摘　要：對四川電網發電機進相試驗研究情況進行了總結，研究了發電機進相運行的限制條件，特別研究了發電機低有功無勵磁運行、發電機進相運行時廠用電電壓過低對廠用負載的影響以及定子端部結構件溫度限制。
　　Abstract: The test and research on leading phase operation of generator in Sichuan power system has been summarized. In this paper, it has made research on thelimiting conditions for leading phase operation of generator, especially on loss-of-excitation operation of generator with low active power, the effect of low voltage of auxiliary power on service load while generator is in leading phase operation, and temperature limit of constructional elements at both ends of stator.

1發電機進相運行的必要性
　　隨著四川省電力工業不斷發展，電網結構的變化，超高壓遠距離輸電網絡不斷擴大，導致系統無功增多，如220 kV、330 kV和500 kV級的架空線路，每公里對地的容性無功分別為130kvar、400 kvar和1 000～1 300 kvar。加之，為彌補系統高峰負荷時的無功不足，在電網中還裝設了一定數量的電容器，這些電容器有時難以適應系統調節電壓的需要而及時投切。因此，在節假日或午夜等系統負荷處于低谷時，其過剩無功必導致電網電壓升高，甚至超過運行電壓容許的規定值，不僅影響供電的電壓質量，還會使電網損耗增加，經濟效益下降。發電機進相運行能吸收網絡過剩的無功功率，降低系統電壓。發電機進相運行是結合電力生產需要而采用的切實可行的運行技術，它可使發電機由改變運行工況而達到降壓的目的。僅是利用系統現有設備增加的一種調壓手段，便可擴大系統電壓的調節范圍，改善電網電壓的運行狀況。該方法操作簡便，在發電機進相運行限額范圍內運行可靠，其平滑無級調節電壓的特點，更顯示了它調節電壓的靈活性，發電機進相運行是改善電網電壓質量最有效而又經濟的必要措施之一。?

2發電機進相運行的基本原理
　　發電機進相運行時，供給系統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有功功率和容性無功功率，其有功功率表指示為正值，而無功功率表則指示負值，故可以說此時從系統吸收感性無功功率。發電機進相運行時各電氣參數是對稱的，并且發電機仍保持同步轉速，因而是屬于發電機正常運行方式中功率因數變動時的一種運行工況，只是拓寬了發電機通常的運行范圍。同樣，在允許的進相運行限額范圍內，只要電網需要是可以長期運行的。
　　同步發電機在低有功情況下可以無勵磁運行，此時發電機能保持同步運行，并吸收電網無功功率，但其定子電壓要下降。發電機低有功無勵磁運行是依靠反應轉矩維持同步運行的，其電磁功率包含兩部分，即基本電磁功率和附加電磁功率，基本電磁功率是由勵磁電流決定的，附加電磁功率是由轉子凸極效應確定的。當運行中失去勵磁時，電磁功率僅有附加電磁功率，其最大值為
　　
　　對于凸極發電機Xd＞Xq，故P2m＞0；當有功功率很小時，該電磁功率足以克服制動轉矩的作用而驅動發電機與電網保持同步。實踐證明，凸極發電機在無勵磁運行時的電磁反應功率可達到額定容量的20％左右，亦即發電機帶有功20％ Pn無勵磁運行時不失步。此時轉子繞組無直流電流又保持同步狀態，故不在轉子繞組及各部件感應電流，不存在轉子發熱的問題。?

3發電機進相運行的限制因素
　　發電機進相運行會受到下列因素的限制：①發電機的靜穩定和動穩定限制；② 發電機的暫態和動態穩定限制；③ 低勵磁不穩定的限制。?

