第一節(jié)發(fā)電機的進相運行的必要性隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，大型發(fā)電機組日益增多，同時輸電線路的電壓等級越來越高，輸電距離越來越長，加之許多配電網(wǎng)絡使用了電纜線路，引起了電力系統(tǒng)電容電流的增加，增大了剩余無功功率。尤其是在節(jié)假日、午夜等低負荷情況下，由線路引起的剩余無功功率，使電網(wǎng)的電壓上升，以致超過容許的范圍。過去一般是采用并聯(lián)電抗器或利用調(diào)相機來吸收此部分剩余無功功率，但有一定的限度，且增加了設備投資。近些年我國也廣泛地開展了進相運行的試驗研究。實踐說明，進相運行是一項切實可行的辦法，不需要額外增加設備投資，就可吸收無功功率，進行電壓調(diào)整。適當進行進相運行，能降低電壓，抑制和改善電網(wǎng)電壓過高狀況。該項技術(shù)措施易于實現(xiàn)，運行操作方便、靈活，可獲得顯著的經(jīng)濟效益。

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第二節(jié)發(fā)電機進相運行的分析1.什么是同步發(fā)電機的進相運行狀態(tài)？進相運行是相對于發(fā)電機遲相運行而言的，此時定子電流超前于端電壓，發(fā)電機處于欠勵磁運行狀態(tài)。發(fā)電機直接與無限大容量電網(wǎng)并聯(lián)運行時，保持其有功功率恒定，調(diào)節(jié)勵磁電流可以實現(xiàn)這兩種運行狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。

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2.發(fā)電機進相運行的相量關(guān)系實際并入電網(wǎng)的同步發(fā)電機是通過變壓器、線路與電網(wǎng)相聯(lián)的。發(fā)電機進相運行的相量關(guān)系如圖1-15所示。此時發(fā)電機的功角為δG，發(fā)電機電勢與電網(wǎng)電壓相量之間的夾角為δs。

圖1-15

發(fā)電機進相運行相量圖

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發(fā)電機遲相運行時，供給系統(tǒng)有功功率和感性無功功率，其有功功率和無功功率表的指示均為正值；而進相運行時供給系統(tǒng)有功功率和容性無功功率，其有功功率表指示正值，而無功功率表則指示負值，故可以說此時從系統(tǒng)吸收感性無功功率。發(fā)電機進相運行時各電磁參數(shù)仍然是對稱的，并且發(fā)電機仍然保持同步轉(zhuǎn)速，因而是屬于發(fā)電機正常運行方式中功率因數(shù)變動時的一種運行工況，只是拓寬了發(fā)電機通常的運行范圍。同樣，在允許的進相運行限額范圍內(nèi)，只要電網(wǎng)需要是可以長時間運行的。4

3.發(fā)電機進相運行特點

發(fā)電機進相穩(wěn)定運行是電網(wǎng)需要時采用的運行技術(shù)，其運行能力主要是由電機本體的條件確定。我國1989年頒布的《發(fā)電機運行規(guī)則》第47條指出：“發(fā)電機是否能進相運行應遵守制造廠的規(guī)定。制造廠無規(guī)定的應通過試驗確定。進相運行的可能性決定于發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱和在電網(wǎng)中運行的穩(wěn)定性。”發(fā)電機進相運行時就其本體而言有兩個特點：1）發(fā)電機端部的漏磁較遲相運行時增大，會造成定子端部鐵心和金屬結(jié)構(gòu)件的溫度增高，甚至超過允許的溫度限值；2）進相運行的發(fā)電機與電網(wǎng)之間并列運行的穩(wěn)定性較遲相運行時降低，可能在某一進相深度時達到穩(wěn)定極限而失步。因此，發(fā)電機進相運行時容許承擔的電網(wǎng)有功功率和相應允許吸收的無功功率值是有限制的。5

4.發(fā)電機進相運行所導致問題分析

發(fā)電機進相運行,從理論上分析是可行的。但由于發(fā)電機的類型、結(jié)構(gòu)、冷卻方式及容量有很大的差異，發(fā)電廠的電氣主接線各異，發(fā)電廠和系統(tǒng)連接的緊密程度不同等原因，在進相運行是容許發(fā)出多少有功功率和吸收多少無功功率，理論上的計算由于不考慮電機的飽和及勵磁方式的影響等，其結(jié)果是近似的，一般要通過運行試驗來決定。運行和試驗時應注意的問題如下：

