所示：图较比标指磁励自10图较比标指磁励自987654321自励磁校验表一1按充电顺序的累计容抗-按充电顺序的电抗线1线自励磁校验表一1按充电顺序的累计容抗-按充电顺序的电抗线1线黑启动充电顺序黑启动充电顺序小结本章对黑启动方案进行了自励磁验算，泰安抽水蓄能电站1#机组黑启动石横电厂5#机组厂用电过程中不会发生自励磁2过电压问题的分析及计算研究过电压问题的分析黑启动过程中可能产生三种类型的过电压， 即工频过电压、操作过电压和谐振过电压。过电压标么值的基准值是用设备最高运行相电压表示。工频过电压1.0p.U.=Um/3（有效值），操作和谐振过电压1.0p.u.=„2Um/..3（峰值），其中220kV线路Um=252kV,500kV线路U=550kVo工频过电压电力系统正常或故障时可能出现超过最大工作相电压、 频率为工频的电压升高称为工频过电压。黑启动过程中，由于空载线路的工频容抗 xc大于工频感抗XL,在电源电势的作用下，线路中的电容电流在感抗上的压降将使容抗上的电压高于电源电势，从而造成工频过电压。电压过高会导致发电机欠励磁，甚至自励磁和不稳定。在我国220kV高压线路中一般要求工频过电压不超过1.3p.u.o操作过电压电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且储存在电感中的磁能会在某一瞬间转变为以静电场能量的形式储存于系统的电容之中，所以可产生数倍于电源电压的操作过电压。 常见有空载线路合分闸过电压、空载变压器分闸过电压、单相间隙电弧接地过电压。在黑启动过程中，随着电网的逐步恢复，线路逐步接入电网，会进行大量合空载线路的操作，可能会产生危及系统安全运行的过电压。由于线路有损耗，合闸过电压通常衰减比较快，其最大值一般小于工频稳定电压的2倍，因此，工频稳态电压越高，合闸过电压越严重，其与工频过电压的叠加可能导致绝缘闪络的发生，甚至造成系统设备的严重损坏。由于合闸过电压的大小与系统的具体条件有关，如线路参数、断路器的合闸电阻和合闸相位角以及系统容量等，需要通过电磁暂态仿真对合闸过电压问题进行具体的分析。在电力设备绝缘设计中根据过电压保护规程对操作过电压倍数作如下规定：对于220kV及以下系统允许承受小于3.0p.u.的操作过电压，500kV系统不宜大于2.0p.u.o谐振过电压谐振过电压是指电力系统中发电机、变压器、电压互感器等非线性元件和系统中的电容元件组成的很多复杂振荡回路，在一定条件下发生谐振引起的过电压。谐波谐振过电压通常由变压器等非线性元件的投入引起， 当恢复变压器或连接有变压器的线路时，变压器的励磁电流将产生各次谐波。在最不利情况下，当系统阻抗和线路电容在某次谐波频率下构成并联谐振条件时， 将在变压器励磁涌流的作用下产生很高的电压，变压器端电压的升高导致铁心饱和程度的加大， 进一步造成励磁涌流各次谐波分量的增大，因而造成电压的进一步上升。通常系统在恢复初期最容易产生谐波谐振过电压，由于此时系统的阻尼较小，谐波谐振过电压的持续时间很长，甚至可稳定存在，直到破坏谐振条件为止。当谐波谐振过电压过于严重时会引起继电保护动作，甚至造成避雷器的损坏和系统故障等，因此必须通过电磁暂态仿真等对谐波谐振过电压问题进行全面的分析和研究。工频过电压计算由上节分析可知，空充36.325km.220kV蓄泰I线和46.59km、220kV天园线时，工频过电压和操作过电压能否控制在允许的范围以内是黑启动成功与否的关键。基础方式下，按照各变压器分接头都投在档位3情况下进行计算。当线路空载时，各母线的稳态电压能控制在额定电压4.1%的下降范围内如下图所示。鲁石播己站仝却曾高余站立如000-J0.02曾砸园站22。0.0O-JOD4曾天平站空0* 0.OO-jO.12BWMm MK■■■MB■■■HMV, 八 <O.OO+jQ.DO当线路空载时，各母线的稳态电压能控制在额定电压4.1%的下降范围内如下图所示。鲁石播己站仝却曾高余站立如000-J0.02曾砸园站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天擀46.白巾耿 泰天工线13.24kn0.00-jO.151209680.9680.9E5O.OCKjO.000.