大型發(fā)電機(jī)與變壓器運(yùn)行本華北電力大學(xué)第1頁/共388頁21.了解大型發(fā)電機(jī)及變壓器運(yùn)行的基本情況。2.掌握同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的概念及運(yùn)行特性。3.掌握同步發(fā)電機(jī)非正常運(yùn)行的原因、現(xiàn)象及危害。4.掌握同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行、異步運(yùn)行的分析方法。5.掌握同步發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行、過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行性能。本課程的教學(xué)內(nèi)容第2頁/共388頁36.了解汽輪發(fā)電機(jī)的扭動(dòng)穩(wěn)定、扭動(dòng)振蕩及次同步諧振的概念。7.了解變壓器的冷卻系統(tǒng)及發(fā)熱計(jì)算。8.了解變壓器的絕緣老化及過負(fù)荷能力的確定依據(jù)。9.掌握自耦變壓器的特點(diǎn)及運(yùn)行方式。10.了解分裂繞組變壓器的特點(diǎn)。11.掌握三繞組變壓器并聯(lián)運(yùn)行的分析方法。13.了解變壓器的常見故障與故障檢測技術(shù)。本課程的教學(xué)內(nèi)容第3頁/共388頁4本章所討論的內(nèi)容：1.

介紹汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)的特點(diǎn)，參數(shù)以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響；2.

根據(jù)發(fā)熱限度，通過P－Q圖和相量圖，分析發(fā)電機(jī)在不同情況下的容許負(fù)荷。3.

結(jié)合大系統(tǒng)、大機(jī)組的特點(diǎn)，分析發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行、非正常運(yùn)行、特殊運(yùn)行方式（包括進(jìn)相運(yùn)行、過勵(lì)磁等）的性能。4.

介紹汽輪發(fā)電機(jī)軸系扭振和次同步諧振的概念，發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第4頁/共388頁5§1.1

同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及其額定值1－X、Y、Z引出線；2－電流互感器；3－A、B、C引出線；4－永磁副勵(lì)磁機(jī)；5－主勵(lì)磁機(jī)；6－勵(lì)磁機(jī)軸承；7－出線盒；8－汽體冷卻器；9－碳刷架隔音罩；10－端部；11－機(jī)殼；12－測溫引線盒；

一、同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1-1QFSN—300—2型汽輪發(fā)電機(jī)組側(cè)視圖

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第5頁/共388頁6

就主發(fā)電機(jī)本體而言，其最基本的組成部件是定子和轉(zhuǎn)子。定子結(jié)構(gòu)：主要由機(jī)座、定子鐵心、端蓋、定子繞組及氫氣冷卻器等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、護(hù)環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等組成。由于在正常運(yùn)行狀態(tài)，尤其是故障短路狀態(tài)下，定子受有很大的力矩，故必須用機(jī)座將其固定。在機(jī)座壁與鐵心段之間有隔振結(jié)構(gòu)，以減少倍頻振動(dòng)。一、同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第6頁/共388頁7

在發(fā)電機(jī)本體醒目的地方設(shè)有銘牌。銘牌上標(biāo)有發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)，這些參數(shù)是發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的依據(jù)。一般有額定功率、電壓、電流、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速、氫壓、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、連接方式、效率等。我國國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)主要銘牌參數(shù)列于表1－1。

表1-1我國國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)主要銘牌參數(shù)二、同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及其額定值1.同步發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第7頁/共388頁82.運(yùn)行參數(shù)不同于額定參數(shù)時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程中，規(guī)定了運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的端電壓、運(yùn)行頻率、冷卻介質(zhì)溫度的容許變化范圍。同時(shí)，也規(guī)定了各個(gè)運(yùn)行參數(shù)不同于額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)的容許出力或容許電流。

規(guī)定的原則是：在運(yùn)行中不要發(fā)生電氣損壞、機(jī)械故障和縮短壽命，即定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、鐵芯溫度都不超過容許值，各部分產(chǎn)生的應(yīng)力都不超過容許限度等。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第8頁/共388頁91）冷卻介質(zhì)不同于額定值時(shí)對(duì)容量的影響

運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度不同于額定值時(shí)，其容許負(fù)荷可隨冷卻介質(zhì)溫度變化而增減。在此情形下，決定容許負(fù)荷的原則是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組溫度都不超過容許值。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第9頁/共388頁10

發(fā)電機(jī)定子繞組的溫度由幾部分組成：冷卻介質(zhì)的溫度，由于通風(fēng)摩擦損耗而引起的溫升，由于鐵耗引起的溫升，由于銅耗引起的溫升。假定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定，可認(rèn)為通風(fēng)損耗保持不變，鐵耗與電壓平方成正比，銅耗與電流平方成正比。用角注“N”表示額定狀態(tài)時(shí)的相應(yīng)溫升，則定子繞組的溫度，可用下式表示，即

分析：（1－1）§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第10頁/共388頁11

在額定狀態(tài)時(shí)，即額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定冷卻介質(zhì)溫度時(shí)，定子繞組的溫度為，則（1－2）

假定冷卻介質(zhì)溫度不同于額定值，發(fā)電機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，根據(jù)定子繞組溫度不超過的原則，令式(1－1)中，，由式(1-2)減式(1-1)，則得發(fā)電機(jī)的電流容許倍數(shù)為（1－3）§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第11頁/共388頁12

轉(zhuǎn)子繞組的溫度為（1－4）式中:－轉(zhuǎn)子繞組的溫度；－周圍介質(zhì)的溫度；

－轉(zhuǎn)子繞組在額定負(fù)荷時(shí)的溫升；－轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子額定電流之比。

冷卻介質(zhì)溫度不同于額定值時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的溫度也要發(fā)生變化。在此情況下，轉(zhuǎn)子繞組溫度不超過額定值的轉(zhuǎn)子容許負(fù)荷由下式?jīng)Q定，即（1－5）§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第12頁/共388頁13

