同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)的主要因素及處理措施
本文依據(jù)在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)數(shù)據(jù)，從理論上分析同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)的原因，闡述了引起機(jī)組無(wú)功功率擺動(dòng)的主要因素及處理措施。
[關(guān)鍵詞] 同步發(fā)電機(jī) 無(wú)功功率擺動(dòng) 勵(lì)磁系統(tǒng)
1.概述
山西鋁廠熱電分廠共有六臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)，額定電壓為6.3kV，額定容量分別為一期12MW三臺(tái); 二期25MW三臺(tái)。從1996年—2002年3#、4#、5#、6#機(jī)組多次出現(xiàn)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率自然擺動(dòng)，其最大擺幅8Mvar，給生產(chǎn)的組織和調(diào)整帶來(lái)了很大的影響，為此通過(guò)多次的試驗(yàn)和分析，查找到了其無(wú)功擺動(dòng)的原因，并提出了對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改進(jìn)的措施。
為分析機(jī)組無(wú)功功率自然擺動(dòng)的原因，于2002年2月7日0點(diǎn)到24點(diǎn)，對(duì)5#、6#機(jī)組實(shí)施無(wú)功功率的24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1、表2。
表1 5#機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
|
時(shí)間 |
電壓kV |
電流kA |
有功MW |
無(wú)功Mvar |
勵(lì)磁電壓V |
勵(lì)磁電流A |
備注 |
|
0:36 |
6.4 |
2.6 |
24 |
16-19 |
160 |
325 |
↑自動(dòng) |
|
1:55 |
6.4 |
2.7 |
24 |
16-19 |
160 |
325 |
↑自動(dòng) |
|
7:04 |
6.3 |
2.6 |
25 |
19-14 |
145 |
325 |
↑自動(dòng) |
|
9:09 |
6.3 |
2.7 |
25 |
14-17 |
155 |
325 |
↑自動(dòng) |
|
9:18 |
6.3 |
2.7 |
25 |
17-18 |
155 |
325 |
↑自動(dòng) |
|
10:18 |
6.3 |
2.7 |
25 |
18-20 |
170 |
350 |
↑自動(dòng) |
|
11:26 |
6.2 |
2.4 |
25 |
8-14 |
130 |
360 |
↑自動(dòng) |
|
12:40 |
6.2 |
2.6 |
23 |
14-19 |
165 |
330 |
↑自動(dòng) |
|
15:15 |
6.4 |
2.6 |
23 |
15-20 |
160 |
330 |
↑自動(dòng) |
|
15:50 |
6.4 |
2.6 |
25 |
17-12 |
140 |
300 |
↑自動(dòng) |
|
19:00 |
6.4 |
2.5 |
25 |
17-14 |
140 |
310 |
↑自動(dòng) |
|
20:33 |
6.4 |
2.7 |
25 |
16-19 |
170 |
325 |
↑自動(dòng) |
表2 6#機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
|
時(shí)間 |
電壓kV |
電流kA |
有功MW |
無(wú)功Mvar |
勵(lì)磁電壓V |
勵(lì)磁電流A |
備注 |
|
0:20 |
6.6 |
2.6 |
24 |
15-20 |
175 |
200 |
↑自動(dòng) |
|
0:22 |
6.6 |
2.6 |
24 |
20-17 |
165 |
190 |
↓手動(dòng) |
|
0:59 |
6.6 |
2.7 |
25 |
17-21 |
180 |
200 |
↑自動(dòng) |
|
1:00 |
6.6 |
2.6 |
25 |
21-27 |
165 |
190 |
↓手動(dòng) |
|
1:55 |
6.4 |
2.4 |
24 |
17-10 |
140 |
160 |
↓自動(dòng) |
|
2:33 |
6.4 |
2.7 |
25 |
13-20 |
175 |
200 |
↓自動(dòng) |
|
3:35 |
6.4 |
2.5 |
25 |
20-14 |
150 |
175 |
↓手動(dòng) |
|
4:25 |
6.5 |
2.5 |
25 |
14-18 |
165 |
190 |
↑自動(dòng) |
|
4:50 |
6.5 |
2.5 |
25 |
18-14 |
150 |
175 |
↓自動(dòng) |
|
5:20 |
6.5 |
2.7 |
24.5 |
14-19 |
175 |
200 |
↑自動(dòng) |
|
6:15 |
6.4 |
2.3 |
23 |
16-13 |
140 |
160 |
↓自動(dòng) |
|
6:23 |
6.6 |
2.6 |
23 |
13-20 |
170 |
200 |
↑手動(dòng) |
|
7:06 |
6.5 |
2.4 |
24 |
20-14 |
150 |
180 |
↓自動(dòng) |
|
9:10 |
6.5 |
2.6 |
24 |
14-16 |
160 |
180 |
↑自動(dòng) |
|
10:45 |
6.4 |
2.5 |
24 |
19-14 |
150 |
175 |
↓手動(dòng) |
|
11:00 |
6.4 |
2.5 |
25 |
12-18 |
150 |
160 |
↑手動(dòng) |
|
11:20 |
6.5 |
2.7 |
24 |
22-18 |
180 |
200 |
↓手動(dòng) |
|
12:40 |
6.5 |
2.4 |
24 |
18-15 |
150 |
170 |
↓自動(dòng) |
|
13:54 |
6.6 |
