同步调相机

一种特殊运行状态下的同步电机

同步调相机是一种特殊运行状态下的同步电机，当应用于电力系统时，能根据系统的需要，自动地在电网电压下降时增加无功输出。在电网电压上升时吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。同步电机运行于电动机状态，不带机械负载也不带原动机，只向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机。又称同步补偿机。用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。详细介绍了调相机的发展现状、工作原理、结构特点、无功补偿优点、启动方式、冷却方式、应用等。

研究进展

世界同步调相机研制发轫于20世纪初叶。在美国，1913年—1931年，先后研制和投运了15 MVA (1913年)、30 MVA (1919年)、40 MVA(1923年)、50 MVA (1926年)和75 MVA(1931年)空冷调相机。1926年，美国GE公司研制成功世界首台氢外冷发电机(50 MW 25 Hz 1 500 r/min)并作调相机运行。1928年，西屋公司研制成首台工业用氢外冷调相机(15 MVA 900 r/min)。1930年代，美国研制成功多台氢冷调相机，其最大容量为40 MVA (1937年)。二战期间，调相机发展停滞。

二战结束后，世界电力工业恢复发展，同步调相机发展重新起步。1940年代后期至1950年代，美国、英国、法国、前苏联、瑞士、瑞典、日本等研制成功一批37.5 MVA 80 MVA的同步调相机。1960年代，研制成功60 MVA级至150 MVA级同步调相机。1970年代—1980年代上半叶是同步调相机技术迅速发展的时期，先后研制成功345 MVA全水冷同步调相机(ASEA 1971)以及160 MVA, 250 MVA, 320 MVA氢冷同步调相机。在中国，1950年代—1970年代先后研制成功15 MVA, 30 MVA空冷调相机及60 MVA氢冷调相机，试制成功1台50 MVA蒸发冷却同步调相机，改造成功120 MVA, 250 MVA同步调相机。

近年来，同步调相机又重新引起重视，除中国国家电网拟装设一大批300 MVA级同步调相机外，国外也在发展大型同步调相机，例如意大利Sardinia超高压/高压电网装设了2台250 MVA空冷同步调相机。

工作原理

电力系统中的主要负载是异步电动机和变压器。这些设备均从电网汲取大量的无功功率以供其励磁之用。所以，电网担负着很大一部分电感性的无功电流，导致电网的功率因数降低，以致发电机和输配电设备的作用不能充分发挥，线路损耗和电压损失增大，输电质量变坏，甚至影响输电的稳定性。由于同步电机处在过励状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数（见功率因数的提高，因此在过去的生产实际中，除选用一部分同步电动机外，还在电网的受电端装设一些同步调相机，用于改善电网的功率因数。根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁电流，可改变调相机汲取的无功功率，使电网的功率因数接近于1。此外，在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，增加输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用。

结构特点

同步调相机的结构基本上与同步电动机相同，只是由于它不带机械负载，转轴可以细些。如果它具有自起动能力，则其转子可以做成没有轴伸，便于密封。同步调相机经常运行在过励状态，励磁电流较大，损耗也比较大，发热比较严重。容量较大的同步调相机常采用氢气冷却。随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器（SVC）的推广使用，调相机现已很少使用。

独特优点

同步调相机作为一种最早采用的无功补偿设备，一种专门的无功功率发电机，具有跟踪速度快(能抑制闪变或冲击)、补偿范围广(容性、感性均可)、故障率低等优点。另外，它还具有调整电压平滑。单机容量大(达数十万Var)等优点，可以有效支撑电网电压和提高电网的稳定性。因此，同步调相机是大型电网首选的无功补偿设备。但是，调相机也存在运行维护比较复杂、有功功率损耗较大、运行噪声较高、小容量调相机单位容量投入费用较高等缺点。因此，同步调相机宜作为大容量集中补偿装置，通常容量大于10 MVA，多装设在枢纽变电站、换流站以及受端变电站或换流站。

