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摘要：结合大型水轮发电机的运行情况，从理论角度出发对影响发电机进相运行的因素进行分析，并提出水轮发电机进相运行时对负荷产生的影响，以提高发电机进相运行的安全性、稳定性。
关键词：大型水轮发电机；进相运行；功率
作者简介：郭大奎（1974-），男，吉林长春人，二滩水电开发有限公司锦屏电厂，工程师；王飞（1987-），男，山东泰安人，二滩水电开发有限公司锦屏电厂电气专责。（四川 西昌 615000）
中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）27-0088-02
一、大型水轮发电机进相运行概述
随着远距离、超高压输电网络的不断发展，常造成发电机系统的无功运转，例如在220kV级、330kV级、550kV级的架空线路中，每千米的对地容性无功分别是130kvar、400kvar、1000kvar。尤其在非工作时间内等负荷量的低谷时期，过剩无功现象必然造成电网的电压量升高，甚至超过了系统的电压容量规定值，严重影响供电质量，并对电网造成损害，降低经济效益。水轮机发电机组的进相运行结合了电力生产需要这一目标，通过切实可行的应用技术，确保通过发电机改善运行工况，吸收电网过剩的无功功率，实现降压。这种方法仅需要系统现有设备即可实现，并扩大系统的电压调控范围，保障电网电压正常运行、操作简单，充分体现了调节电压的方便性、灵活性。可见，水轮发电机的进相运行，可有效保障电网电压的运行质量，实现可持续发展。
二、大型水轮发电机进相运行的限制因素
1.静稳极限对发电机进相运行的限制
在电力系统的发电过程中，一般通过发电机的升压变和无穷大的电网实现相联，将变压器中的电抗换算到发电机一侧，同时可省略其中的电阻量。因此，简化后的等值电路如图1所示。
根据大型水轮发电机的特点，其中的交直轴电抗不相等，即Xd≠Xq。根据同步电机派克方程，可知水轮发电机功角特性公式为：
（A）
在该式中，P是发电机的输出有效功率，U是计算点位置的等效电压，E0代表发电机的内电势，而和是指从折算到计算点的等值电抗，δ是指内电势和计算点电压（U）之间的矢量夹角。
另外，根据向量图中的各种关系，也可推算出功角计算公式：
（B）
由公式（A）可知，大型水轮发电机中，其电磁功率仅与系统的电压相关，此项称作大型水轮发电机中的附加电磁功率。虽然不需要对发电机施加额外的励磁电流，但如果保证发电机的并入系统中U≠0，那么就会存在附加的电磁功率。而如果归纳入电磁功率中，大型水轮发电机的电磁功率的最大值，其对应功角为：。一般情况下，可将发电机的额定运行点（δ）控制在20°-30°范围内。可见，当在状态运行时，大型水轮发电机的运行保持静态稳定，而在范围之内时，运行状态为不稳定的静态形式。
因此，为能够获得一些静态稳定的储备力量，一般可采取功率限制手段，其中最常用的方法为确保发电机的功率，相比最大的电磁功率约小于0.1Pn。同时也可对大型水轮发电机的实现功角实现静稳定容量的限制。
2.进相深度和失磁保护的关系
在大型水轮发电机的运行过程中，其失磁保护功能，主要体现在发电机中励磁回路故障而引发的异常运转。当前，大型水轮发电机的失磁保护大多采用如下三种判断方式：首先，根据转子的低电压判断，通过测量获知励磁电压与动作值的大小，可反映出励磁系统中的低励故障或者失磁故障；其次，对极端低阻抗的工作情况判断，可有效反映发电机中的机端感受阻抗而发生动作，一般采取具有静稳边界的异步阻抗圆、边界阻抗圆等，在大型水轮发电机中，多选用静稳边界阻抗圆；再次，系统低电压判断，由于大多情况下并不是可靠运动，因此不能将此作为主要依据，而仅是加速跳闸因素。