1）靜態(tài)穩(wěn)定性的降低當同步發(fā)電機的輸入功率受到一些微小的擾動，發(fā)生瞬時的增大或減小時，如果不考慮調(diào)節(jié)器的作用，發(fā)電機能在這種瞬時擾動后很快恢復到原來的平衡運動狀態(tài)，這稱為發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定。反之，稱為靜態(tài)不穩(wěn)定。6

以隱極發(fā)電機為例，設電勢為Eq，電抗xd=xq，端電壓為UG，功率角為δG，則發(fā)電機的功角關(guān)系可用下式表示

（1－13）

由上式可知看出，在Eq、UG、xd不變的情況下，PM的變化會引起功角δ的變化，在功角為90o時，PM達到最大輸出功率（1－14）對式（1-14）求導得（1－15）7可以看出：在時，發(fā)電機達到靜態(tài)穩(wěn)定極限；在時，發(fā)電機能保持靜態(tài)穩(wěn)定；在時，發(fā)電機會失去靜態(tài)穩(wěn)定。

因此，可以做為發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)。

設在遲相運行時，發(fā)電機的功角為δ1；進相運行時為δ2，在運行方式由遲相逐漸過渡到進相時，由于If下降，引起Eq下降（U也相應下降一些），而xd基本保持不變，則功角δ必然要增加，即從δ1增到δ2。此時最大功率點Pmax會下移。在δ=90°時，PM=

Pmax，達到靜態(tài)穩(wěn)定極限。此時若再減少勵磁電流，則會失去穩(wěn)定。

8例：N水廠一臺TS854/156-40型、75MW的水輪發(fā)電機，實測有功功率恒定時勵磁電流和功角的關(guān)系如圖。功角隨勵磁電流減小而增大。時，增加比較緩慢。時，勵磁電流稍有減小，功角增加很快。

討論：上述的功角特性是指發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不帶自動電壓調(diào)節(jié)器而言。如果發(fā)電機在運行時帶上自動電壓調(diào)節(jié)器，則功角特性會有一些不同，最大電磁輸出功率Pmax會向右移動，使得Pmax所對應的功角δ＞90°，實現(xiàn)發(fā)電機在人工穩(wěn)定區(qū)域運行。9例（1）一臺TB-100-2型發(fā)電機，，在手動勵磁和投入自動勵磁調(diào)節(jié)器兩種條件下的實測結(jié)果列表：

該機的自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運行后，在接近額定有功功率時，吸收的無功功率由手動勵磁時的42.2Mvar增到63Mvar。當有功功率降低時，電機的運行功角已超過自然穩(wěn)定極限進入人工穩(wěn)定運行區(qū)運行。10例（2）一臺TQN-100-2型發(fā)電機，裝有快速勵磁調(diào)節(jié)器，在不投入或投入自動勵磁調(diào)節(jié)器時進相能力的實測數(shù)據(jù)見下表進入人工穩(wěn)定運行區(qū)運行，提高了進相運行的能力和進相運行工況下抗干擾的能力。11P發(fā)電廠一臺QFQS-200-2型發(fā)電機。退出自動勵磁調(diào)節(jié)器進相運行時，實測勵磁電流與功角和機端電壓的關(guān)系如圖。

時，曲線變得很陡，表明勵磁電流降到此值以后，若再發(fā)生微量的減少，都會引起功角有較大的增加，電機出現(xiàn)失步情況。投入自動勵磁調(diào)節(jié)器后，發(fā)電機進相運行時的靜態(tài)穩(wěn)定大大提高，有功功率增大時，仍未失去穩(wěn)定，只是定子電流超過額定值使進相深度受到了限制。12原因分析：

（1）發(fā)電機直接接在無限大電網(wǎng)上，即認為外部阻抗xs=0。由于帶自動電壓調(diào)節(jié)器后，在一定的勵磁電流If下，不是保持Eq不變而是保持暫態(tài)電勢不變所致，此時PM的表達式為：

（1－16）式中：

為瞬變電抗；為暫態(tài)電動勢。由于，所以功角特性曲線相當于一個與sinδ成比例的部分和一個與sin2δ成比例的部分的合成。

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（2）外部阻抗xs≠0從圖1-15中的相量圖可以導出：

（1－17）（1－18）

當進相運行時，在輸出有功功率一定的條件下，隨著勵磁電流的減少，δ角就要增大，從而使靜態(tài)穩(wěn)定性降低。式（1-16）是發(fā)電機直接接在無限大容量母線上而得出的。實際系統(tǒng)中，發(fā)電機經(jīng)變壓器、線路接到系統(tǒng)，所以需要計及這些元件的電抗（統(tǒng)稱為外部電抗xs）。此時靜態(tài)穩(wěn)定性將進一步降低。