以某一臺(tái)發(fā)電機(jī)為例，定子繞組用瀝青云母絕緣，=105℃，=40℃，=25℃，=40℃。轉(zhuǎn)子繞組用B級(jí)絕緣，=130℃，=90℃，將上列數(shù)值代入式(1-3)和式(1-5)，求得不同冷卻介質(zhì)溫度下定子和轉(zhuǎn)子電流容許倍數(shù)，列于表1-2。例：表1-2不同冷卻介質(zhì)溫度時(shí)發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流容許倍數(shù)（℃）20304050601.221.221.000.870.711.111.051.000.950.88§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第13頁/共388頁14

將表1-2所示的數(shù)值畫成曲線，如圖1-2所示。圖1-2冷卻介質(zhì)變化時(shí)的容許出力

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第14頁/共388頁15結(jié)論：（由圖1-2中可見）1)當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度高于額定值時(shí)，應(yīng)降低的定子電流倍數(shù)比轉(zhuǎn)子電流為多，所以應(yīng)按定子電流限制來減小出力，轉(zhuǎn)子繞組溫度此時(shí)不會(huì)超過容許值；2)當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度低于額定值時(shí),定子電流可以提高的倍數(shù)比轉(zhuǎn)子多，所以應(yīng)按轉(zhuǎn)子電流容許增大的倍數(shù)來提高出力，此時(shí)定子繞組溫度不會(huì)超過容許值。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第15頁/共388頁163)雖然各臺(tái)發(fā)電機(jī)的溫升數(shù)據(jù)不盡相同，但圖1-2所表明的基本特性，即冷卻介質(zhì)溫度比額定值每低1℃所能增加的電流倍數(shù)，較之冷卻介質(zhì)比額定值每高1℃所應(yīng)降低的電流倍數(shù)小。這個(gè)原則對(duì)一般外冷發(fā)電機(jī)都適用。發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定的電流容許變化，便是依據(jù)這一原則確定的。不過，規(guī)程從普遍安全考慮，規(guī)定的數(shù)據(jù)較嚴(yán)。對(duì)于具體某臺(tái)發(fā)電機(jī)，可以根據(jù)其溫升試驗(yàn)曲線，計(jì)算出在不同冷卻介質(zhì)溫度(進(jìn)口氣溫)下的容許電流值?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第16頁/共388頁172)端電壓不同于額定值時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的端電壓，容許在額定電壓±5%范圍內(nèi)變動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)可保持額定出力不變。當(dāng)定子電壓降低5%時(shí)，定子電流可增加5%；當(dāng)電壓升高5%時(shí)，電流也就降低5%。在這樣的變化范圍內(nèi)，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的溫度不會(huì)超過容許值。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第17頁/共388頁18

當(dāng)電壓低于95%以下運(yùn)行時(shí)，定子電流不應(yīng)超過額定值的5%，此時(shí)，發(fā)電機(jī)要降低出力，否則，定子繞組的溫度要超過容許值。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓的下限，可根據(jù)穩(wěn)定要求確定，一般不應(yīng)低于額定值的90％。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓高于額定值，升高到105％以上時(shí),其出力須相應(yīng)降低。因?yàn)殡妷荷撸F芯內(nèi)磁密度增加，鐵耗增加，引起鐵芯溫度和定子繞組溫度增高。除此之外，電壓增高，如維持有功出力不變，就要增加勵(lì)磁電流，致使轉(zhuǎn)子繞組的溫度超過容許限度?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第18頁/共388頁19

發(fā)電機(jī)運(yùn)行的最高容許電壓，應(yīng)遵照制造廠的規(guī)定，最高值不得超過額定值的110％。因?yàn)楝F(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)，都是按相當(dāng)高的飽和程度設(shè)計(jì)的，當(dāng)運(yùn)行電壓超過5％~10％時(shí)。就會(huì)由于過度飽和，定子旋轉(zhuǎn)磁場的漏磁部分大大增加，使定子本體機(jī)架回路感應(yīng)出很大電流(有時(shí)可達(dá)幾萬安)，在機(jī)架的一些接縫處造成局部發(fā)熱，甚至引起火花，使機(jī)器損壞?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第19頁/共388頁203)運(yùn)行頻率不同于額定值時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

按照規(guī)程規(guī)定，發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率容許變動(dòng)范圍是±0.5Hz。運(yùn)行頻率比額定值高時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子承受的離心力增大，可能使轉(zhuǎn)子某些部件損壞，因此頻率增高主要是受轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的限制。同時(shí)，頻率增高，轉(zhuǎn)速增加，通風(fēng)摩擦損耗也要增大，雖然在一定電壓下，磁通可以小些，鐵耗也可能有所降低，但總的來說，此時(shí)發(fā)電機(jī)的效率是下降的?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第20頁/共388頁21

運(yùn)行頻率比額定值低，也有很多不利影響。例如頻率降低，轉(zhuǎn)速下降，使兩端風(fēng)扇鼓進(jìn)的風(fēng)量降低，其后果使發(fā)電機(jī)的冷卻條件變壞，各部分溫度升高。頻率降低，為了維持額定電壓不變，就得增加磁通，如同電壓增高時(shí)的情況一樣，由于漏磁增加會(huì)產(chǎn)生局部過熱。頻率降低還可能使汽輪機(jī)葉片損壞，廠用電動(dòng)機(jī)也可能由于頻率下降，使廠用機(jī)械出力受到嚴(yán)重影響。

由于上述原因，不希望發(fā)電機(jī)頻率在偏離額定值的情況節(jié)運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行頻率變化±0.5Hz的容許范圍內(nèi)，由于設(shè)計(jì)有裕度，可不計(jì)上述影響，容許保持額定出力不變。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第21頁/共388頁224）功率因數(shù)不同于額定值時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

發(fā)電機(jī)容許在不同的功率因數(shù)下運(yùn)行，但受下列條件的限制。1)高于額定功率因數(shù)時(shí)，定子電流不應(yīng)超過容許值。2)低于額定功率因數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流不應(yīng)超過容許值。3)在進(jìn)相功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)受到穩(wěn)定極限的限制。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第22頁/共388頁23三、大型同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢

