论小水电站运行中发电机并网运行的几种状态

    摘 要 我国南方水力资源丰富，随着经济的发展，小水电站的兴建犹如雨后春笋般多起来，笔者通过自身的实践，阐述了小水电站发电机并网运行中四种状态的判断和处理方法，使运行工作人员能更好、更安全、更经济的做好小水电站的运行工作。 
    步入2008年之后，国际油价不断创新高，能源紧缺和涨价成为人们生活中常谈的话题。目前，电力资源作为人们生活中最常接触的能源，也已经非常紧张，随着夏季的即将到来，很多地方出现了拉闸限电的情况，电力能源的紧缺已经成了制约我国经济发展的一个重要因素，怎样才能缓解电力紧张的局面，如何更好的开发电力资源，成为我们必须面对的问题。中国地大物博，水利资源作为可再生的资源特别丰富。笔者认为，应当尽先开发水电，在开发大、中型水电的同时，应当努力开发小型水电。小水电可以适应农村分散的、可靠性要求不高的农业用电的要求，具有见效快，不用燃料，有的可以同农田水利灌溉相结合的优点，是我国廉价能源之一。小水电在大电网达不到的地方，可以解决大电网所不能解决的问题。在这些地方小水电具有绝对的优势，应该大力发展，这样就可以做到大、中、小相结合，大电网和小水电密切配合，经济、合理的解决我国农村电气化问题，解决日益紧张的电力供应紧张问题。  
    随着水电事业的发展，绝大多数水电站都与大电网并网运行，解决了过去电站孤立运行时带来的一系列问题，如供电可靠性差、电能质量差、带负载能力差等。由于小水电站，单机容量大多在5000kw以下，其保护设施差，在运行中出现不正常运行时如不及时处理可能造成发电机乃至系统的严重故障。因此了解和掌握发电机并网运行的几种状态，不仅具有很强的技术实用性，而且对保证并网发电记得安全、经济运行都有实际意义。  
    一、发电机运行状态  
    发电机并网后，就可向电网输送电能，由于电能的发、供、用是在同一瞬间完成，因此必须保持系统功率的平衡，且有功的不平衡会影响电网的频率，无功的不平衡会影响电网的电压。发电机正常运行时，由于系统负荷发生变化，因此运行人员应按照给定的负荷曲线或调度命令，及时对发电机的有功和无功进行调整。  
    水电站的发电机多为凸极式同步发电机，发电机并网后，有功负荷的调整，是由电气值班员担任的，借助调速器调速电动机转动，通过减速装置和机械液压系统，改变水轮机的导叶开度，来改变进入水轮机的动力矩而实现有功负荷的调整的。发电机无功的调整，是利用改变励磁电流来实现的，小水电站一般由同轴的调速直流励机供给励磁时，通过改变励磁机磁场变阻器阻值来调整无功。发电机都设计和运行在过励状态，即发电机向电网输送有功的同时，并向电网输送感性无功功率。正常情况下，功率因数为0.8（滞后）这时发电机每发出100kw有功，同时发出700-750kVar无功。以保证系统对有功、无功的需求。在运行期，电站可按调度的要求，或根据实际情况发送有、无功，让水流丰富的电站多发有功。但多发有功的发电机要注意定子电流不得超过其允许值，同时为了运行的稳定性，功率因数一般不得超过0.95（滞后）运行。  
    二、调相运行状态  
    所谓调相运行就是发电机不向电网输送有功，只向电网输送无功。为了平衡系统的无功，一般电力系统都有专门的调相机，以补偿系统无功的需要。在农村电网，也可采用水轮发电机作调相运行，如一些径流式电站或枯水期水源不足的电站，便可用来作调相机。机组由发电机转为调相运行时，一般先将有功负荷减到零时，然后导水叶全关，但机组不与系统解列，由电网带动机组旋转，转子继续励磁，从而向系统发送无功功率。发电机要维持运转，必需消耗一定的有功，可向电网吸收有功维持运转，通过调节励磁，输出无功。发电机在作调相运行时，一般是吸收1kw有功发出6-8kVar无功。  
    三、进相运行状态  
    当发电机励磁系统由于故障，或认为降低发电机的励磁电流过多，使发电机由感性无功功率变为吸收系统感性无功功率，定子电流由滞后于极端电压变为超前于机端电压运行，这就是发电机的进相运行。进相运行也是现场经常提到的欠励运行。此时，由于转子主磁通降低，引发发电机的励磁电势降低，使发电机无法向系统送出无功功率，进相程度取决于励磁电流降低的程度。发电机发生了进相运行要根据不同情况处理：（1）如果由于设备原因引起进相运行，只要发电机尚未出现振荡或失步，可适当降低发电机的有功负荷，同时提高励磁电流，使发电机脱离进相状态，然后查明励磁电流降低的原因。（2）由于设备原因不能使发电机恢复正常运行时，应及早解列。（3）制造厂允许或经过专门试验确定能进相运行的发电机，如系统需要，在不影响电网稳定运行的前提下，可将功率因数提高到1或在允许的进相状态下运行。  
    四、失磁运行状态  
    同步发电机失去直流励磁，称为失磁。发电机在并网运行中，若励磁开关误跳或励磁回路断线，导致励磁消失，这时发电机转子受到制动电磁力矩将趋近于0，而输入的机械力矩M不变，这将使转子转速高于同步速。由于发电机与电网并列运行，其定子旋转磁场的同步速不变，则与转子间产生了转差。即定子磁场将以转差速度切割转子，在转子线圈和转子表面感应出交变电势与电流，其定子磁场与感应电流相互作用，根据电磁力定律又会产生一个制动力矩，称为异步力矩，这与三相异步电动机在转子上产生的电磁力矩相似，只不过异步机中产生的是驱动电磁力矩。发电机输入的外力矩在克服异步力矩的过程中作功，这两个力矩又将处于新的平衡。失磁后，经过同步振荡进入异步运行状态，发电机在异步运行状态下，以低滑差s与电网并列运行，从系统吸取无功功率建立磁场，向系统输送一定的有功功率，是一种特殊的运行方式。另外，发电机失磁运行时还会使转子产生局部高温，定子中也将出现脉动电流，使发电机产生振动。由于很多小水电站都未安装失磁保护，在并网运行中，若发生失磁，运行人员可根据以下一些现象判断：如励磁电流为0；定子电流指示升高，指针摆动；功率表指示降低，指针摆动；功率因数表由滞后变为超前。当判明故障后，应迅速关闭进水闸门，并将发电机解列并做相应处理。  
    水电站的发电机并网后将会出现发电机运行、调相运行、进相运行、失磁运行，其运行状态的变化及能量关系的转化与单机运行时有较大的不同。前三种如按其需要进行调节都属正常运行状态，但其相应参数要控制在规定范围内。失磁运行属于不正常运行状态，又容易被运行人员忽视，因发电机可能还在向电网输送有功。因此要求运行人员了解和掌握发电机并网运行的基本运行状态，懂得在运行过程中的电势平衡与力矩平衡，在实际工作中加强对发电机运行状态的监视，按系统需要发送有功、无功，为电力系统提供高品质的电力能源。  
    由于我们现实中的的小水电站的运行管理人员水平参差不齐，往往很多人经过匆忙的上岗培训就进入小水电的管理运行工作了，所以我想在平时的工作中以及工作之余，我们要提高思想认识，不仅要加强对基本电气理论知识的学习，而且要学有所用，为水电站的安全、经济运行作贡献。