论文部分内容阅读
【摘 要】 发电机进相运行是利用系统现有设备，吸收电网负荷低谷时的过剩无功功率，实现无功平衡，满足降压实际需要而采取的有效措施。在进相运行限额值的范围内运行是安全的。
【关键词】 必要性；状态分析；特点
1.发电机进相运行的必要性
在高电压、远距离输电的大电网中，当电力负荷处于低谷时，在轻负荷的高电压长线路和部分网络中，会出现系统电压升高甚至电压超上限的情况，并有日趋严重的态势。这不但破坏了电能质量、影响电网的经济运行，也威胁电气设备特别是磁通密度较大的大型变压器的安全运行以及用电安全。因此急需寻求有效的降压措施。适时将发电机进相运行，就能降低电压，抑制和改善网络运行电压过高的情况。该方法技术措施易于实现，运行操作方便、灵活，可获得显著的经济效益，已成为一种切实可行的调压方式，在系统中已经得到广泛的应用。
2.同步发电机进相运行的状态分析
发电机进相运行是一种同步低励磁正常稳定运行方式，相对于发电机静子电流IG滞后于静子电压UG的迟相运行而言，进相运行时功率因数是超前的，即发电机静子电流IG超前于静子电压UG。该方式运行时，发电机发出有功功率的同时，可不发或从系统吸收无功功率。
假定发电机直接接于无限大容量电力系统。端电压UG保持不变，设发电机电势为Eq，定子电流为IG功率因数角为Φ，功角为δ，发电机同步电抗为Xd。如果调节励磁电流If，Eq随之发生变化，功率因数角Φ同时发生变化。如果增加发电机励磁电流If，Eq则变大，此时发电机负荷电流产生去磁电枢反应，功率因数角Φ是滞后的，即发电机定子电流IG滞后于发电机的定子电压UG，发电机同时向系统输送有功、无功功率。发电机这种运行状态称之为迟相运行状态。反之如果减少发电机励磁电流If，使发电机电势Eq减小，发电机负荷电流将产生助磁电枢反应，功率因数角Φ变为超前，即发电机定子电流IG超前于定子电压UG，发电机向系统输送有功功率，但从系统吸收无功功率。发电机这种运行状态称之为进相运行状态。
3.同步发电机进相运行的特点
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。即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，会造成定子端部铁芯和金属结构件的温度增高，甚至超过允许的温度极限；（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，发电机进相运行时允许承担的电网有功功率和相应允许的无功功率是有限制的，现分述如下。
3.1定子端部铁芯和金属结构件的温度增高
3.1.1端部漏磁是引起发热的内因
发电机稳定运行时，该电机中的磁通有励磁磁通φo、电枢反应磁通φa、定子漏磁通φs和转子漏磁通φes。其端部的漏磁通是定子和转子漏磁通的合成，它是引起定子端部铁芯和金属结构件发热的内在因素。端部漏磁通的大小与定子绕组的结构型式、定子端部结构件和转子护环、中心环、风扇的材质及尺寸与位置、转子绕组端部相对定子绕组端部轴向伸出长度等有关，也与电机的运行参数有关。
发电机运行时，端部漏磁力通过最小的路径形成闭合回路。因此，定子端部铁芯、压指、压板以及转子护环等便是端部漏磁很容易通过的部件。由于端部漏磁也是旋转磁场，与转子是同步旋转的，并切割端部各金属结构件，故在其中感应涡流和磁滞损耗，引起发热。特别是直接冷却方式大型发电机的线负荷重，其端部漏磁很强，当端部磁密集中于某部件或局部而该处的冷却强度不足时，则会出现局部高温区，其温升可能超过限额值。
3.1.2进相运行比迟相运行定子端部漏磁场增大并随进相深度而增加
发电机端部漏磁的大小与发电机的运行工况，即与定子电流值及功率因数有关。在发电机定子电流I和定子电压U不变的条件下，发电机进相运行时定子端部漏磁场要比迟相运行时大得多，从而易引起端部铁芯和构件发热。