大型發(fā)電機(jī)的參數(shù)與中，小型發(fā)電機(jī)有很多不同之處，汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)也有所不同。由于大型發(fā)電機(jī)有效材料利用率提高，采用的是直接冷卻系統(tǒng)，所以總的趨勢是阻抗增大，機(jī)械時(shí)間常數(shù)降低。這可解釋如下:

從電機(jī)理論中可知

式中：A－線負(fù)荷；

τ－極距；

Bδ－氣隙磁密；

δ－氣隙長度。

（1－6）§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第23頁/共388頁24

從式（1-6）可以看出，機(jī)組的阻抗與線負(fù)荷成正比，而與氣隙長度成反比。氣隙長度越大，磁導(dǎo)和阻抗越小。但是長度如果增大，轉(zhuǎn)子繞組中的磁通勢就要增加。換句話說，轉(zhuǎn)子繞組中的電流和匝數(shù)要相應(yīng)增大。這樣，會(huì)促使轉(zhuǎn)子重量和價(jià)格增加。所以，從簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)出發(fā)，都希望選取較小的氣隙。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第24頁/共388頁25

大型機(jī)組的特點(diǎn)是：氣隙磁密受到飽和限制，不能選擇過大，同時(shí)線負(fù)荷較大，所以大型機(jī)組的xd值顯得較大。對(duì)于同容量的汽輪發(fā)電機(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)組，雖然汽輪發(fā)電機(jī)的氣隙較大，但它的線負(fù)荷和極距都較大，所以汽輪發(fā)電機(jī)的xd值(0.9～2.0)仍較水輪發(fā)電機(jī)的均值(0.7～1.6)大?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第25頁/共388頁26

暫態(tài)阻抗和次暫態(tài)阻抗值，由轉(zhuǎn)子和定子的漏磁通決定，次暫態(tài)阻抗還決定于阻尼繞組的漏磁通。大型機(jī)組中由于力值較大，漏磁通也較大，所以和值也要增大。同容量的汽輪發(fā)電機(jī)的漏磁系數(shù)和漏磁路徑較水輪發(fā)電機(jī)小，但極距比水輪發(fā)電機(jī)大，所以汽輪發(fā)電機(jī)的值(0.14～0.34)較水輪發(fā)電機(jī)的值(0.2～0.5)小?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第26頁/共388頁27

同步電機(jī)定子非周期電流衰減時(shí)間常數(shù)由下式?jīng)Q定:

（1－7）式中，ra為定子繞組的有效電阻，x2為電機(jī)的負(fù)序電抗，ω為角頻率。

同容量的汽輪發(fā)電機(jī)的、值較水輪發(fā)電機(jī)稍小，但它的ra值遠(yuǎn)較水輪發(fā)電機(jī)的值小，所以汽輪發(fā)電機(jī)的Ta值(0.02～0.5s)比水輪發(fā)電機(jī)的Ta值(0.03～0.35s)稍大。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第27頁/共388頁28

大型機(jī)組的，和值與阻抗及電阻有關(guān)，雖然阻抗值稍大，但由于加強(qiáng)冷卻，采用的電流密度較大，所以電阻值遠(yuǎn)較一般機(jī)組大，

，和的數(shù)值顯得較小。

機(jī)械時(shí)間常數(shù)Tm及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，而與容量成反比。同容量水輪發(fā)電機(jī)的Jn值較汽輪發(fā)電機(jī)大，所以水輪發(fā)電機(jī)的Tm值(5~10s)較汽輪發(fā)電機(jī)的Tm值(3~4s)大。

大型機(jī)組的機(jī)械時(shí)間常數(shù)隨著單機(jī)容量的增大而減小，由于加強(qiáng)了冷卻，大型機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量幾乎沒有多大變化。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第28頁/共388頁292.阻抗增大和時(shí)間常數(shù)減小對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響

大型機(jī)組參數(shù)的變化對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生深刻影響。阻抗增大將使系統(tǒng)中短路電流減小(雖然絕對(duì)值仍很大)，這是有利因素。但在沒有勵(lì)磁控制(包括自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)的情況下，阻抗增大，機(jī)械時(shí)間常數(shù)減小，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。例如，單機(jī)對(duì)無窮大容量系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)定極限功率由下式?jīng)Q定:

隨著同步發(fā)電機(jī)容量的增大，其參數(shù)也發(fā)生變化，主要是阻抗增大和機(jī)械時(shí)間常數(shù)減小，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成不利影響。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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式中:U－系統(tǒng)母線電壓；

xs－電網(wǎng)阻抗；

Eq－發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢。

由上式可知，若xd值越大，而xs值相對(duì)較小（即線路不長）時(shí)，靜態(tài)穩(wěn)定極限功率越小，故阻抗增大，導(dǎo)致靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備降低。

（1－8）§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和許多因素有關(guān)，其中主要有：發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的阻抗、機(jī)械時(shí)間常數(shù)、勵(lì)磁上升速度、強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)、切斷短路時(shí)間等等。系統(tǒng)中發(fā)生對(duì)稱或非對(duì)稱短路時(shí)，在暫態(tài)過程中，電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩幾乎和發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗和次暫態(tài)電抗成反比，阻抗增大，將促使最大電磁轉(zhuǎn)矩降低，因而使暫態(tài)穩(wěn)定性能降低。機(jī)械時(shí)間常數(shù)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定也有很大影響，如保持同樣的極限角，則機(jī)械時(shí)間常數(shù)幾乎和臨界切除時(shí)間的平方成正比，機(jī)械時(shí)間常數(shù)減小一半，臨界切除時(shí)間將縮短到原值的1/4。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第31頁/共388頁32

曾經(jīng)采用改善發(fā)電機(jī)參數(shù)（如加大空氣隙等）的措施來提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限，但往往引起發(fā)電機(jī)尺寸，重量增大，成本提高。一般采用勵(lì)磁控制的方法（包括應(yīng)用各種類型的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器），來改善大型發(fā)電機(jī)參數(shù)所帶來的不利影響。經(jīng)驗(yàn)證明，合理選擇和整定勵(lì)磁控制的各種參數(shù)，在一定程度上可改善對(duì)穩(wěn)定的不利影響。在經(jīng)濟(jì)上顯然要比前一種方法有利的多。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第32頁/共388頁33思考題：

