曹登峰，潘羅平，周 葉，安學(xué)利

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 引言

在“一帶一路”倡議的推動(dòng)下，我國承建的一批海外大中型水電工程接連投運(yùn)，其涉及的水輪發(fā)電機(jī)組的性能考核是海外水電工程移交前的最后一道“關(guān)卡”。勵(lì)磁電流是水電機(jī)組運(yùn)行中一項(xiàng)基本的重要參數(shù)，但由于制造、安裝等原因，勵(lì)磁電流實(shí)際值與設(shè)計(jì)值經(jīng)常存在一些偏差[1，2]，導(dǎo)致機(jī)組不能順利通過性能考核，乃至延誤工程順利完工。

保梯電抗是水輪發(fā)電機(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù)，其與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流密切關(guān)聯(lián)[3]。準(zhǔn)確測定保梯電抗，繼而利用保梯圖、ASA圖或瑞典圖計(jì)算發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，有助于準(zhǔn)確描述發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況及性能[4]。而零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)作為國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中唯一推薦的測定同步電機(jī)保梯電抗的試驗(yàn)方法，國內(nèi)外在應(yīng)用上仍存在一些差異。

本文在老撾一水電站機(jī)組上開展了零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)，測取并根據(jù)保梯電抗計(jì)算出了發(fā)電機(jī)在不同負(fù)荷下的勵(lì)磁電流，對實(shí)測勵(lì)磁電流值進(jìn)行了復(fù)核。

2 測定原理

2.1 零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)

IEC 600034推薦以作圖法確定同步電機(jī)的保梯電抗，如圖1所示[5]。圖中，點(diǎn)A為零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線上對應(yīng)定子額定電壓和額定電流的點(diǎn)，AF長度等于短路特性曲線上對應(yīng)額定定子電流的勵(lì)磁電流ifk，F(xiàn)H平行于氣隙線，與空載飽和特性曲線相交于H，HG長度即保梯電抗xp。然而，受發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行極限的限制，水輪發(fā)電機(jī)組很難在零功率因數(shù)、額定定子電流下運(yùn)行，即在水電站現(xiàn)場無法測取到額定定子電流下的零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線。

圖1 作圖法確定保梯電抗

文獻(xiàn)[6]提出了一種確定點(diǎn)A的方法，如圖2所示。圖中，點(diǎn)C為零功率因數(shù)試驗(yàn)時(shí)對應(yīng)定子電流i的實(shí)測點(diǎn)，CE長度等于短路特性曲線上對應(yīng)定子電流i的勵(lì)磁電流，EJ平行于氣隙線，與空載飽和特性曲線相交于J。將空載飽和特性曲線沿JC向右下方平移至點(diǎn)N，其中JN/JC=1/i，平移后的曲線即額定定子電流下的零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線，曲線上對應(yīng)額定電壓的點(diǎn)即點(diǎn)A。

圖2 零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線的確定

本文利用此方法，根據(jù)零功率因數(shù)試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測點(diǎn)，將空載飽和特性曲線平移，得到機(jī)組不同定子電流下的零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線，進(jìn)而得到保梯電抗，最后可計(jì)算機(jī)組在各個(gè)負(fù)載下的勵(lì)磁電流。

2.2 保梯圖

利用保梯圖和保梯電抗確定勵(lì)磁電流的原理圖如圖3所示。其中，在額定電壓向量UN的終端作保梯電抗壓降ixp與定子電流向量i相垂直，其與UN的向量和即電勢ep。作勵(lì)磁電流ifp向量垂直于ep，其長度等于空載飽和特性曲線上對應(yīng)ep的勵(lì)磁電流。在ifp終端作向量ifa，其長度等于短路特性曲線上對應(yīng)額定電流的勵(lì)磁電流ifk與空載飽和特性曲線上保梯電抗壓降ixp對應(yīng)的勵(lì)磁電流之差。對應(yīng)定子電流i的勵(lì)磁電流即ifp與ifa的向量和[7]。

圖3 保梯圖確定勵(lì)磁電流

2.3 ASA圖

利用ASA圖和保梯電抗確定勵(lì)磁電流的原理圖如圖4所示。其中，電勢ep的確定同2.2。Δif為空載飽和特性曲線上對應(yīng)電壓ep的勵(lì)磁電流與氣隙線上對應(yīng)ep的勵(lì)磁電流之差。氣隙線上對應(yīng)額定電壓的勵(lì)磁電流ifg，短路特性曲線上對應(yīng)電流i的勵(lì)磁電流ifk和Δif三者的向量和即對應(yīng)電流i下的勵(lì)磁電流。