4進相運行試驗研究工作內容
　　四川電力系統發電機進相運行試驗研究主要工作如下。
4.1改造了各試驗電廠有關無功功率等表計
　　發電機進相運行時，發電機吸收系統感性無功，無功功率為負，功率因數角由正變為負，功率因數具有雙向性。而以前各電廠所裝無功表計均為單向，且未裝功率因數表，因此需改造單向無功功率因數表。
4.2發電機進相運行穩定性和電壓無功研究結果
　　發電機進相試驗應在系統低谷負荷時段電壓偏高時進行，采用四川電網正常運行狀態下的小方式進行計算，為了提高發電機進相深度，減小發電機機端電壓對進相深度的影響，一般將電廠升壓變壓器接頭定于4檔。
　　在發電機進相運行試驗前對其穩定極限和無功電壓進行了計算。通過計算可知，每臺發電機靜穩定極限都是比較深的，暫態穩定極限略淺于靜穩定極限，發電機進相在暫態穩定極限范圍內能將系統電壓降低至允許范圍，降壓效果是十分顯著的。
4.3發電機失磁異步運行時機理、現象及處理措施
　　發電機在進相運行試驗中，在勵磁系統調試中有可能失磁，進相至較深的進相深度時也可能轉入異步運行。因此，在試驗前應研究發電機失磁異步運行的機理、現象及處理措施。
　　當發電機進相運行時，隨著勵磁電流下降，電磁轉矩下降，在轉子上就會出現轉矩不平衡現象。試驗研究結果表明，發電機失磁異步運行時，①轉子表面溫度不會太高，其主要原因為轉子部件感應電流頻率較低，集膚效應不太嚴重，渦流遍布于轉子整體，不會使轉子局部出現高溫；②轉子的轉速不會無限制升高，這樣可避免轉子超速可能引起的故障或事故；③定子電壓要下降，定子電流要增加，輸出的有功至少要小于（0.5～0.6）Pn，定子電流接近或略高于其額定值；④定子邊段鐵芯和金屬結構件溫度會增加；⑤當轉子繞組開路失磁異步運行時，轉子繞組會產生瞬時過電壓和過電流，在甚低滑差(S＜0.005)下異步運行時，其感應電壓是較低的，不會危及轉子繞組絕緣的安全運行。轉子繞組在某種外接電阻下，其感應電流可能會超過轉子額定電流，但不可能達到很高的危險數值，可能最高約為1.5倍額定電流值。
　　根據以上試驗研究結果，發電機在進相試驗中若發生失磁異步運行，不應匆忙解列停機，應盡快增加勵磁電流恢復同步，若不能恢復同步，則應將有功減低至（50～60）％Pn，同時增加勵磁電流，使發電機恢復同步。
4.4研究廠用電電壓過低對廠用負載的影響
　　為了研究廠用電電壓過低對廠用負載的影響，在CD電廠作了廠用電壓較低時的擾動試驗。發電機自動勵磁調節器投入運行，在有功為140 MW，進相到廠用電達到較低值時，起動一臺5500 kW給水泵電機作擾動試驗，其試驗結果表明，廠用電在起動過程中由6.0 kV降為4.8 kV，起動時間為4.6 s，起動時不影響發電機和其它輔機的正常運行。
4.5研究發電機低負荷全失磁時的機理、現象及處理措施
　　在GZ電廠的G電站5號和T電站13號發電機上作了研究。G電站5號發電機是在有功為10MW下進行的，將勵磁電流減至最小，然后斷開勵磁開關，此時發電機保持同步運行，實測其邊段鐵芯溫升未超標，此時廠用電電壓最低為5.82 kV，發電機在P=10 MW下可以無勵磁運行。而T電站13號發電機是在有功為20 MW下進行的，此時電機未失步，邊段鐵芯溫度也未超標，但卻受到了廠用電電壓過低（廠用電壓降為5.22 kV）的限制而不能無勵磁運行。
4.6研究發電機定子端部邊段鐵芯和金屬結構件溫度分布規律
　　在G電站5號發電機、T電站13號發電機、BZS電廠3號機定子端部邊段鐵芯和金屬結構件處埋設熱電偶，測量其溫度分布。G電站5號機定子上下端定子邊段鐵芯和金屬結構件處選擇一個節距，埋設在同槽異相繞組附近，測量結果表明，最高溫度在定子上壓指和邊段鐵芯第一階梯齒處，其主要原因是該機定子壓指材料為磁性材料，該處磁阻小，漏磁通大。該處溫度較高，成了發電機進相運行的限制因素。從周向看，最高溫度出現在同槽異相繞組搭接槽齒部。T電站13號發電機和BZS電廠3號機定子邊段鐵芯和階梯齒溫度均較低，最高溫度出現在第一階梯齒，因壓指材料為非磁性材料，所以壓指溫度并不高。?

5發電機進相運行試驗研究概況及降壓節能效益
5.1四川電網發電機進相運行概況
　　四川電網部分發電機進相試驗結果匯總于表1。

5.2在電網中降壓節能效益
　　由發電機進相運行試驗研究的結果及表1中的數據，可獲得以下幾點。
　　1) 發電機進相運行降壓效果顯著：以BZS電廠3號發電機進相運行為例，該機進相運行時，隨進相深度增加，該站220 kV側母線電壓和吸收無功Q的關系得出：每吸收系統無功約9～20 Mvar時，即可將該站220 kV的母線電壓降低1 kV，降壓效果顯著。
　　但應指出，各電網容量、結構、運行方式等的不同，降低該站(廠)高壓側母線電壓1 kV需吸收的無功值是不一樣的，由表1可知為7～35 Mvar。但是，總的看來，降低電網電壓的效果是很顯著的。
　　2) 發電機進相運行節能效益顯著：
　　發電機進相運行吸收系統無功，不僅能降低系統電壓確保電壓質量，而且還可以同時得到節能提高電網經濟效益的目的：
　　① 減少變壓器等設備因電壓增高而增加損耗；② 減少變壓器等設備的損耗確保絕緣使用壽命。
　　綜上所述，當系統負荷處于低谷，無功過剩電壓增高至超過規定的運行電壓允許值時，網調可安排電機進相運行，降低電壓，使全網電壓于允許的范圍內運行，既確保了電壓質量，又可改善系統的電能分配，減少全網的總損耗，提高經濟效益。 ?