定子端部漏磁场如下图所示：
发电机正常迟相运行时，定子端部的漏磁场是由定子绕组电流（电枢电流I）在定子端部产生的漏磁场与转子绕组电流Ie（Ie∝Ed）产生的漏磁场合成的。ΔOCA的三条边OA、CA、CO分别代表定子端部漏磁场φa、转子端部漏磁场φb、气隙合成磁场φc。因为定子、转子绕组端部磁场各随电枢反应、转子磁场同步旋转，所以其合成磁场也是一个旋转磁场。由于定子的漏磁通与转子的漏磁通路径不同（定子漏磁通基本上与其主磁通路径相同，而转子漏磁通路径与其主磁通相比路径则较远、磁阻值较大），故OA段可表示φa，而φb只能从AB段中取一部分线段（磁阻大，φ减小）AC，AC的長度由λ决定（λ=AC/AB）。合成磁通φc为OC段。
当发电机进相运行时，若保持定子电流I和定子电压U不变，此时，运行点就从A点沿着扇形曲线向A′点旋转（OA=OA′=I），端部漏磁场三角形也变成OC′A′（直线AA′∥CC′，AC/AB=A′C′/A′B=λ）。从图中可看出OC′明显大于OC，且OC′在C点沿着CC′圆弧线向C′点旋转过程中为最大，且所有进相运行点的漏磁通均比迟相运行时大。
定子端部温升取决于发热量和冷却条件的相互匹配。假设冷却条件不变，且不计随发电机功率因数变化时，定子、转子各部分热量变化而造成热交换的差异，则可认为端部损耗发热引起的温升和端部合成漏磁通密度的平方成正比。因而端部合成漏磁通密度与功率因数的关系，也就反映了端部温升的变化规律。若其任一部位的温升超过限值，即限制了该机的进相容量。为限制定子端部的温升，发电机进相运行时，要相应地限制定子电流值，使定子端部合成的漏磁通φc在允许范围内。
3.2发电机进相运行时稳定性降低
3.2.1有功功率恒定时，励磁电流降低功角增大
发电机迟相运行时静稳定根据按功角特性确定。发电机进相运行时是处于同步低励磁运行状态，其与电网同步稳定运行的充分必要条件（即静稳定的判据），同样是按功角特性确定的。在功角特性上δ<90°的范围内，发电机具备静稳定运行能力；δ≈90°（因联系电抗Xes≠0）时，则发电机达到稳定运行的临界状态。
当发电机在某恒定的有功功率进相运行时，由于励磁电流较低，因而其静稳定的功率极限值较小，该机静稳定能力降低。例如一台汽轮发电机带有功功率P正常运行，此时由励磁电流感应的电势为Eo1，其功角特性如下图所示：
保持该机有功功率恒定，逐步降低励磁电流，直至该机转入进相运行（此时励磁电流降低，对应于该励磁电流的感应电势为Eo2，功角特性相应降低）。如果要求该机吸收更多的无功功率，需增加进相深度，应继续降低励磁电流，此时的感应电势Eo3更降低。因此，可获得幅值逐渐降低的一簇功率特性曲线。由于保持该机的有功功率恒定，故运行功角必然由δa角增大到δb角。当励磁电流降低至使发电机的运行功角增大而达到静稳定的临界点δ=90°（若计与系统的联系电抗则δ<90°），若继续降低励磁电流，则该机会失去静稳定而出现失步现象，由此，发电机的进相容量受到了限制。
3.2.2投入自动励磁调节可以提高进相机组的静稳定
根据发电机运行的稳定性理论与实践得出，发电机自动励磁调节装置若在运行中无失灵区，无时滞地保持发电机端电压稳定，就可以扩大该机稳定运行的范围，从而提高了该机进相运行的能力和进相运行工况下抗干扰的能力。
4.结束语
发电机进相运行是利用系统现有设备，吸收电网负荷低谷时的过剩无功功率，实现无功平衡，满足降压实际需要而采取的有效措施。在进相运行限额值的范围内运行是安全的。该措施运行操作灵活，能很方便地实现发电机由迟相转入进相运行或者相反，在经济上也很有使用价值。
参考文献：
1.周德贵，巩北宁《同步发电机运行技术与实践》中国电力出版社出版，2004年12月第2版