发电机的失磁保护三个判断依据，实际上主要反映发电机转子侧、发电机定自测以及发电机系统侧中电气量，其灵敏度自高向低为转子低电压、阻抗圆及系统低电压。在实际工作过程中，一般由三个判断组合或闭锁，共同完成发电机的失磁保护。一般水轮发电机的失磁保护判断分为两个阶段方式：一是采取“定子判据+转子电压判据”，延时为1s；二是采取“低电压判据+定子判据+转子电压判据”，延时为0.5s。
3.定子端部漏磁的影响
在相同的功率及端部冷却的条件下，大型水轮发电机从迟相转变为进相，同时端部的漏磁密度值也随之提高，造成定子端部的构建持续发热，降低了水轮发电机的出力作用。在水轮发电机的定子端中发热部件，主要包括齿压板、压圈以及齿部等端部零件。在发电机的端部漏磁中，主要由定子绕组端部漏磁及转子绕组端部漏磁构成，其大小、程度等与发电机的材料、结构、功率、定子电流大小等相关。因此，由于其磁性材料的性质，决定了定子端部的铁芯、转子护环和压圈等部件中会通过较强的漏磁，而漏磁在空间中和转子保持相同速度旋转，对定子实现相对运动，因此在定子端部的齿部、铁芯、压圈等部位进行感应涡流磁损耗，随之产生发热现象。
另外，关于判断定子端的哪个部位温度最高，是否会影响到水轮发电机的出力情况，则应根据试验获得。经过试验，可知当水轮机发电机进相运行时，定子端部的温度分布不均匀，其端部的最高温升一般在边段铁芯的齿顶出现。而对于大型水轮机发电机来说，如果是在静态稳定情况下运行，可采取多种措施有效避免定子端部发热问题。
4.水轮发电机中的电压影响
当前，大多数发电厂中的用电，多源自发电及出口或者发电机的电压母线作用。在大型水轮发电机的进相运行时，随着发电机中励磁电流的持续降低，发电机中的无功率也会出现倒流现象，这种情况下，必然造成发电机出口处的电压降低。另外，由于厂用电动机的转矩和电压平方成正比，如果其中的电压过低，则可能出现由于转矩太小，而终止工作的现象，或者无法启动电动机；电压的降低，也会带来电流增大、温度增高，加速绝缘老化现象。一般采取如下措施进行改善：一是优化厂用变电压的分接头；二是调整水轮发电机组的进相深度；三是改变厂用电线的方式。
三、进相对大型水轮发电机产生的负荷影响
在大型水轮发电机的进相运行中，电压的下降，会带来母线电压的降低，其中可能会对连续运行的电机负荷造成如下影响。
1.定子电流产生的影响
定子电流，即空载电流和负载电流之和。其中，负载电流与转子电流是对应关系，而负载电流则与其电压的变化成反比，即随着电压的升高，负载电流会减少；而电压的降低，则会产生负载电流的增多。但是也应注意的是，空载电流的变化与电压变化相同，也就是说电压增高，空载电流会随之加大，这主要由于空载电流会随着磁通的变化而成正比变化。当电压降低时，电磁力矩随之下降，增大转差，同时定子电流与转子电流增大，空载电流则减少。在电压不断升高的过程中，电磁力矩会增加，而减少转差。此时，负载电流量逐渐减少、空载电流量则有所增加。但是也要区分两种情况：一方面，电压与额定值之间的偏差不大，而且磁通增加不多、铁芯未饱和的状态下，空载电流的增加与电压成正比，这种情况下，复杂电流的减小较占优势，定子电流也随之减少；另一方面，当电压与额定值偏差较大、磁通增加较多，而铁芯饱和、空载电流快速上升，所以占据较大优势，提高了定子电流。
2.对磁通产生的影响