什么是同步發(fā)電機(jī)的三機(jī)同軸勵(lì)磁系統(tǒng)？什么是同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的額定工況？發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)有哪些？當(dāng)冷卻介質(zhì)、運(yùn)行電壓和運(yùn)行頻率不同于額定值時(shí)，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行有何影響？大型同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)有何特點(diǎn)？對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有何影響？§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第33頁/共388頁34§1.2

同步發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行

同步發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行屬于容許長期連續(xù)運(yùn)行的工作狀態(tài)，它的特點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)的有功負(fù)荷，無功負(fù)荷、電壓、電流等都在容許范圍以內(nèi)，因而它是一種穩(wěn)定的、對(duì)稱的工作狀態(tài)，其中最常見的是額定工作狀態(tài)，即有功負(fù)荷，電壓、功率因數(shù)、頻率、冷卻介質(zhì)溫度都是額定值。發(fā)電機(jī)在額定工作狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，具有損耗小，效率高，轉(zhuǎn)矩均勻等性能，一般發(fā)電機(jī)都應(yīng)盡量在接近額定工作狀態(tài)下運(yùn)行?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，有時(shí)需要調(diào)整各種參數(shù)，例如：要根據(jù)調(diào)度制定的負(fù)荷曲線來調(diào)整有功和無功負(fù)荷，用調(diào)速器調(diào)整有功功率，用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)整無功功率。在調(diào)整過程中，要注意各個(gè)參量不要超過容許范圍。除此之外，還要注意負(fù)荷上升速度，對(duì)于汽輪機(jī)，為了防止過渡的熱膨脹，負(fù)荷上升速度不能太快，從空載到滿負(fù)荷，通常要幾小時(shí)。水輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷的上升速度不受限制，只要幾分鐘，便可帶滿負(fù)荷。本節(jié)主要敘述同步發(fā)電機(jī)的容許運(yùn)行范圍和運(yùn)行特性?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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1.在穩(wěn)態(tài)條件下，決定發(fā)電機(jī)容許運(yùn)行范圍的條件1）原動(dòng)機(jī)輸出功率極限，即原動(dòng)機(jī)的額定功率一般要稍大于或等于發(fā)電機(jī)的額定功率。2）發(fā)電機(jī)的額定兆伏安數(shù)，即由定子發(fā)熱決定的容許范圍。一、發(fā)電機(jī)的容許運(yùn)行范圍和P—Q圖

3）發(fā)電機(jī)的磁場和勵(lì)磁機(jī)的最大勵(lì)磁電流，通常由轉(zhuǎn)子發(fā)熱決定。4）進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定度，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)小而轉(zhuǎn)入進(jìn)相運(yùn)行時(shí),Eq和U的夾角不斷增大，此時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率輸出受到靜態(tài)穩(wěn)定條件的限制?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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發(fā)電機(jī)的P－Q曲線，就是表示其在各種功率因數(shù)下容許的有功功率輸出P和容許的無功功率輸出Q的關(guān)系曲線，又稱為發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限。

以汽輪發(fā)電機(jī)的曲線為例，可根據(jù)其相量圖繪制，如圖1-3所示。2.發(fā)電機(jī)的容許運(yùn)行范圍和P－Q圖

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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圖1-3汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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水輪發(fā)電機(jī)(凸極機(jī))的安全運(yùn)行極限和汽輪發(fā)電機(jī)(隱極機(jī))相類似。所不同者凸極機(jī)的電磁功率包括兩項(xiàng)，如下式所示：（1－9）

第一項(xiàng)和不飽和的隱極機(jī)一樣，稱為基本分量，第二項(xiàng)稱為附加分量，它是由xd≠xq所引起的，所以凸極機(jī)在無勵(lì)磁電流時(shí)（if=0）仍然有電磁功率。

說明：§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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圖1-4表示凸極機(jī)和隱極機(jī)電磁功率和δ的關(guān)系。從圖上可見，凸極機(jī)和隱極機(jī)相比較，凸極機(jī)的最大電磁功率發(fā)生在δ＜900時(shí)，而且其值要比隱極機(jī)大。

由于凸極機(jī)的第二項(xiàng)附加分量電磁功率和勵(lì)磁無關(guān)，所以在無勵(lì)磁時(shí)，差不多能發(fā)出25％的額定功率，因此在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，其安全運(yùn)行極限面積要比隱極機(jī)大。圖1-4凸極機(jī)和隱極機(jī)電磁功率與功角的關(guān)系曲線§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第40頁/共388頁41二、同步發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行特性

假定發(fā)電機(jī)在無窮大容量系統(tǒng)中運(yùn)行，在正常調(diào)整過程中最常見的兩種工作狀態(tài)是：

①調(diào)整有功功率，維持勵(lì)磁不變，即Eq為常數(shù)，P為變數(shù)；②調(diào)整勵(lì)磁，維持有功功率不變，即P為常數(shù)，Eq為變數(shù)。現(xiàn)分別討論如下：

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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1.Eq=常數(shù)，P=變數(shù)

增加發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷，通常采用加大汽輪機(jī)的進(jìn)氣門（或水輪機(jī)的導(dǎo)水翼）的開度，使原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)子加速，功角δ因而增大。當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相互平衡時(shí)，δ角才能穩(wěn)定；反之，當(dāng)有功功率減小時(shí)，δ角也相應(yīng)減小。

假定電動(dòng)勢Eq是常數(shù)，有功功率P變化時(shí)，其軌跡是一個(gè)以O(shè)為圓心，Eq為半徑的圓弧，如圖1-5所示。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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圖1-5

Eq=常數(shù)，P=變數(shù)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)a)相量圖b)變化曲線§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流降低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩隨之下降，由于原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩未變，所以電機(jī)加速，如圖1-6所示。2.P=常數(shù)，Eq

=變數(shù)§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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圖1-6在各種勵(lì)磁電流情況下發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)