2.6 |
23 |
15-19 |
165 |
170 |
↑自動(dòng) |
|
14:27 |
6.4 |
2.3 |
23 |
15-11 |
135 |
155 |
↓自動(dòng) |
|
15:12 |
6.5 |
2.4 |
22 |
17-22 |
160 |
175 |
↑自動(dòng) |
|
19:50 |
6.4 |
2.5 |
23 |
18-13 |
150 |
170 |
↓自動(dòng) |
從上表可以看出，5#機(jī)組在0.36到20.33期間發(fā)生無(wú)功擺動(dòng);6#機(jī)組在0.20到19.50期間發(fā)生無(wú)功擺動(dòng)，其他時(shí)間未擺動(dòng)。6#機(jī)組在1.55無(wú)功功率由17Mvar自然降到10Mvar，擺動(dòng)幅度7MVAR; 在6.23無(wú)功功率由13Mvar自然上升到20Mvar，擺動(dòng)幅度為7Mvar，并且無(wú)功功率已超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定值。
在2002年4月10日13點(diǎn)由于4#機(jī)組緊急停機(jī)，5#機(jī)組無(wú)功功率由12Mvar直線下降到0，發(fā)電機(jī)定子電流最大擺到4000A，有功功率由25MW上升到26MW，“電壓回路斷線”信號(hào)出現(xiàn)，強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作，勵(lì)磁電壓為30V，勵(lì)磁電流為50A。檢查磁場(chǎng)變阻器沒(méi)有異常后手動(dòng)調(diào)整增加無(wú)功負(fù)荷，恢復(fù)正常。4月12日11:58分，5號(hào)機(jī)無(wú)功功率由10Mvar降到0，其它參數(shù)正常。
2.發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)理論分析
2.1電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率
發(fā)、供電的質(zhì)量指標(biāo)主要表現(xiàn)為電壓和頻率。頻率是由電力系統(tǒng)發(fā)電有功功率和有功負(fù)荷消耗的總電量來(lái)決定的; 電壓則是靠電力系統(tǒng)中無(wú)功功率平衡來(lái)維持的。如果電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率嚴(yán)重短缺，則系統(tǒng)中的電壓水平過(guò)低，使某個(gè)系統(tǒng)的母線電壓運(yùn)行在臨界值以下時(shí)，母線電壓有一微小的下降就會(huì)發(fā)生負(fù)荷消耗的無(wú)功功率增量大于系統(tǒng)向該點(diǎn)提供的無(wú)功功率增量，使無(wú)功缺額進(jìn)一步增大，電壓進(jìn)一步下降，這種惡性循環(huán)將造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。電壓崩潰后，大量電動(dòng)機(jī)自動(dòng)切除，某些發(fā)電機(jī)組失步，導(dǎo)致系統(tǒng)解列或大面積停電。
2.2無(wú)功功率平衡與電壓水平的關(guān)系
ΣQGi=ΣQLj+ΣΔQΣk
式中: ΣQGi—無(wú)功電源向系統(tǒng)供應(yīng)的無(wú)功功率;
i—無(wú)功電源的個(gè)數(shù);
QLj—負(fù)荷所消耗的無(wú)功功率; j無(wú)功負(fù)荷的個(gè)數(shù);
ΔQΣK—電力系統(tǒng)中變壓器、線路中所損耗的無(wú)功功率;
圖1 無(wú)功功率平衡和電壓水平關(guān)系
圖1為電力系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性，如果電力系統(tǒng)電壓Ux運(yùn)行在額定電壓Ue，則系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷所消耗無(wú)功功率為Qe，則ΣQLj+ΣΔQΣk=Qe，如果電力系統(tǒng)中所有的無(wú)功電源發(fā)出無(wú)功功率總和ΣQGj也等于Qe，電力系統(tǒng)就會(huì)維持在額定電壓運(yùn)行。那么無(wú)功功率平衡關(guān)系則為ΣQGie=QLje+ΣΔQΣke(角標(biāo)“e”表示運(yùn)行在額定電壓)。
如果系統(tǒng)中所有無(wú)功電源發(fā)不出Qe那么多無(wú)功功率，而只能發(fā)出Qa這么多,系統(tǒng)負(fù)荷就只能消耗Qa這么多。這時(shí)系統(tǒng)將運(yùn)行在a點(diǎn)，系統(tǒng)電壓Ux=Ua，系統(tǒng)負(fù)荷消耗的無(wú)功功率為Qa。則數(shù)學(xué)表達(dá)式即ΣQGia=ΣLja+ΣΔQΣka，角標(biāo)“a”表示系統(tǒng)運(yùn)行在a點(diǎn)?；蛘呦到y(tǒng)中所有無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率稍大于Qe為Qb，而系統(tǒng)中負(fù)荷消耗也達(dá)到了Qb這么多，則系統(tǒng)運(yùn)行在b點(diǎn)。系統(tǒng)電壓Ux=Ub，負(fù)荷消耗的無(wú)功功率為Qb，則數(shù)學(xué)表達(dá)式即ΣQGib=ΣQLib+ΣΔQΣkb，角標(biāo)“b”表示系統(tǒng)運(yùn)行在b點(diǎn)。電氣規(guī)程要求系統(tǒng)正常運(yùn)行的電壓允許在Ux=Ue±5%Ue的范圍內(nèi)，所以a、e、c三點(diǎn)都是電力系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡點(diǎn)，即系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在電壓Ua、Ue、Ub下運(yùn)行。因此要控制系統(tǒng)在額定電壓下運(yùn)行，就要控制系統(tǒng)中的無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率等于電力系統(tǒng)負(fù)荷在額定電壓時(shí)所消耗的無(wú)功功率。如果這個(gè)“等式”關(guān)系不能滿足，則電力系統(tǒng)就會(huì)偏離額定電壓運(yùn)行。當(dāng)無(wú)功電源發(fā)出的無(wú)功功率偏離負(fù)荷在額定電壓下所需消耗的無(wú)功功率過(guò)多時(shí)，作為無(wú)功電源的發(fā)電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率擺動(dòng)，電力系統(tǒng)電壓就會(huì)過(guò)多地偏離額定電壓。可見(jiàn)，維持電力系統(tǒng)電壓在允許范圍內(nèi)是靠控制系統(tǒng)無(wú)功電源的出力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2.3無(wú)功功率與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的關(guān)系