6發電機進相試驗研究取得的規律
　　發電機進相運行時，本身的限制因素之一是定子邊段鐵芯和金屬結構件的局部高溫，因此從電機上改進結構，降低端部損耗，加強端部冷卻，消除局部過熱，提高電機進相運行能力，是當前電機設計的主要內容之一。
　　國內外對電機邊段鐵芯的不同結構，端部屏蔽方式及探求端部最佳冷卻方式和強度等，作了大量的試驗研究和計算，取得了下列主要成果。
6.1發電機定子端部溫度分布規律
　　1) 沿電機軸向長度的溫度分布：
　　試驗研究結果表明，電機進相運行時，定子邊段鐵芯和端部金屬結構件的局部高溫處隨電機形式、端部結構、材料和冷卻情況的不同而異，但是一般出現在壓指、邊段鐵芯1～4段。這與壓指和邊段鐵芯材質有關，材質為磁性材料者，該處漏磁大，最高溫度通常出現在壓指上，鄰近第一階梯齒受其影響，溫度也較高。壓指和邊段鐵芯材質為非磁性材料者，最高溫度通常出現在第一階梯齒處，壓指溫度略為偏低。
　　沿電機軸向距端面的距離增加，合成磁密的軸向分量逐漸減小，致使邊段鐵芯的溫升沿軸向往中心相應降低。到第四段以后，已接近中部鐵芯溫升的數值。電機進相運行時，沿電機軸向長度的溫升分布類似“U”形曲線。
　　2) 沿電機邊段鐵芯徑向的溫度分布：綜合電機進相試驗研究結果，沿定子邊段鐵芯徑向的溫度分布，具有不均勻的特性，最高溫度的部位隨機型和結構而異。通常出現在端部壓指頂、邊段鐵芯的齒頂、齒中部和槽底部位。
　　3) 沿定子膛圓周邊段鐵芯各齒的溫度分布：
　　分析研究實測表明，電機進相運行時，沿定子膛圓周邊段鐵芯各齒的溫度分布，亦具有不均勻的特性。引起溫度不均勻的原因，主要是因定子繞組端部產生的空間高次諧波，在各齒的合成值不同，所以沿定子膛圓周各點的漏磁場強度亦不同。對于雙層繞組的電機，在雙層線棒的相帶搭接處，所有正弦諧波的數值為同相位，致使磁勢的總和達到最大值，造成同槽異相線棒搭接處的齒部溫度最高。GZ電廠5號機實測結果證明了這點。因此在作電機的進相和無勵磁試驗時，測磁和測量元件應埋設在上述部位，方能測得定子端部的最高溫度。
6.2發電機低有功無勵磁、調相機無勵磁運行無失步問題
　　試驗研究、運行實踐均表明，發電機低有功和調相機進相至極限——無勵磁時，電機運行無失步問題。這是因為通常電機的Xd與Xq是不相等的，因此同時考慮Xd和Xq時，其電磁功率用式(2)表示。

　　式中第1項P1為勵磁電磁功率，其值與勵磁電流的大小有關；第2項P2為磁阻功率，它僅取決于電機Xd與Xq的差值和機端(電網)電壓的高低，而與勵磁電流值無關，在δ＝45°時達最大值。當電機無勵磁時Eq(不計剩磁)為零，即P1為零。此時電機僅有P2存在。
6.3發電機帶自動勵磁調節器可以提高其穩定性
　　發電機靜穩定、動穩定、電壓無功計算和試驗結果表明，每臺發電機均具備進相能力，其穩定極限深度均較深。與電機在電網中的位置，自動勵磁調節器投入與否有關。CD電廠、HJZ電廠、GZ電廠均作了自動和手動勵磁兩種工況的進相運行試驗，結果表明，發電機帶自動勵磁調節器可以提高電機的穩定性。?

7結論
　　（1） 試驗研究表明，發電機進相運行降低系統電壓效果顯著，既可確保電壓質量，又可減少系統電氣設備的總損耗，是提高電網運行經濟效益，簡便易行且安全可靠的最有效措施之一。
　　（2）發電機進相運行時，定子端部出現局部高溫的數值，與電機型式，端部結構、應用材料等有關。經分析和實測表明，局部高溫處，一般出現在雙層繞組相帶中異相線棒搭接槽齒部的壓指邊段鐵芯部位。
　　（3）計算分析及運行實踐均表明，發電機低有功和調相機進相至極限——無勵磁時，因磁阻功率遠大于制動功率，絕不會失步。并且儲備系數大，靜穩定度高，對于無勵磁時定子端部溫升遠低于限額值的凸極調相機，若電網需要可采用負勵磁運行，進一步提高調節電網電壓的能力。
　　（4） 試驗研究表明，水輪發電機磁阻功率大，一般約為額定功率的25％。因此，對于進相運行不受邊段鐵芯發熱限制的水輪發電機(或凸極轉子的汽輪發電機)，宜帶低有功進相運行，進相深度大，吸收無功多，降壓效果顯著，受靜穩定的影響小。
　　（5） 隨著中國電力工業和運輸事業發展和提高供電可靠性的需要，發電機的設計和制造，應滿足特殊運行方式——進相、異步運行的要求，并在定子端部邊段鐵芯及結構件增設測溫元件，以便在進相和異步運行時監測溫度，確保電機能長期安全運行。