同步发电机无功功率摆动的主要因素及处理措施
本文依据在线监测的技术数据，从理论上分析同步发电机无功功率摆动的原因，阐述了引起机组无功功率摆动的主要因素及处理措施。
[关键词] 同步发电机 无功功率摆动 励磁系统
1.概述
山西铝厂热电分厂共有六台汽轮发电机，额定电压为6.3kV，额定容量分别为一期12MW三台; 二期25MW三台。从1996年—2002年3#、4#、5#、6#机组多次出现发电机无功功率自然摆动，其最大摆幅8Mvar，给生产的组织和调整带来了很大的影响，为此通过多次的试验和分析，查找到了其无功摆动的原因，并提出了对发电机励磁系统改进的措施。
为分析机组无功功率自然摆动的原因，于2002年2月7日0点到24点，对5#、6#机组实施无功功率的24小时在线监测，其监测数据如表1、表2。
表1 5#机组监测数据
|
时间 |
电压kV |
电流kA |
有功MW |
无功Mvar |
励磁电压V |
励磁电流A |
备注 |
|
0:36 |
6.4 |
2.6 |
24 |
16-19 |
160 |
325 |
↑自动 |
|
1:55 |
6.4 |
2.7 |
24 |
16-19 |
160 |
325 |
↑自动 |
|
7:04 |
6.3 |
2.6 |
25 |
19-14 |
145 |
325 |
↑自动 |
|
9:09 |
6.3 |
2.7 |
25 |
14-17 |
155 |
325 |
↑自动 |
|
9:18 |
6.3 |
2.7 |
25 |
17-18 |
155 |
325 |
↑自动 |
|
10:18 |
6.3 |
2.7 |
25 |
18-20 |
170 |
350 |
↑自动 |
|
11:26 |
6.2 |
2.4 |
25 |
8-14 |
130 |
360 |
↑自动 |
|
12:40 |
6.2 |
2.6 |
23 |
14-19 |
165 |
330 |
↑自动 |
|
15:15 |
6.4 |
2.6 |
23 |
15-20 |
160 |
330 |
↑自动 |
|
15:50 |
6.4 |
2.6 |
25 |
17-12 |
140 |
300 |
↑自动 |
|
19:00 |
6.4 |
2.5 |
25 |
17-14 |
140 |
310 |
↑自动 |
|
20:33 |
6.4 |
2.7 |
25 |
16-19 |
170 |
325 |
↑自动 |
表2 6#机组监测数据
|
时间 |
电压kV |
电流kA |
有功MW |
无功Mvar |
励磁电压V |
励磁电流A |
备注 |
|
0:20 |
6.6 |
2.6 |
24 |
15-20 |
175 |
200 |
↑自动 |
|
0:22 |
6.6 |
2.6 |
24 |
20-17 |
165 |
190 |
↓手动 |
|
0:59 |
6.6 |
2.7 |
25 |
17-21 |
180 |
200 |
↑自动 |
|
1:00 |
6.6 |
2.6 |
25 |
21-27 |
165 |
190 |
↓手动 |
|
1:55 |
6.4 |
2.4 |
24 |
17-10 |
140 |
160 |
↓自动 |
|
2:33 |
6.4 |
2.7 |
25 |
13-20 |
175 |
200 |
↓自动 |
|
3:35 |
6.4 |
2.5 |
25 |
20-14 |
150 |
175 |
↓手动 |
|
4:25 |
6.5 |
2.5 |
25 |
14-18 |
165 |
190 |
↑自动 |
|
4:50 |
6.5 |
2.5 |
25 |
18-14 |
150 |
175 |
↓自动 |
|
5:20 |
6.5 |
2.7 |
24.5 |
14-19 |
175 |
200 |
↑自动 |
|
6:15 |
6.4 |
2.3 |
23 |
16-13 |
140 |
160 |
↓自动 |
|
6:23 |
6.6 |
2.6 |
23 |
13-20 |
170 |
200 |
↑手动 |
|
7:06 |
6.5 |
2.4 |
24 |
20-14 |
150 |
180 |
↓自动 |
|
9:10 |
6.5 |
2.6 |
24 |
14-16 |
160 |
180 |
↑自动 |
|
10:45 |
6.4 |
2.5 |
24 |
19-14 |
150 |
175 |
↓手动 |
|
11:00 |
6.4 |
2.5 |
25 |
12-18 |
150 |
160 |
↑手动 |
|
11:20 |
6.5 |
2.7 |
24 |
22-18 |
180 |
200 |
↓手动 |
|
12:40 |
6.5 |
2.4 |
24 |
18-15 |