(a)相量圖；

b)變化曲線

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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三、發(fā)電機(jī)的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定概念

對(duì)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定問題，我國現(xiàn)在是按靜態(tài)、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)劃分階段進(jìn)行研究的，現(xiàn)將暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的概念及勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)其影響作一簡要介紹?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

運(yùn)行中發(fā)電機(jī)的負(fù)荷除有緩慢或微小的變化外，突變也會(huì)時(shí)有發(fā)生，這會(huì)對(duì)運(yùn)行發(fā)電機(jī)產(chǎn)生大的擾動(dòng)。如切除大容量負(fù)荷、運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)或線路保護(hù)設(shè)備突然跳閘、以及發(fā)生短路故障、自動(dòng)重合閘等。此時(shí)發(fā)電機(jī)能否保持同步運(yùn)行就是屬于暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的問題。

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暫態(tài)穩(wěn)定性主要指發(fā)電機(jī)在各種短路、接地、線路故障及切除故障線路造成的大擾動(dòng)中保持穩(wěn)定運(yùn)行的能力。發(fā)生暫態(tài)不穩(wěn)定過程的時(shí)間較短，主要發(fā)生在事故后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子第一擺動(dòng)周期內(nèi)。下面說明勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)運(yùn)行發(fā)電機(jī)在大擾動(dòng)中暫態(tài)穩(wěn)定的影響。

1.暫態(tài)穩(wěn)定性§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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假設(shè)大擾動(dòng)是由發(fā)電機(jī)雙回線供電線路中的一條發(fā)生短路故障引起的。此時(shí)發(fā)電機(jī)功角特性曲線與功角的變化曲線如圖l-7所示。

圖1-7短路故障時(shí)功角特性曲線與功角的變化曲線(a)功角特性曲線(b)功角的變化曲線§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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強(qiáng)勵(lì)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響圖1-8強(qiáng)行勵(lì)磁提高暫態(tài)穩(wěn)定§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性主要指遭受大擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)恢復(fù)和保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力。在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程中的主要現(xiàn)象是發(fā)電機(jī)的功角及各電氣量發(fā)生隨時(shí)間增長的振蕩或發(fā)生等幅振蕩，這一振蕩過程較長，可持續(xù)幾秒到幾十秒的時(shí)間。2.動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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例如故障消除后功率波動(dòng)不是逐漸減小，反而趨向于逐漸增大或等幅振蕩。為了抑制振蕩，提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的方法之一是借助于勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)在加速時(shí)加強(qiáng)勵(lì)磁，以減小加速面積；發(fā)電機(jī)在減速時(shí)減弱勵(lì)磁，減小減速面積。這樣，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在平衡點(diǎn)附近運(yùn)行的振蕩逐漸平息，此即為勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響和作用原理。因此，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置保持投人和良好運(yùn)行狀態(tài)，是發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)運(yùn)行中保持和提高穩(wěn)定性的一個(gè)極為重要的措施。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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例：河南某電廠由于大部分發(fā)電機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(包括強(qiáng)勵(lì))退出了運(yùn)行，因母線聯(lián)絡(luò)斷路器故障跳閘，部分機(jī)組輸電阻抗增大，母線電壓大幅度下降，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定被破壞，造成了大面積停電。經(jīng)計(jì)算，如果該電廠的發(fā)電機(jī)投入了自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在故障情況下能進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，就能夠使電壓迅速恢復(fù)，保持穩(wěn)定運(yùn)行?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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四、發(fā)電機(jī)與相近容量電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)

一般說來，電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于并網(wǎng)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的容量，這時(shí)發(fā)電機(jī)單機(jī)功率調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)幾乎無影響。因此電網(wǎng)的電壓和頻率都可以視為常數(shù)。

對(duì)于單機(jī)容量大的發(fā)電機(jī)或者電網(wǎng)的容量有限，由于負(fù)荷有限，所以在調(diào)節(jié)單機(jī)有功功率或無功功率時(shí)，會(huì)影響電網(wǎng)有功功率或無功功率的供求平衡，引起電網(wǎng)電壓和頻率發(fā)生變化。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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因此，增加此發(fā)電機(jī)輸出的有功功率時(shí)，必須相應(yīng)減少其他發(fā)電機(jī)的有功功率。否則，電網(wǎng)的有功電源容量將比有功負(fù)荷的需求多，會(huì)促使并網(wǎng)運(yùn)行的各臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速。隨之提高供電頻率和電壓，直到電網(wǎng)有功功率和無功功率達(dá)到供求平衡，此時(shí)供電頻率和電壓已偏離了額定值。因此，隨著電力用戶有功負(fù)荷和無功負(fù)荷的千變?nèi)f化，要保證供電頻率和電壓始終在合格范圍，需要適時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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思考題：1.同步發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行工作狀態(tài)的特點(diǎn)是什么？2.如何調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功和無功功率？在調(diào)整過程中應(yīng)注意什么問題？3.在穩(wěn)態(tài)條件下，發(fā)電機(jī)的容許運(yùn)行范圍由哪幾個(gè)條件決定？4.發(fā)電機(jī)的P－Q曲線表示什么？

5.發(fā)電機(jī)在正常調(diào)整過程中最常見的工作狀態(tài)是什么？試結(jié)合相量圖分析不同工作狀態(tài)下發(fā)電機(jī)運(yùn)行的變化情況?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第55頁/共388頁56§1.3同步發(fā)電機(jī)的非正常運(yùn)行

同步發(fā)電機(jī)的非正常運(yùn)行屬于只容許短時(shí)運(yùn)行的工作狀態(tài)。此時(shí)，發(fā)電機(jī)的部分參量可能出現(xiàn)異常。例如：定子或轉(zhuǎn)子電流超過額定值，電壓不對(duì)稱，產(chǎn)生某種頻率的感應(yīng)電流，引起局部過熱等等。最常見的非正常工作狀態(tài)有過負(fù)荷、異步運(yùn)行、不對(duì)稱運(yùn)行等。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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一、發(fā)電機(jī)的容許過負(fù)荷