第岂003A0959窖乘山站22Qi0.OO-jO.15■1.DM鲁泰山电站1号©0.04-JO220番A始6班h09CLDO-jD.25鲁、泰山电站220<20—1 (1.9510.QO-jO.250.OO-jO.25如果带石横厂用电20+j20MVA,此时计算结果如下图所示，鲁石横乙站05号母线，即石横厂用电母线的电压明显偏低，需要电压调整措施高就门.T33f鲁鲁、iS余站釜 桃园站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导0.T92D.20*j0.20□.204jd121.000曾泰山E&站L号0.20+JD.03©0244jC.0&曾泰山电站四0150.20*j0.0315如果保持其它变压器的分接头在3档上，则需把石横厂启备变的分接头调到档以上时，石横厂用电母线的电压才能达到合理的水平，如下图所示。曾、石摘乙站2勿高园aL3.732kn曹高余站EEC 售桃园站2如曾、石摘乙站2勿高园aL3.732kn曹高余站EEC 售桃园站2如0.2(H-jO.Z£ 0SO+jO.20天园战4氏59kn鲁天平站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号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线3乩325tan0.949©024*j0,0*(19500.2D+J0012.3空载线路合闸操作过电压计算对于空载线路合闸操作过电压校验，本文按照分段空充线路和一次空充全部线路两种情况进行仿真校验。2.3.1分段空充线路泰安抽水蓄能电站黑启动成功后，按照设定的供电路径，依次对泰山电站#1主变、蓄泰I线、泰天I线、天园线、高园线、石高I线和石横电厂启备变充

电。仿真结果显示没有出现合闸操作过电压，文中给出空充小系统中两条最长线路，即蓄泰I线和天园线时的仿真结果。空充蓄泰I线时，如下图所示，过电压倍数为1.27,在允许范围之内，母线电压经短时波动迅速稳定在额定电压附近。AdvanceciGraphFrameQ-0.000Min-2S1JB4icdoo[V10.050lx1ijVioox10016o1a.oooicdoo[V10.050lx1ijVioox10016o1a.ooo图蓄泰I线空载非同期合闸操作过电压波形t-62.51018,0501810018,05018100空充天园线时，如图所示，C相电压最高，其最大值达到310.591kV,过电压倍数为1.52，在允许范围之内，之后母线电压经短时波动迅速稳定在额定电压附近。TimeGraphX126.863O0W0Min-257J27M务310591X18024O13.000f-41448图天园线空载非同期合闸操作过电压波形

232一次空充全部线路在黑启动试验之前，泰山站、天平站、桃园站、高余站开关闭合，形成114.557km的220kV长线路。泰安抽水蓄能电站黑启动成功后，按照设定的供电路径，依次对泰山电站#1主变、长线路和石横电厂启备变充电。空充长线路时，如图所示，C相电压最高，达到321.277kV,母线电压经短时波动迅速稳定在额定电压附近。过电压倍数为 L56,没有发生合闸操作过电压。AdvancedGraphFrameXX-234.471O0.136&234607Min-315.777Mex32127?10/00 10050 1Q100X10021og.sssH *f-44.009图长线路空载合闸操作过电压波形2.4空充变压器谐振过电压计算黑启动过程中谐振过电压相关的主要问题是发电机启动后从低压侧空充主变压器，对于许多扩大单元接线的电厂情况则更加严重，其原因是发电机容量比较小，对于小机充大主变这种情况，发电机及其脆弱的厂用电系统很难承受励磁涌流的冲击而造成紧急停机。励磁涌流的产生机理可以用利用理想电压源和变压器来进行解释。但处于黑启动初期的发电机控制系统及其厂用电系统动态特性的复杂性制约了精确的数学方法在该问题的应用。励磁涌流的大小主要与主变容量、剩磁、送端电压以及合闸角有关，孤岛系统中的发电机台数仅仅会影响以上因素中的送端系统的电压幅值，发电机台数的增加会令整个孤岛系统转子系统的转动惯量增大，这使得孤岛系统耐受电磁功率暂态变化的能力变强；另一方面，发电机台数的增加令孤岛系统的等效内电抗变小，这使得孤岛