在水轮发电机的铁芯中，磁通的大小决定了电势的大小。由于电磁与磁通成正比，因此随着电压的升高，磁通也会随之增大；反之亦然。
3.对转速产生的影响
转速不会受到电压变化而产生较大影响，但是总体来说，由于电压的变化而导致电磁力矩的减小，所以电压降低，转速也会减慢。
4.对发热量产生的影响
如果电压的变化范围不大，那么此时电压会有所升高，而定子电流则降低。随着电压的降低、定子电流升高，铜耗与铁耗会在一定范围内实现互补。如果电压的升高超过了10%，由于磁通的铁耗与密度有所增加，再加上定子电流及带动铜耗的增加，这种情况下的定子绕组的温度必将会超过允许值的限定。
5.对出力产生的影响
出力即机轴的输出功率。电压的变化对出力影响不大，但是随着电压的降低，出力也会略微降低。
6.对力矩产生的影响
随着电压的持续降低，其启动力矩有所减小，而增加启动时间。当电压已经降低到某一个数值时，电动机的最大力矩＜阻力力矩，此时电动机会停止转动。另外，如存在水压、其负载体是水泵时，电动机还可能会产生倒转。
参考文献：
[1]戈宝军,谷凤玲.能量变化器进相运行时的建模与仿真[J].电机与控制学报,2009,(1).
[2]陈强.机组进相运行安全稳定分析与具体措施[J].科技资讯,2009,(15).
[3]朱殿华,郭伟.水轮发电机多物理场综合优化设计[J].天津大学学报,2011,(3).
[4]李秋萍.简述水轮发电机运行的检修和故障改造[J].中国科技财富,2010,(12).
[5]孙监湖.水轮发电机温度状态分析与特性辨识方法研究[D].武汉:华中科技大学,2009.
[6]张侃君,尹项根,陈德树,等.大型水轮发电机内部故障保护的动模实验研究[J].电力系统自动化,2008,(6).
[7]张民乐.测试分析同步发电机进相运行的限制条件[J].山西能源与节能,2009,(3).
[8]赵翔.进相运行试验的制约因素分析及对策[A].2007云南电力技术论坛论文集,2007.
（责任编辑：刘辉）
关键词：大型水轮发电机；进相运行；功率
作者简介：郭大奎（1974-），男，吉林长春人，二滩水电开发有限公司锦屏电厂，工程师；王飞（1987-），男，山东泰安人，二滩水电开发有限公司锦屏电厂电气专责。（四川 西昌 615000）
中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）27-0088-02
一、大型水轮发电机进相运行概述
随着远距离、超高压输电网络的不断发展，常造成发电机系统的无功运转，例如在220kV级、330kV级、550kV级的架空线路中，每千米的对地容性无功分别是130kvar、400kvar、1000kvar。尤其在非工作时间内等负荷量的低谷时期，过剩无功现象必然造成电网的电压量升高，甚至超过了系统的电压容量规定值，严重影响供电质量，并对电网造成损害，降低经济效益。水轮机发电机组的进相运行结合了电力生产需要这一目标，通过切实可行的应用技术，确保通过发电机改善运行工况，吸收电网过剩的无功功率，实现降压。这种方法仅需要系统现有设备即可实现，并扩大系统的电压调控范围，保障电网电压正常运行、操作简单，充分体现了调节电压的方便性、灵活性。可见，水轮发电机的进相运行，可有效保障电网电压的运行质量，实现可持续发展。
二、大型水轮发电机进相运行的限制因素
1.静稳极限对发电机进相运行的限制
在电力系统的发电过程中，一般通过发电机的升压变和无穷大的电网实现相联，将变压器中的电抗换算到发电机一侧，同时可省略其中的电阻量。因此，简化后的等值电路如图1所示。