14圖1-16隱極發(fā)電機的可能出力曲線

圖1-16表示隱極發(fā)電機的可能出力曲線。圖中，a的部分受定子繞組溫升限制，b的部分受轉(zhuǎn)子繞組溫升的限制，c的部分受定子端部溫升的限制，通常是由運行試驗確定。d的部分表示外電抗為零時，進相運行的靜穩(wěn)定極限。e的部分表示外電抗不為零時，進相運行的靜穩(wěn)定極限。15

當發(fā)電機接有外部電抗時，由圖1-15的相量圖可得出進相運行時的有功功和無功功率表達式:

（1－20）由相量圖可知16

代入式（1-19）和（1-20）經(jīng)運算整理得

（1－21）（1－22）由相量圖可看出δG與δs成正比變化，所以P與Q均為δs的函數(shù)。式（1-21）和（1-22）不僅可以計算發(fā)電機功率的大小，還可以判斷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定情況。17

在靜態(tài)穩(wěn)定的極限(δs=90°時)，式中cosδs項為零。將上兩式整理得

（1－23）由式（1-23）可以看出，計及外部電抗時進相運行的靜穩(wěn)定極限為一圓特性。其圓心在Q軸上距原點0為單位的點上，其半徑長度為，如圖1-16所示。此部分是進相運行時由靜穩(wěn)定決定的理論上的最大容許值，考慮實際運行中突然過負荷等因素的影響，比最大容許值還要低些。

18結(jié)論：1）帶自動電壓調(diào)節(jié)器后，進相能力明顯增加。2）發(fā)電機短路比大，即xd小，進相能力強。3）發(fā)電機與系統(tǒng)聯(lián)接緊密時，則進相能力強，而邊遠地區(qū)孤立的電廠，發(fā)電機進相能力小，甚至不能進相。4）系統(tǒng)電壓越高，無功儲備越大，則發(fā)電機進相時端電壓下降越少，發(fā)電機進相運行能力越強。5）機機組所帶的有功功率越多，則功角越大，靜態(tài)穩(wěn)定儲備越低。19

由于大型內(nèi)冷式汽輪發(fā)電機的電磁負荷設計值較一般外冷式發(fā)電機明顯增大，導致其端部漏磁明顯加大。盡管在設計中采用了一系列的技術(shù)措施，如定子壓指、壓圈，轉(zhuǎn)子護環(huán)采用無磁性鋼，定子鐵心端部加電屏蔽和磁屏蔽，邊段鐵心做成階梯形，端部小齒開槽等，來增加漏磁路的磁阻，以避免漏磁通集中，減少由漏磁場感應產(chǎn)生的渦流損耗，降低端部溫度，以維持溫升在允許的范圍之內(nèi)，但是隨著運行方式由遲相逐漸過渡到進相，端部合成磁通將會增大，引起發(fā)電機定子邊段鐵心及端部結(jié)構(gòu)件上的感應渦流增大，而產(chǎn)生附加發(fā)熱。

發(fā)電機端部的漏磁是由定子繞組端部漏磁與轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁組成的合成磁通。定子端部鐵心、結(jié)構(gòu)件的過熱主要是由于端部漏磁引起的。它的大小除與發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、型式、材料、短路比等因素有關(guān)外，還與定子電流的大小、功率因數(shù)的高低等因素有關(guān)。2）端部漏磁引起的發(fā)熱

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發(fā)電機運行時，在其端部出現(xiàn)的定子繞組端部漏磁和轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁，將盡可能通過磁阻最小的路徑形成閉路。為此由磁性材料制成的定子端部鐵芯、端部壓板以及轉(zhuǎn)子護環(huán)等部分便通過相當大的端部漏磁。它在空間與轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，對定子有相對運動，因此在定子端部鐵芯齒部、壓指、壓板等部件中要感應出渦流和磁滯損耗使之發(fā)熱。特別是直接冷卻的或者大型氫冷卻的定子線負荷大的發(fā)電機，此種發(fā)熱尤為顯著。

在遲相運行時這種發(fā)熱是在容許范圍內(nèi)的。而在進相運行時，隨著進相功率的增大，發(fā)熱越來越嚴重，這是因為端部合成漏磁通隨功率因數(shù)的變化而增大所致。