作者简介：陈永新，男，1964年11月出生，1986年毕业于北京电力学校。
【关键词】 必要性；状态分析；特点
1.发电机进相运行的必要性
在高电压、远距离输电的大电网中，当电力负荷处于低谷时，在轻负荷的高电压长线路和部分网络中，会出现系统电压升高甚至电压超上限的情况，并有日趋严重的态势。这不但破坏了电能质量、影响电网的经济运行，也威胁电气设备特别是磁通密度较大的大型变压器的安全运行以及用电安全。因此急需寻求有效的降压措施。适时将发电机进相运行，就能降低电压，抑制和改善网络运行电压过高的情况。该方法技术措施易于实现，运行操作方便、灵活，可获得显著的经济效益，已成为一种切实可行的调压方式，在系统中已经得到广泛的应用。
2.同步发电机进相运行的状态分析
发电机进相运行是一种同步低励磁正常稳定运行方式，相对于发电机静子电流IG滞后于静子电压UG的迟相运行而言，进相运行时功率因数是超前的，即发电机静子电流IG超前于静子电压UG。该方式运行时，发电机发出有功功率的同时，可不发或从系统吸收无功功率。
假定发电机直接接于无限大容量电力系统。端电压UG保持不变，设发电机电势为Eq，定子电流为IG功率因数角为Φ，功角为δ，发电机同步电抗为Xd。如果调节励磁电流If，Eq随之发生变化，功率因数角Φ同时发生变化。如果增加发电机励磁电流If，Eq则变大，此时发电机负荷电流产生去磁电枢反应，功率因数角Φ是滞后的，即发电机定子电流IG滞后于发电机的定子电压UG，发电机同时向系统输送有功、无功功率。发电机这种运行状态称之为迟相运行状态。反之如果减少发电机励磁电流If，使发电机电势Eq减小，发电机负荷电流将产生助磁电枢反应，功率因数角Φ变为超前，即发电机定子电流IG超前于定子电压UG，发电机向系统输送有功功率，但从系统吸收无功功率。发电机这种运行状态称之为进相运行状态。
3.同步发电机进相运行的特点
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。即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，会造成定子端部铁芯和金属结构件的温度增高，甚至超过允许的温度极限；（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，发电机进相运行时允许承担的电网有功功率和相应允许的无功功率是有限制的，现分述如下。
3.1定子端部铁芯和金属结构件的温度增高
3.1.1端部漏磁是引起发热的内因
发电机稳定运行时，该电机中的磁通有励磁磁通φo、电枢反应磁通φa、定子漏磁通φs和转子漏磁通φes。其端部的漏磁通是定子和转子漏磁通的合成，它是引起定子端部铁芯和金属结构件发热的内在因素。端部漏磁通的大小与定子绕组的结构型式、定子端部结构件和转子护环、中心环、风扇的材质及尺寸与位置、转子绕组端部相对定子绕组端部轴向伸出长度等有关，也与电机的运行参数有关。
发电机运行时，端部漏磁力通过最小的路径形成闭合回路。因此，定子端部铁芯、压指、压板以及转子护环等便是端部漏磁很容易通过的部件。由于端部漏磁也是旋转磁场，与转子是同步旋转的，并切割端部各金属结构件，故在其中感应涡流和磁滞损耗，引起发热。特别是直接冷却方式大型发电机的线负荷重，其端部漏磁很强，当端部磁密集中于某部件或局部而该处的冷却强度不足时，则会出现局部高温区，其温升可能超过限额值。
3.1.2进相运行比迟相运行定子端部漏磁场增大并随进相深度而增加
发电机端部漏磁的大小与发电机的运行工况，即与定子电流值及功率因数有关。在发电机定子电流I和定子电压U不变的条件下，发电机进相运行时定子端部漏磁场要比迟相运行时大得多，从而易引起端部铁芯和构件发热。