根据大型水轮发电机的特点，其中的交直轴电抗不相等，即Xd≠Xq。根据同步电机派克方程，可知水轮发电机功角特性公式为：
（A）
在该式中，P是发电机的输出有效功率，U是计算点位置的等效电压，E0代表发电机的内电势，而和是指从折算到计算点的等值电抗，δ是指内电势和计算点电压（U）之间的矢量夹角。
另外，根据向量图中的各种关系，也可推算出功角计算公式：
（B）
由公式（A）可知，大型水轮发电机中，其电磁功率仅与系统的电压相关，此项称作大型水轮发电机中的附加电磁功率。虽然不需要对发电机施加额外的励磁电流，但如果保证发电机的并入系统中U≠0，那么就会存在附加的电磁功率。而如果归纳入电磁功率中，大型水轮发电机的电磁功率的最大值，其对应功角为：。一般情况下，可将发电机的额定运行点（δ）控制在20°-30°范围内。可见，当在状态运行时，大型水轮发电机的运行保持静态稳定，而在范围之内时，运行状态为不稳定的静态形式。
因此，为能够获得一些静态稳定的储备力量，一般可采取功率限制手段，其中最常用的方法为确保发电机的功率，相比最大的电磁功率约小于0.1Pn。同时也可对大型水轮发电机的实现功角实现静稳定容量的限制。
2.进相深度和失磁保护的关系
在大型水轮发电机的运行过程中，其失磁保护功能，主要体现在发电机中励磁回路故障而引发的异常运转。当前，大型水轮发电机的失磁保护大多采用如下三种判断方式：首先，根据转子的低电压判断，通过测量获知励磁电压与动作值的大小，可反映出励磁系统中的低励故障或者失磁故障；其次，对极端低阻抗的工作情况判断，可有效反映发电机中的机端感受阻抗而发生动作，一般采取具有静稳边界的异步阻抗圆、边界阻抗圆等，在大型水轮发电机中，多选用静稳边界阻抗圆；再次，系统低电压判断，由于大多情况下并不是可靠运动，因此不能将此作为主要依据，而仅是加速跳闸因素。
发电机的失磁保护三个判断依据，实际上主要反映发电机转子侧、发电机定自测以及发电机系统侧中电气量，其灵敏度自高向低为转子低电压、阻抗圆及系统低电压。在实际工作过程中，一般由三个判断组合或闭锁，共同完成发电机的失磁保护。一般水轮发电机的失磁保护判断分为两个阶段方式：一是采取“定子判据+转子电压判据”，延时为1s；二是采取“低电压判据+定子判据+转子电压判据”，延时为0.5s。
3.定子端部漏磁的影响
在相同的功率及端部冷却的条件下，大型水轮发电机从迟相转变为进相，同时端部的漏磁密度值也随之提高，造成定子端部的构建持续发热，降低了水轮发电机的出力作用。在水轮发电机的定子端中发热部件，主要包括齿压板、压圈以及齿部等端部零件。在发电机的端部漏磁中，主要由定子绕组端部漏磁及转子绕组端部漏磁构成，其大小、程度等与发电机的材料、结构、功率、定子电流大小等相关。因此，由于其磁性材料的性质，决定了定子端部的铁芯、转子护环和压圈等部件中会通过较强的漏磁，而漏磁在空间中和转子保持相同速度旋转，对定子实现相对运动，因此在定子端部的齿部、铁芯、压圈等部位进行感应涡流磁损耗，随之产生发热现象。
另外，关于判断定子端的哪个部位温度最高，是否会影响到水轮发电机的出力情况，则应根据试验获得。经过试验，可知当水轮机发电机进相运行时，定子端部的温度分布不均匀，其端部的最高温升一般在边段铁芯的齿顶出现。而对于大型水轮机发电机来说，如果是在静态稳定情况下运行，可采取多种措施有效避免定子端部发热问题。
4.水轮发电机中的电压影响