分析：圖1-17（a）所示氣隙磁通關(guān)系中，各磁通全部都通過氣隙，但是端部漏磁通的路徑很復雜，定子端部漏磁通與轉(zhuǎn)子端部漏磁通不取共同的途徑。某一點的磁通量取決于該點的磁阻，故磁通量因地而異。21

圖1-17磁通相量圖（a）氣勢磁通相量圖；（b）端部漏磁通相量圖

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定子鐵芯端部中，由定子磁勢引起的漏磁的漏磁通φea易于通過，在圖1-17（b）中以AC表示。轉(zhuǎn)子磁勢引起的漏磁通經(jīng)過氣隙進入定子端部的部分φe0則較小，假設它為勵磁磁通量φ0的λ倍（λ<1隨鐵心端部位置而定），在圖1-17（b）中以相量AD表示，其值為a，AD=λAB。此時端部的合成漏磁通φe等于CD。保持定子電流不變的情況下（亦即圖中AC不變），當功率因數(shù)由遲相轉(zhuǎn)為進相運行時，合成的漏磁通CD將要增大。如圖1-18所示。23

圖1-18端部漏磁通與功率因數(shù)關(guān)系

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在圖1-18中，電樞反應磁勢產(chǎn)生的漏磁通AC不變。隨著功率因數(shù)由遲相轉(zhuǎn)為進相運行，由于勵磁電流的減小，所以勵磁磁勢產(chǎn)生的漏磁通AD也相應地減少，其值等于λAB。而定子端部的合成漏磁通φe則增大，φe等于CD。D點則在以O點為圓心（O點到C點的距離OC=λBC），以OD（OD=BD×AC/AB=(1-λ)AC）為半徑的半圓上移動。

由圖1-18還可看出，當功率因數(shù)由遲相往進相變化時，在功率因數(shù)為1的附近，合成漏磁勢φe的變化較顯著；隨著進相功率因數(shù)的降低（由1將到0），吸收的無功功率增多，φe越來越大，致使定子端部發(fā)熱越來越嚴重。如取功率因數(shù)等于1時的φe為1，則定子端部某一點（其λ為小于1的定值）的合成漏磁通φe隨功率因數(shù)而變化的關(guān)系如圖1-19所示。

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圖1-19端部合成漏磁通隨功率因數(shù)變化曲線

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當功率因數(shù)一定時，端部漏磁通約與發(fā)電機的千伏安出力成正比，如圖1-20所示。由圖中可以看出，如欲保持端部發(fā)熱為一定值，亦即端部漏磁通為一定值，隨著進相程度的增大，千伏安出力應相應降低。

圖1-20端部漏磁通與發(fā)電機出力的關(guān)系

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圖1-21表示大型機組功率因數(shù)變化時的容許出力(有功和無功)。從圖上很明顯地看出，當發(fā)電機申遲相轉(zhuǎn)入進相運行時，隨著功率因數(shù)的降低，發(fā)電機容許的出力劇烈下降。圖1-21功率因數(shù)變化時，發(fā)電機的容許有功功率和容許無功功率

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值得指出的是，目前大型發(fā)電機已采取多種措施來減少端部發(fā)熱，例如：采用非磁性鋼的轉(zhuǎn)子護環(huán)、采用銅板屏蔽、開槽分割以限制渦流通路等等。采用上述措施后，可降低進相運行時的端部溫升，從而提高進相運行時的容許功率。思考題：1.發(fā)電機進相運行有何實際意義？2.發(fā)電機進相運行的特點是什么？295.發(fā)電機進相運行時端部漏磁與溫度測量實例發(fā)電機定子端部鐵心和金屬結(jié)構(gòu)件的溫度限值，我國規(guī)定見下表所示301）汽輪發(fā)電機一臺SQF-100-2型汽輪發(fā)電機，進相運行時，實測定子端部鐵心段軸向磁通密度B，溫升△θ與功率因數(shù)關(guān)系的曲線，如圖該機帶額定有功功率功率，在遲相和進相運行時，定子第36槽和37槽鐵心端部與階梯齒的溫長升分布，見下圖31（1）進相運行（超前）時，定子鐵心端部各測點的溫升值比工況運行時升高3~12?C.（2）定子端部第五、六段鐵心齒部的溫度最高，當進風溫度為34?C時，進相運行時可達114?C，溫升為80?C?！~定有功功率時不宜進相運行.（3）進相運行時定子鐵心各測點的溫度互差29?C（114-85）322）水輪發(fā)電機一臺TS425/125-12型水輪發(fā)電機，