前已述及，發(fā)電機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流均不得超過容許范圍（即額定值）。但在系統(tǒng)發(fā)生短路故障，發(fā)電機(jī)失步運(yùn)行，成組電動(dòng)機(jī)起動(dòng)以及強(qiáng)行勵(lì)磁等情況時(shí)，發(fā)電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子都可能短時(shí)過負(fù)荷。電流超過額定值會(huì)使電機(jī)繞組溫度有超過容許限度的危險(xiǎn)，甚至還可能造成機(jī)械損壞。過負(fù)荷數(shù)值愈大，持續(xù)時(shí)間越長，上述危險(xiǎn)性越嚴(yán)重。因此，發(fā)電機(jī)只容許短時(shí)過負(fù)荷?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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過負(fù)荷數(shù)值不僅和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，而且還與發(fā)電機(jī)的冷卻方式有關(guān)。直接冷卻的繞組在發(fā)熱時(shí)容易產(chǎn)生變形，所以過負(fù)荷容許值比間接冷卻的要小。發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子短時(shí)過負(fù)荷的容許值和容許時(shí)間由制造廠家規(guī)定。

發(fā)電機(jī)不容許經(jīng)常過負(fù)荷，只有在事故情況下，當(dāng)系統(tǒng)必須切除部分發(fā)電機(jī)或線路時(shí)，為防止系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定破壞，保證連續(xù)供電，才容許發(fā)電機(jī)短時(shí)過負(fù)荷運(yùn)行。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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二、失磁異步運(yùn)行

同步發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行，是指發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后，仍輸出一定的有功功率，以低轉(zhuǎn)差(轉(zhuǎn)差率)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的一種特殊運(yùn)行技術(shù)?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

1.什么是同步發(fā)電機(jī)的失磁異步運(yùn)行？

第59頁/共388頁60二、失磁異步運(yùn)行2.失磁的原因§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

發(fā)電機(jī)突然地部分或全部失去勵(lì)磁，是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路常見的故障之一。發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁的原因，一般是由于勵(lì)磁回路短路或開路所造成的。例如，主勵(lì)磁機(jī)換向故障、副勵(lì)磁機(jī)回路斷線、勵(lì)磁調(diào)節(jié)失誤、勵(lì)磁接觸器開路、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障、集電環(huán)過熱故障、轉(zhuǎn)子繞組匝間(或相間)短路等，均可造成勵(lì)磁回路失磁故障。

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當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后，采取立即解列以致停機(jī)的措施，不是較好的方法。因?yàn)橥蝗凰ω?fù)荷，停機(jī)，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是不利的；而且機(jī)組起停次數(shù)多，也會(huì)降低其使用壽命。基于目前發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性還較低，失磁異步運(yùn)行又具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁時(shí)采用異步運(yùn)行，就顯得很有必要。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)失磁故障時(shí)，若能允許短時(shí)異步運(yùn)行，電氣人員便可借此機(jī)會(huì)尋找失磁原因，迅速消除失磁故障，恢復(fù)勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)再同步，恢復(fù)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。這對(duì)于減少對(duì)用戶的停電、確保供電可靠、提高電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行是具有重要意義的。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

3.失磁異步運(yùn)行的意義第61頁/共388頁62

1)系統(tǒng)儲(chǔ)備容量小可提高供電的可靠性。目前我國電力系統(tǒng)的儲(chǔ)備容量尚較小，應(yīng)用發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行技術(shù)，可以縮小停電面積，提高對(duì)用戶供電的可靠性，并可減少停電損失。

2)節(jié)約能源消耗，延長發(fā)電機(jī)的使用壽命。應(yīng)用發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行后，可減少因失磁造成的解列或起停機(jī)的次數(shù)，節(jié)省起動(dòng)消耗的能源，并可延長發(fā)電機(jī)的使用壽命。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

4.失磁異步運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)第62頁/共388頁63

3)有時(shí)間恢復(fù)勵(lì)磁和減少因甩負(fù)荷可能引起的故障。若發(fā)電機(jī)失磁時(shí)允許異步運(yùn)行一定的時(shí)間(一般為15～30min)，即可在此時(shí)間內(nèi)查找失磁故障，恢復(fù)勵(lì)磁。同時(shí)還可避免或減少因失磁突然甩負(fù)荷，可能引起的一些事故或故障?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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1）發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行限制其輸出功率的主要因素，是定子端部鐵芯和金屬結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱(其發(fā)熱增長很快)。按照原蘇聯(lián)所得的數(shù)據(jù)，300MW的發(fā)電機(jī)定子端部鐵芯齒端的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)約為6min。按照英國在一臺(tái)588MVA發(fā)電機(jī)上的實(shí)測數(shù)據(jù)，時(shí)間常數(shù)約為3min。在定子端部鐵芯齒端允許溫度為120℃的條件下，輸出約40％額定有功功率異步運(yùn)行的時(shí)間約為10～12min；§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

5.

失磁異步運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)的影響第64頁/共388頁65

2）另一個(gè)限制發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的因素是定子過電流(一般在輸出0.5倍額定有功功率下異步運(yùn)行時(shí)，定子電流已達(dá)到甚至超過額定電流)。因此，發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，要限制定子電流不得超過額定值?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱并不限制發(fā)電機(jī)的異步運(yùn)行，而且通常將轉(zhuǎn)于繞組與整流器連接在一起時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組可能出現(xiàn)的過電壓，也不致成為限制異步運(yùn)行的因素。

第65頁/共388頁66

發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行技術(shù)早已引起電力工作者的重視，并作了大量的運(yùn)行實(shí)踐工作。其結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后，將有功功率迅速減小到額定功率的40％～50％，就可能在甚低轉(zhuǎn)差下進(jìn)人穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行。目前許多國家都已采用。例如原蘇聯(lián)對(duì)于間接冷卻50MW及以下的發(fā)電機(jī)，允許失磁異步運(yùn)行的時(shí)間約為30min；對(duì)于直接冷卻50～300MW的發(fā)電機(jī)，當(dāng)輸出功率不超過額定值的40％時(shí)，允許異步運(yùn)行15min。在美國，高于同步轉(zhuǎn)速允許運(yùn)行的時(shí)間一般為2～3min。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