圖4 ASA圖確定勵(lì)磁電流

2.4 瑞典圖

利用瑞典圖和保梯電抗確定勵(lì)磁電流的原理圖如圖4所示。其中，ifo為空載飽和特性曲線上對應(yīng)額定電壓的勵(lì)磁電流，ifk同2.2。DL長度為1.05倍的ifk，MP垂直平分BL。DK與以M為圓心、經(jīng)過點(diǎn)L和點(diǎn)B的圓相交于點(diǎn)K，點(diǎn)K距原點(diǎn)的長度即對應(yīng)電流i下的勵(lì)磁電流。

圖5 瑞典圖確定勵(lì)磁電流

3 實(shí)例分析

老撾一在建水電站，機(jī)組并網(wǎng)后在額定工況下運(yùn)行時(shí)，實(shí)測勵(lì)磁電流超過設(shè)計(jì)值，業(yè)主對發(fā)電機(jī)性能產(chǎn)生質(zhì)疑。因此，開展零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)，測定發(fā)電機(jī)保梯電抗，進(jìn)而計(jì)算機(jī)組勵(lì)磁電流，對實(shí)測值進(jìn)行復(fù)核。

3.1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 測試機(jī)組主要參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組在過勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行，有功功率、功率因數(shù)為零。在發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行極限的限制內(nèi)，調(diào)整無功功率，使定子電流盡量大。試驗(yàn)期間，定子電壓不超過額定值的±15%。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，利用實(shí)測點(diǎn)計(jì)算機(jī)組的保梯電抗。

保梯電抗的計(jì)算如圖6所示。經(jīng)計(jì)算，保梯電抗實(shí)測值為0.147 7（標(biāo)幺值）。由于零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線由空載飽和特性曲線平移得到，故錄取空載飽和特性曲線時(shí)，應(yīng)將發(fā)電機(jī)升壓至130%額定值，以保證計(jì)算的需要。試驗(yàn)結(jié)束后，機(jī)組在額定功率因數(shù)、不同負(fù)載下的勵(lì)磁電流計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖6 保梯電抗的作圖求解

表2 機(jī)組不同負(fù)載下的勵(lì)磁電流計(jì)算結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

機(jī)組在不同負(fù)載下的勵(lì)磁電流計(jì)算值與實(shí)測值、設(shè)計(jì)值的偏差如表3所示。

（1）偏差分析。從表3可以看出，根據(jù)實(shí)測的保梯電抗，利用保梯圖、ASA圖、瑞典圖計(jì)算得到的機(jī)組在不同負(fù)載下的勵(lì)磁電流計(jì)算值與實(shí)測值的偏差在±2%以內(nèi)，表明電站實(shí)測勵(lì)磁電流值是準(zhǔn)確的。

（2）容差判定。根據(jù)IEC 60034-1規(guī)定，同步電機(jī)勵(lì)磁電流實(shí)測值與設(shè)計(jì)值的允許容差為±15%[8]；表3的結(jié)果表明，機(jī)組在不同負(fù)載下的勵(lì)磁電流實(shí)測值、計(jì)算值（保梯圖、ASA圖、瑞典圖）與設(shè)計(jì)值的偏差在±4%以內(nèi)，滿足容差的這一規(guī)定；由于制造、安裝等原因，實(shí)測勵(lì)磁電流值與設(shè)計(jì)值存在一定偏差，但仍在合理和可允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制勵(lì)磁電流與定子電流的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 勵(lì)磁電流復(fù)核結(jié)果

4 總結(jié)

本文在水電機(jī)組上開展零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)，測定保梯電抗，進(jìn)而利用作圖法計(jì)算機(jī)組在不同負(fù)載下的勵(lì)磁電流，對實(shí)測值進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)果表明：勵(lì)磁電流計(jì)算值與實(shí)測值偏差較小，零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)是復(fù)核勵(lì)磁電流實(shí)測值的可行方法；勵(lì)磁電流實(shí)測值與設(shè)計(jì)值不可避免的存在一些偏差，當(dāng)偏差較大或超過合同、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的容差范圍時(shí)，可實(shí)施零功率因數(shù)過勵(lì)試驗(yàn)，對勵(lì)磁電流進(jìn)行復(fù)核，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和有效性。