150 |
170 |
↓自动 |
|
13:54 |
6.6 |
2.6 |
23 |
15-19 |
165 |
170 |
↑自动 |
|
14:27 |
6.4 |
2.3 |
23 |
15-11 |
135 |
155 |
↓自动 |
|
15:12 |
6.5 |
2.4 |
22 |
17-22 |
160 |
175 |
↑自动 |
|
19:50 |
6.4 |
2.5 |
23 |
18-13 |
150 |
170 |
↓自动 |
从上表可以看出，5#机组在0.36到20.33期间发生无功摆动;6#机组在0.20到19.50期间发生无功摆动，其他时间未摆动。6#机组在1.55无功功率由17Mvar自然降到10Mvar，摆动幅度7MVAR; 在6.23无功功率由13Mvar自然上升到20Mvar，摆动幅度为7Mvar，并且无功功率已超过发电机的额定值。
在2002年4月10日13点由于4#机组紧急停机，5#机组无功功率由12Mvar直线下降到0，发电机定子电流最大摆到4000A，有功功率由25MW上升到26MW，“电压回路断线”信号出现，强励动作，励磁电压为30V，励磁电流为50A。检查磁场变阻器没有异常后手动调整增加无功负荷，恢复正常。4月12日11:58分，5号机无功功率由10Mvar降到0，其它参数正常。
2.发电机无功功率摆动理论分析
2.1电力系统中的无功功率
发、供电的质量指标主要表现为电压和频率。频率是由电力系统发电有功功率和有功负荷消耗的总电量来决定的; 电压则是靠电力系统中无功功率平衡来维持的。如果电力系统中的无功功率严重短缺，则系统中的电压水平过低，使某个系统的母线电压运行在临界值以下时，母线电压有一微小的下降就会发生负荷消耗的无功功率增量大于系统向该点提供的无功功率增量，使无功缺额进一步增大，电压进一步下降，这种恶性循环将造成系统“电压崩溃”。电压崩溃后，大量电动机自动切除，某些发电机组失步，导致系统解列或大面积停电。
2.2无功功率平衡与电压水平的关系
ΣQGi=ΣQLj+ΣΔQΣk
式中: ΣQGi—无功电源向系统供应的无功功率;
i—无功电源的个数;
QLj—负荷所消耗的无功功率; j无功负荷的个数;
ΔQΣK—电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率;
图1 无功功率平衡和电压水平关系
图1为电力系统无功负荷的静态电压特性，如果电力系统电压Ux运行在额定电压Ue，则系统无功负荷所消耗无功功率为Qe，则ΣQLj+ΣΔQΣk=Qe，如果电力系统中所有的无功电源发出无功功率总和ΣQGj也等于Qe，电力系统就会维持在额定电压运行。那么无功功率平衡关系则为ΣQGie=QLje+ΣΔQΣke(角标“e”表示运行在额定电压)。
如果系统中所有无功电源发不出Qe那么多无功功率，而只能发出Qa这么多,系统负荷就只能消耗Qa这么多。这时系统将运行在a点，系统电压Ux=Ua，系统负荷消耗的无功功率为Qa。则数学表达式即ΣQGia=ΣLja+ΣΔQΣka，角标“a”表示系统运行在a点。或者系统中所有无功电源发出的无功功率稍大于Qe为Qb，而系统中负荷消耗也达到了Qb这么多，则系统运行在b点。系统电压Ux=Ub，负荷消耗的无功功率为Qb，则数学表达式即ΣQGib=ΣQLib+ΣΔQΣkb，角标“b”表示系统运行在b点。电气规程要求系统正常运行的电压允许在Ux=Ue±5%Ue的范围内，所以a、e、c三点都是电力系统无功功率的平衡点，即系统可以稳定地在电压Ua、Ue、Ub下运行。因此要控制系统在额定电压下运行，就要控制系统中的无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时所消耗的无功功率。如果这个“等式”关系不能满足，则电力系统就会偏离额定电压运行。当无功电源发出的无功功率偏离负荷在额定电压下所需消耗的无功功率过多时，作为无功电源的发电机就会出现无功功率摆动，电力系统电压就会过多地偏离额定电压。可见，维持电力系统电压在允许范围内是靠控制系统无功电源的出力来实现的。
2.3无功功率与发电机励磁电流的关系
电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间的无功功率分配。无功功率是通过调整励磁电流来实现对系统电压的平衡。
图2 (a) 同步发电机运行原理图 (b) 等值电路
(c) 适量图 (d) 同步发电的外特性图
图2（a）是同步发电机的原理图，图中FLQ是励磁绕组，机端电压为Uf，电流为If。在正常情况下，流经FLQ的励磁通量电流为Ifd，由它所建立的磁场使定子产生的空载感应电势为Eq，改变Ifd的大小，Eq值就相应地改变。通过图2（b）的等值电路图，可以得出:
Uf+JIfxd=Eq