6.失磁異步運(yùn)行的實(shí)例1）國外第66頁/共388頁67

近10～15年來，捷克、法國、瑞士、英國、原蘇聯(lián)等許多國家，都很重視研究直接冷卻大型汽輪發(fā)電機(jī)的失磁異步運(yùn)行技術(shù)。例如，英國在588MVA、原蘇聯(lián)在200～300MW、法國在250MW、瑞士在169MVA的發(fā)電機(jī)以及其他的一些機(jī)型上，均作了失磁異步運(yùn)行的試驗(yàn)研究?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第67頁/共388頁68

我國1982年在福州召開的第三次全國電機(jī)專業(yè)會(huì)上，將發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行，列為運(yùn)行技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目之一。此后，在TQN100-2型、QFS-125-2型和QFSS-200-2型，即100、125MW和200MW等的大型汽輪發(fā)電機(jī)上，作了多臺(tái)次的失磁異步運(yùn)行試驗(yàn)研究?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

2）我國對(duì)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的研究與實(shí)踐

研究結(jié)果表明，就上列三種機(jī)型而言，在失磁情況下，輸出40％～50％額定有功功率時(shí)，可允許運(yùn)行30～10min。我國國標(biāo)GB/T7064－1996透平型同步電機(jī)技術(shù)要求中規(guī)定：：300MW及以下的發(fā)電機(jī)失磁后應(yīng)在60s內(nèi)將負(fù)荷降至60％，90s內(nèi)降至40％，總的失磁運(yùn)行時(shí)間不超過15min。600MW及以上的發(fā)電機(jī)由制造廠與用戶協(xié)商解決。第68頁/共388頁69

發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的功率和時(shí)間，要受到定子端部發(fā)熱、定子過電流、振動(dòng)和系統(tǒng)無功功率儲(chǔ)備等的限制。因此，要采用失磁異步運(yùn)行的大型發(fā)電機(jī)，一般需要經(jīng)過試驗(yàn)或參照同型發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果來確定。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

3)

小結(jié)第69頁/共388頁70

發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步速、有轉(zhuǎn)差s存在，并且為負(fù)值；而發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)于的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步速相等。即s=0，無轉(zhuǎn)差。b)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，因有轉(zhuǎn)差，在轉(zhuǎn)子各部件要產(chǎn)生感應(yīng)電流；而同步運(yùn)行時(shí)，因無轉(zhuǎn)差，無感應(yīng)電流。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

7.失磁異步運(yùn)行的過程分析1）發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行與同步運(yùn)行的主要區(qū)別第70頁/共388頁71

c)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中無直流勵(lì)磁電流，此時(shí)的勵(lì)磁電流為轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的低頻電流；而同步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組中為直流勵(lì)磁電流?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

e)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)．定子和轉(zhuǎn)子的電氣量有周期性的擺動(dòng)；而同步運(yùn)行時(shí)定子和轉(zhuǎn)子的電氣量穩(wěn)定。d)

發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，向電力系統(tǒng)輸送有功功率，吸收無功功率；而同步運(yùn)行時(shí)可向系統(tǒng)輸送有功功率和無功功率，或輸送有功功率，吸收無功功率(進(jìn)相運(yùn)行時(shí))。第71頁/共388頁72

發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后，電磁功率減小，在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不平衡，促使發(fā)電機(jī)加速，轉(zhuǎn)子被加速至超出同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以致最后失步。當(dāng)發(fā)電機(jī)超出同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)磁場之間有了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，于是在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子的齒與槽楔中，將分別感應(yīng)出滑差頻率的交流電流，這些電流產(chǎn)生制動(dòng)的異步轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)開始向電力系統(tǒng)送出有功功率。轉(zhuǎn)速的增大一直繼續(xù)到出現(xiàn)的制動(dòng)異步轉(zhuǎn)矩與汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩相等為止。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

2）發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行分析第72頁/共388頁73

圖1-9表示發(fā)電機(jī)的平均異步轉(zhuǎn)矩特性曲線，其中曲線4表示原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。隨著轉(zhuǎn)速升高，調(diào)速器動(dòng)作，減小進(jìn)汽或進(jìn)水，因此原動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩即由Mm0下降，此時(shí)與汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性1相交于A1點(diǎn)，與有阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性2相交于A2點(diǎn)，與無阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性3交于A3點(diǎn)。Al、A2、A3即轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)，這些點(diǎn)決定了穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行時(shí)，有功功率的大小和轉(zhuǎn)差率?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第73頁/共388頁74

圖1-9發(fā)電機(jī)平均異步轉(zhuǎn)矩特性

1一汽輪發(fā)電機(jī)，2一有阻尼繞組水輪發(fā)電機(jī)3一無阻尼繞組水輪發(fā)電機(jī)，

4一原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，Mm0－原動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第74頁/共388頁75

如圖1-9所示，汽輪發(fā)電機(jī)具有良好的平均異步轉(zhuǎn)矩特性，因而在千分之幾的滑差下，就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)Al。此時(shí)，由于調(diào)速器使汽門關(guān)閉的幅度很小，因而輸出的有功功率仍相當(dāng)高。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

在異步運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)需從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，所以，發(fā)電機(jī)的電壓以及附近用戶處的電壓將要下降。所需無功功率的大小，與發(fā)電機(jī)的xd以及轉(zhuǎn)差率s相關(guān)，xd小，s越小，所需的無功功率也越小。第75頁/共388頁76

汽輪發(fā)電機(jī)的xd較大，而s甚小，所需的無功功率也較小，電力系統(tǒng)電壓降低很小。所以，汽輪發(fā)電機(jī)短時(shí)內(nèi)處在這種情況下(有功功率大，轉(zhuǎn)差率小，電壓降低不多)作異步運(yùn)行是容許的，不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子損耗過大，而使電機(jī)受到損傷。當(dāng)勵(lì)磁恢復(fù)后，汽輪發(fā)電機(jī)又可平穩(wěn)拉入同步。但是長時(shí)間的異步運(yùn)行也是不容許的，因?yàn)闀?huì)引起發(fā)電機(jī)定子和鐵芯端部過熱，轉(zhuǎn)子繞組也由于感應(yīng)電流產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，引起發(fā)熱和損傷，所以汽輪發(fā)電機(jī)的異步運(yùn)行受到時(shí)間限制。一般規(guī)定，汽輪發(fā)電機(jī)的異步運(yùn)行時(shí)間為15～30min。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

a)