電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的無(wú)功功率分配。無(wú)功功率是通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓的平衡。
圖2 (a) 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖 (b) 等值電路
(c) 適量圖 (d) 同步發(fā)電的外特性圖
圖2（a）是同步發(fā)電機(jī)的原理圖，圖中FLQ是勵(lì)磁繞組，機(jī)端電壓為Uf，電流為If。在正常情況下，流經(jīng)FLQ的勵(lì)磁通量電流為Ifd，由它所建立的磁場(chǎng)使定子產(chǎn)生的空載感應(yīng)電勢(shì)為Eq，改變Ifd的大小，Eq值就相應(yīng)地改變。通過(guò)圖2（b）的等值電路圖，可以得出:
Uf+JIfxd=Eq
式中Xd——發(fā)電機(jī)直軸電抗。
根據(jù)圖2（c）的矢量關(guān)系: Eqcosδ=Uf+Iwxd
式中δ——Eq與Uf間的相角，即發(fā)電機(jī)的功率角;
Iw——發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流。
一般情況下δ的值很小，可近似為cosδ=1則上式可簡(jiǎn)化為Eq≈Uf+Iwxd。
從式中可以看出，同步發(fā)電機(jī)的外特性是下降的，當(dāng)勵(lì)磁電流Ifd一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓Uf隨無(wú)功負(fù)荷增大而下降。圖2（d）說(shuō)明，當(dāng)無(wú)功電流為Iw1時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓為額定值Ufe，勵(lì)磁電流為Ifd1。當(dāng)無(wú)功電流增到Iw2時(shí)，如果勵(lì)磁電流不增加，則電壓降至Uf2，可能滿足不了運(yùn)行要求，必須將勵(lì)磁電流增大至Ifd2，才能維持端電壓為額定值Ufe。同理，無(wú)功電流減小時(shí)，Uf也會(huì)上升，必須減小勵(lì)磁電流。所以說(shuō)，同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率必須通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)整，才能滿足系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)無(wú)功功率的需求，進(jìn)而才能保證電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。
3.引起機(jī)組無(wú)功功率擺動(dòng)的原因
3.1機(jī)組問(wèn)題
3.1.1 1996年，三號(hào)機(jī)發(fā)生無(wú)功擺動(dòng)以后，我們對(duì)直流勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，勵(lì)磁機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)正常，9月份電機(jī)大修期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠，最后檢查為轉(zhuǎn)子線圈有匝間短路現(xiàn)象。
3.1.2 2001年6月份，4號(hào)機(jī)因勵(lì)磁機(jī)碳刷打火，換向器表面有燒傷，無(wú)功功率擺動(dòng)頻繁，最后檢查確定勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子有匝間短路現(xiàn)象。
3.1.3 2001年4月，5號(hào)機(jī)因無(wú)功功率擺動(dòng)停機(jī)后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)的換向器片間有短路現(xiàn)象。
3.1.4 2002年4月10日-12日，5號(hào)機(jī)兩次出現(xiàn)無(wú)功功率直線下降為零，經(jīng)停機(jī)檢查，屬換向器的片間出現(xiàn)瞬間短路所引起的。
3.2同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的分配
汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率只受汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制，與勵(lì)磁電流的大小無(wú)關(guān)。故無(wú)論勵(lì)磁電流如何變化，發(fā)電機(jī)的有功功率均為常數(shù)。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化只是改變了機(jī)組的無(wú)功功率的大小。我廠發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的母線，屬于直配母線，也就是發(fā)電機(jī)的出線直接與6kV配電室并聯(lián)運(yùn)行。改變其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，不但影響它的電壓和無(wú)功功率，而且也將影響與之并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無(wú)功功率。