当前，大多数发电厂中的用电，多源自发电及出口或者发电机的电压母线作用。在大型水轮发电机的进相运行时，随着发电机中励磁电流的持续降低，发电机中的无功率也会出现倒流现象，这种情况下，必然造成发电机出口处的电压降低。另外，由于厂用电动机的转矩和电压平方成正比，如果其中的电压过低，则可能出现由于转矩太小，而终止工作的现象，或者无法启动电动机；电压的降低，也会带来电流增大、温度增高，加速绝缘老化现象。一般采取如下措施进行改善：一是优化厂用变电压的分接头；二是调整水轮发电机组的进相深度；三是改变厂用电线的方式。
三、进相对大型水轮发电机产生的负荷影响
在大型水轮发电机的进相运行中，电压的下降，会带来母线电压的降低，其中可能会对连续运行的电机负荷造成如下影响。
1.定子电流产生的影响
定子电流，即空载电流和负载电流之和。其中，负载电流与转子电流是对应关系，而负载电流则与其电压的变化成反比，即随着电压的升高，负载电流会减少；而电压的降低，则会产生负载电流的增多。但是也应注意的是，空载电流的变化与电压变化相同，也就是说电压增高，空载电流会随之加大，这主要由于空载电流会随着磁通的变化而成正比变化。当电压降低时，电磁力矩随之下降，增大转差，同时定子电流与转子电流增大，空载电流则减少。在电压不断升高的过程中，电磁力矩会增加，而减少转差。此时，负载电流量逐渐减少、空载电流量则有所增加。但是也要区分两种情况：一方面，电压与额定值之间的偏差不大，而且磁通增加不多、铁芯未饱和的状态下，空载电流的增加与电压成正比，这种情况下，复杂电流的减小较占优势，定子电流也随之减少；另一方面，当电压与额定值偏差较大、磁通增加较多，而铁芯饱和、空载电流快速上升，所以占据较大优势，提高了定子电流。
2.对磁通产生的影响
在水轮发电机的铁芯中，磁通的大小决定了电势的大小。由于电磁与磁通成正比，因此随着电压的升高，磁通也会随之增大；反之亦然。
3.对转速产生的影响
转速不会受到电压变化而产生较大影响，但是总体来说，由于电压的变化而导致电磁力矩的减小，所以电压降低，转速也会减慢。
4.对发热量产生的影响
如果电压的变化范围不大，那么此时电压会有所升高，而定子电流则降低。随着电压的降低、定子电流升高，铜耗与铁耗会在一定范围内实现互补。如果电压的升高超过了10%，由于磁通的铁耗与密度有所增加，再加上定子电流及带动铜耗的增加，这种情况下的定子绕组的温度必将会超过允许值的限定。
5.对出力产生的影响
出力即机轴的输出功率。电压的变化对出力影响不大，但是随着电压的降低，出力也会略微降低。
6.对力矩产生的影响
随着电压的持续降低，其启动力矩有所减小，而增加启动时间。当电压已经降低到某一个数值时，电动机的最大力矩＜阻力力矩，此时电动机会停止转动。另外，如存在水压、其负载体是水泵时，电动机还可能会产生倒转。
参考文献：
[1]戈宝军,谷凤玲.能量变化器进相运行时的建模与仿真[J].电机与控制学报,2009,(1).
[2]陈强.机组进相运行安全稳定分析与具体措施[J].科技资讯,2009,(15).
[3]朱殿华,郭伟.水轮发电机多物理场综合优化设计[J].天津大学学报,2011,(3).
[4]李秋萍.简述水轮发电机运行的检修和故障改造[J].中国科技财富,2010,(12).
[5]孙监湖.水轮发电机温度状态分析与特性辨识方法研究[D].武汉:华中科技大学,2009.
[6]张侃君,尹项根,陈德树,等.大型水轮发电机内部故障保护的动模实验研究[J].电力系统自动化,2008,(6).
[7]张民乐.测试分析同步发电机进相运行的限制条件[J].山西能源与节能,2009,(3).
[8]赵翔.进相运行试验的制约因素分析及对策[A].2007云南电力技术论坛论文集,2007.
（责任编辑：刘辉）