定子端部漏磁场如下图所示：
发电机正常迟相运行时，定子端部的漏磁场是由定子绕组电流（电枢电流I）在定子端部产生的漏磁场与转子绕组电流Ie（Ie∝Ed）产生的漏磁场合成的。ΔOCA的三条边OA、CA、CO分别代表定子端部漏磁场φa、转子端部漏磁场φb、气隙合成磁场φc。因为定子、转子绕组端部磁场各随电枢反应、转子磁场同步旋转，所以其合成磁场也是一个旋转磁场。由于定子的漏磁通与转子的漏磁通路径不同（定子漏磁通基本上与其主磁通路径相同，而转子漏磁通路径与其主磁通相比路径则较远、磁阻值较大），故OA段可表示φa，而φb只能从AB段中取一部分线段（磁阻大，φ减小）AC，AC的長度由λ决定（λ=AC/AB）。合成磁通φc为OC段。
当发电机进相运行时，若保持定子电流I和定子电压U不变，此时，运行点就从A点沿着扇形曲线向A′点旋转（OA=OA′=I），端部漏磁场三角形也变成OC′A′（直线AA′∥CC′，AC/AB=A′C′/A′B=λ）。从图中可看出OC′明显大于OC，且OC′在C点沿着CC′圆弧线向C′点旋转过程中为最大，且所有进相运行点的漏磁通均比迟相运行时大。
定子端部温升取决于发热量和冷却条件的相互匹配。假设冷却条件不变，且不计随发电机功率因数变化时，定子、转子各部分热量变化而造成热交换的差异，则可认为端部损耗发热引起的温升和端部合成漏磁通密度的平方成正比。因而端部合成漏磁通密度与功率因数的关系，也就反映了端部温升的变化规律。若其任一部位的温升超过限值，即限制了该机的进相容量。为限制定子端部的温升，发电机进相运行时，要相应地限制定子电流值，使定子端部合成的漏磁通φc在允许范围内。
3.2发电机进相运行时稳定性降低
3.2.1有功功率恒定时，励磁电流降低功角增大
发电机迟相运行时静稳定根据按功角特性确定。发电机进相运行时是处于同步低励磁运行状态，其与电网同步稳定运行的充分必要条件（即静稳定的判据），同样是按功角特性确定的。在功角特性上δ<90°的范围内，发电机具备静稳定运行能力；δ≈90°（因联系电抗Xes≠0）时，则发电机达到稳定运行的临界状态。
当发电机在某恒定的有功功率进相运行时，由于励磁电流较低，因而其静稳定的功率极限值较小，该机静稳定能力降低。例如一台汽轮发电机带有功功率P正常运行，此时由励磁电流感应的电势为Eo1，其功角特性如下图所示：
保持该机有功功率恒定，逐步降低励磁电流，直至该机转入进相运行（此时励磁电流降低，对应于该励磁电流的感应电势为Eo2，功角特性相应降低）。如果要求该机吸收更多的无功功率，需增加进相深度，应继续降低励磁电流，此时的感应电势Eo3更降低。因此，可获得幅值逐渐降低的一簇功率特性曲线。由于保持该机的有功功率恒定，故运行功角必然由δa角增大到δb角。当励磁电流降低至使发电机的运行功角增大而达到静稳定的临界点δ=90°（若计与系统的联系电抗则δ<90°），若继续降低励磁电流，则该机会失去静稳定而出现失步现象，由此，发电机的进相容量受到了限制。
3.2.2投入自动励磁调节可以提高进相机组的静稳定
根据发电机运行的稳定性理论与实践得出，发电机自动励磁调节装置若在运行中无失灵区，无时滞地保持发电机端电压稳定，就可以扩大该机稳定运行的范围，从而提高了该机进相运行的能力和进相运行工况下抗干扰的能力。
4.结束语
发电机进相运行是利用系统现有设备，吸收电网负荷低谷时的过剩无功功率，实现无功平衡，满足降压实际需要而采取的有效措施。在进相运行限额值的范围内运行是安全的。该措施运行操作灵活，能很方便地实现发电机由迟相转入进相运行或者相反，在经济上也很有使用价值。
参考文献：
1.周德贵，巩北宁《同步发电机运行技术与实践》中国电力出版社出版，2004年12月第2版
作者简介：陈永新，男，1964年11月出生，1986年毕业于北京电力学校。