由于多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)組之間存在著搶帶無(wú)功的現(xiàn)象，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)功缺額或無(wú)功過(guò)量時(shí)，總是存在著部分發(fā)電機(jī)搶帶或搶甩無(wú)功的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象的發(fā)生使系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，而另一部分發(fā)電機(jī)就出現(xiàn)無(wú)功缺額或無(wú)功過(guò)?，F(xiàn)象，最終反映出來(lái)的就是這一部分發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率擺動(dòng)。為了消除無(wú)功功率大幅度的擺動(dòng),只有調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)維持本臺(tái)發(fā)電機(jī)的無(wú)功平衡。
3.3電力系統(tǒng)擾動(dòng)的因素
電力系統(tǒng)的負(fù)荷每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，特別是大負(fù)荷的起動(dòng)和停用，都對(duì)系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率產(chǎn)生波動(dòng)。我們廠處在山西電網(wǎng)的末端。在這個(gè)末端電網(wǎng)內(nèi)電力系統(tǒng)有兩個(gè)電廠，再加上我們的自備電廠總裝機(jī)容量為1000MW左右，而運(yùn)城地區(qū)的農(nóng)業(yè)用電較多，工業(yè)用電較少，氣候環(huán)境對(duì)電負(fù)荷的影響特別大，天陰下雨大面積甩負(fù)荷，天氣干旱，又大量用電，以及我廠的同步電動(dòng)機(jī)的起停，這就產(chǎn)生了系統(tǒng)的正常擾動(dòng)。這種擾動(dòng)就使發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行重新分配，于是出現(xiàn)無(wú)功功率的擺動(dòng)。
3.4同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用
同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)都帶有自動(dòng)控制調(diào)整裝置，但是一些老機(jī)組和小機(jī)組因種種原因?qū)⒆詣?dòng)控制系統(tǒng)退出運(yùn)行，改為手動(dòng)調(diào)整，我廠就屬于這種。手動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁有很多缺點(diǎn)，如調(diào)整時(shí)間不能及時(shí)把握; 調(diào)整勵(lì)磁電流的大小無(wú)法控制等等。更重要的是如果調(diào)整不及時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行，或者在事故情況下造成系統(tǒng)“電壓崩潰”。調(diào)整勵(lì)磁就是調(diào)整勵(lì)磁電流。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是解決并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組之間的無(wú)功功率合理分配問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)不斷地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)平衡系統(tǒng)的無(wú)功功率，進(jìn)而維持機(jī)端電壓為額定水平。隨著微機(jī)控制的發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)不斷地更新，自動(dòng)化程度在不斷地提高，性能也在不斷地完善，這對(duì)我們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一次設(shè)備問(wèn)題非常重要，并且能夠徹底解決發(fā)電機(jī)的無(wú)功擺動(dòng)問(wèn)題。
4.結(jié)論
發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率擺動(dòng)是由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一次設(shè)備線圈發(fā)生匝間短路或換向器片間短路所引起，這種短路在動(dòng)態(tài)情況下能引起勵(lì)磁電流發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為無(wú)功功率擺動(dòng)，這是一種不正?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)處理。
電力系統(tǒng)的擾動(dòng)引起發(fā)電機(jī)的無(wú)功擺動(dòng)屬于一種正?，F(xiàn)象，但必須進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，否則造成電機(jī)失磁運(yùn)行。
同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是解決發(fā)電機(jī)無(wú)功功率擺動(dòng)的技術(shù)手段，同時(shí)也是保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要裝置。如能監(jiān)測(cè)到一次元件的缺陷，系統(tǒng)將更加完善。
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