式中Xd——发电机直轴电抗。
根据图2（c）的矢量关系: Eqcosδ=Uf+Iwxd
式中δ——Eq与Uf间的相角，即发电机的功率角;
Iw——发电机的无功电流。
一般情况下δ的值很小，可近似为cosδ=1则上式可简化为Eq≈Uf+Iwxd。
从式中可以看出，同步发电机的外特性是下降的，当励磁电流Ifd一定时，发电机端电压Uf随无功负荷增大而下降。图2（d）说明，当无功电流为Iw1时，发电机端电压为额定值Ufe，励磁电流为Ifd1。当无功电流增到Iw2时，如果励磁电流不增加，则电压降至Uf2，可能满足不了运行要求，必须将励磁电流增大至Ifd2，才能维持端电压为额定值Ufe。同理，无功电流减小时，Uf也会上升，必须减小励磁电流。所以说，同步发电机发出的无功功率必须通过对励磁电流的调整，才能满足系统负荷对无功功率的需求，进而才能保证电力系统电压的稳定。
3.引起机组无功功率摆动的原因
3.1机组问题
3.1.1 1996年，三号机发生无功摆动以后，我们对直流励磁机进行空载试验，励磁机和励磁系统正常，9月份电机大修期间发电机转子返厂，最后检查为转子线圈有匝间短路现象。
3.1.2 2001年6月份，4号机因励磁机碳刷打火，换向器表面有烧伤，无功功率摆动频繁，最后检查确定励磁机转子有匝间短路现象。
3.1.3 2001年4月，5号机因无功功率摆动停机后，发现励磁机的换向器片间有短路现象。
3.1.4 2002年4月10日-12日，5号机两次出现无功功率直线下降为零，经停机检查，属换向器的片间出现瞬间短路所引起的。
3.2同步发电机无功功率的分配
汽轮发电机组发出的有功功率只受汽轮机调速系统的控制，与励磁电流的大小无关。故无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数。发电机励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率的大小。我厂发电机组并联运行的母线，属于直配母线，也就是发电机的出线直接与6kV配电室并联运行。改变其中一台发电机的励磁电流，不但影响它的电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。由于多台机组并联运行，机组之间存在着抢带无功的现象，所以当系统出现无功缺额或无功过量时，总是存在着部分发电机抢带或抢甩无功的现象，而这种现象的发生使系统电压处于稳定状态，而另一部分发电机就出现无功缺额或无功过剩现象，最终反映出来的就是这一部分发电机的无功功率摆动。为了消除无功功率大幅度的摆动,只有调整励磁电流来维持本台发电机的无功平衡。
3.3电力系统扰动的因素
电力系统的负荷每时每刻都在发生变化，特别是大负荷的起动和停用，都对系统的有功功率和无功功率产生波动。我们厂处在山西电网的末端。在这个末端电网内电力系统有两个电厂，再加上我们的自备电厂总装机容量为1000MW左右，而运城地区的农业用电较多，工业用电较少，气候环境对电负荷的影响特别大，天阴下雨大面积甩负荷，天气干旱，又大量用电，以及我厂的同步电动机的起停，这就产生了系统的正常扰动。这种扰动就使发电机发出的有功功率和无功功率进行重新分配，于是出现无功功率的摆动。
3.4同步发电机励磁控制系统的应用
同步发电机励磁系统都带有自动控制调整装置，但是一些老机组和小机组因种种原因将自动控制系统退出运行，改为手动调整，我厂就属于这种。手动调整励磁有很多缺点，如调整时间不能及时把握; 调整励磁电流的大小无法控制等等。更重要的是如果调整不及时会造成发电机失磁运行，或者在事故情况下造成系统“电压崩溃”。调整励磁就是调整励磁电流。同步发电机的励磁自动控制系统，就是解决并联运行机组之间的无功功率合理分配问题，同时通过不断地调节励磁电流来平衡系统的无功功率，进而维持机端电压为额定水平。随着微机控制的发展和应用，发电机的励磁自动控制系统不断地更新，自动化程度在不断地提高，性能也在不断地完善，这对我们能够及时发现发电机励磁系统的一次设备问题非常重要，并且能够彻底解决发电机的无功摆动问题。
4.结论
发电机的无功功率摆动是由于发电机励磁系统的一次设备线圈发生匝间短路或换向器片间短路所引起，这种短路在动态情况下能引起励磁电流发生变化，最终表现为无功功率摆动，这是一种不正常现象，应及时处理。
电力系统的扰动引起发电机的无功摆动属于一种正常现象，但必须进行及时的调整，否则造成电机失磁运行。
同步发电机的励磁自动控制系统是解决发电机无功功率摆动的技术手段，同时也是保证发电机安全运行的重要装置。如能监测到一次元件的缺陷，系统将更加完善。
| 公司名称： | 湘潭电机修理厂(湘潭电机维修中心) |
| 联 系 人： | 胡经理 |
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