起动方式

调相机的起动方式有自起动(异步起动)方式、起动电动机起动方式、静止变频器起动方式和液力耦合器起动方式。

(1)自起动方式是调相机普遍采用的一种起动方式，它包括利用阻尼绕组的自起动方式(如ASEA公司的345 MVA调相机)和用起动变压器的降压自起动方式。

(2)起动电动机起动方式的起动电动机多为带起动变阻器的绕线式电动机，例如富士公司的61.4 MVA调相机和ASEA公司的125 MVA调相机。

(3)静止变频器起动方式通常只用于调相机台数多的场合。

(4)液力藕合器起动方式是在调相机与起动电动机之间接入液力藕合器。起动调相机时，藕合器先不充油，起动电动机不带调相机单独空载起动，然后向藕合器逐步充油，使调相机转子起动、逐步升速，当转子接近同步转速(滑差2%—4%)时，调相机用自同步方法并入系统。中国鞍山电业局的一台250 MVA调相机就采用液力藕合起动方式。

冷却方式

与发电机一样，调相机的冷却方式有蒸发冷却方式、双水内冷及全水冷方式、水，氢冷却方式、全氢冷方式和空冷方式。

另外，除常规调相机外，还有采用超导绕组的超导调相机。

1970年代至1980年代初，国外一些公司提出了调相机各种冷却方式的适用范围。例如，瑞士BBC公司认为，小于70 MVA采用空气冷却;50 MVA—200 MVA采用氢冷;150 MVA—500 MVA采用水冷或油冷(高寒户外场合宜用油冷)。瑞典ASEA公司认为:小于50 MVA采用空冷;60 MVA—300 MVA采用氢冷;大于300 MVA采用水冷。日本富士公司认为:小于80 MVA用空冷;60 MVA—300 MVA采用氢冷;大于300 MVA采用水冷。

近年来，随着空冷技术的发展，特别是200 MVA } 500 MVA空冷汽轮发电机的成功投运，空冷在调相机中的应用范围必将扩大，300 MVA级调相机亦可采用空气冷却。

应用

同步调相机的主要应用在如下方面：

（1）控制电压的大幅偏移；

（2）在HVDC的终端作为动态无功支持。

同步调相机是特殊运行状态下的同步电机。可视为不带有有功负荷的同步发电机或是一种不带机械负荷的同步发电机。它可以过励磁运行，也可以欠励磁运行，运行状态根据系统的需要来调节。当它过励磁运行时，将向电网发出无功功率；欠励磁运行时，将从电网吸收无功功率。同步调相机一般装设自动调节励磁装置，能自动地在电网电压降低时增加输出无功以维持电压，在有强励装置时，在电网故障情况下也能调整系统电压保证继电保护装置的正确动作。

同步调相机是最早采用的一种无功补偿设备，实际上是专门的无功功率发电机。它的优点是可以平滑的改变无功功率的大小和方向，调整电压平滑，单机容量可以做的较大，因此无功输出容量基本不会受到限制，更重要的是，它可以有效地支撑电网的电压提高电网的稳定性。

展望

同步调相机是一种优良的动态无功补偿装置，是大型电网首选的无功补偿设备。同步调相机在20世纪90年代前曾得到长足发展，最大容量达350 MVA，冷却方式五花八门，结构上异彩纷呈。

近年来，为了应对高压直流输电和新能源接入电网带来的无功调节问题，对大型同步调相机的研制提出了紧迫要求。一方面要充分吸取过去大型调相机研制所积累的经验教训；另一方面应注意吸收近30多年来大型同步电机的研究成果(如大型空冷汽轮发电机的研究成果)。针对现代电力系统局部电压不稳、区域性电压凹陷等对同步调相机提出的新要求，全面把握现代大型同步调相机的新特点，深入开展科研工作，研制出高能的机组，以充分满足电力系统的要求。

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