汽輪發(fā)電機(jī)允許短時(shí)異步運(yùn)行第76頁/共388頁77

水輪發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)不同，異步轉(zhuǎn)矩特性差，當(dāng)滑差變化很大時(shí)，平均異步轉(zhuǎn)矩變化不大，最大平均異步轉(zhuǎn)矩也小于失磁前的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，因而只能在滑差相當(dāng)大時(shí)，才能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)A2和A3，如圖1-9所示。在這樣大的滑差下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子有過熱的危險(xiǎn)，所以一般是不容許的。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

b)

水輪發(fā)電機(jī)不允許異步運(yùn)行及其原因第77頁/共388頁78

除上述原因外，水輪發(fā)電機(jī)的同步電抗較小，異步運(yùn)行時(shí)，定子電流很大，所以也應(yīng)限制其異步運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后，特別是無阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速迅速增加，負(fù)荷差不多可以減小到零，所以必須從電力系統(tǒng)中斷開。有阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)，情況要好一些。但在滑差為3％～5％時(shí)，才出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平衡(圖1-9中A2點(diǎn))，對(duì)阻尼繞組有過熱的危險(xiǎn)，所以只容許運(yùn)行幾秒鐘，必須迅速恢復(fù)勵(lì)磁。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第78頁/共388頁79

異步運(yùn)行是發(fā)電機(jī)的一種不正常工作狀態(tài)，但這種非正常工作狀態(tài)應(yīng)受到時(shí)間的限制。水輪發(fā)電機(jī)一般不容許異步運(yùn)行，汽輪發(fā)電機(jī)失磁后異步運(yùn)行的時(shí)間和功率，受到許多因素的限制，一般要根據(jù)發(fā)電機(jī)型式、參數(shù)、轉(zhuǎn)子回路連接方式以及電力系統(tǒng)情況，進(jìn)行具體分析，經(jīng)過試驗(yàn)才能確定。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

結(jié)論：第79頁/共388頁80

a)轉(zhuǎn)子電流表指示值為零或接近于零當(dāng)發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后，轉(zhuǎn)子電流迅速按指數(shù)規(guī)律衰減，其減小的程度與失磁原因、失磁程度有關(guān)。當(dāng)勵(lì)磁回路開路失磁時(shí)，轉(zhuǎn)子電流表的指示值為零；當(dāng)勵(lì)磁回路直接短路或經(jīng)小電阻短路失磁時(shí)，轉(zhuǎn)子回路有交流電流通過，直流電流表有指示，但數(shù)值很小，或接近于零。若是由于轉(zhuǎn)子繞組極間(匝間)短路引起的失磁，則轉(zhuǎn)子電流就不為零(或接近于零)了?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

2）發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象

第80頁/共388頁81

b)定子電流表的指示值增大和擺動(dòng)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，由于需要建立工作磁通(磁化電流)和漏磁通，故使無功功率的分量增大。同時(shí)，定子電流以及從電網(wǎng)吸收的無功功率，均隨轉(zhuǎn)差s的增大而增加，因而使定子電流明顯增大?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

c)有功功率表的指示值減小和擺動(dòng)

在發(fā)電機(jī)從失磁轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行的過程中，由于轉(zhuǎn)矩不平衡，引起轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高，故在調(diào)速器失靈區(qū)范圍以外，調(diào)速器自動(dòng)關(guān)小汽門(或?qū)~)，使原動(dòng)機(jī)的輸人功率減小。此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率也相應(yīng)減小，直到原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)，調(diào)速器才停止動(dòng)作。因此，有功功率表的指示值必然小于失磁前的數(shù)值。

第81頁/共388頁82

d)無功功率表指示負(fù)值，發(fā)電機(jī)端電壓降低

發(fā)電機(jī)失磁轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行后，即成了一臺(tái)轉(zhuǎn)差為s的異步發(fā)電機(jī)。此時(shí)，一方面向系統(tǒng)輸送有功功率，另一方面也從系統(tǒng)吸收無功功率以磁化轉(zhuǎn)子。因此，無功功率指示為負(fù)值，功率因數(shù)表則指示進(jìn)相。同時(shí)，由于定子電流增大，使線路壓降較大，故導(dǎo)致母線電壓降低，并隨定子電流的擺動(dòng)而擺動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，將使系統(tǒng)電壓大幅度下降，甚至有發(fā)生電壓崩潰的危險(xiǎn)。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第82頁/共388頁83

某廠一臺(tái)SF65-24/6440型水輪發(fā)電機(jī)，定子額定電壓10.5kV，額定電流4205A，額定功率65MW，額定功率因數(shù)0.85，轉(zhuǎn)子額定電壓198V，額定勵(lì)磁電流1021A。2000年6月13日停機(jī)處理尾水錐管漏水，檢修工作結(jié)束后，機(jī)組于20日起動(dòng)并入系統(tǒng)運(yùn)行。

21日事故發(fā)生前，全廠發(fā)電機(jī)帶有功功率262MW，無功功率42MVar。其中1號(hào)機(jī)帶有功66MW，無功10MVar；2號(hào)機(jī)有功64MW，無功11Mvar；3號(hào)機(jī)有功66MW，無功l0Mvar；4號(hào)機(jī)有功66MW，無功11Mvar，全廠運(yùn)行正常。事故簡要經(jīng)過

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

8.一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行事故分析

第83頁/共388頁84

當(dāng)日22時(shí)34分，運(yùn)行人員按照l號(hào)機(jī)停機(jī)檢修需要作安全措施。操作人、監(jiān)護(hù)人到廠用電400V配電室，將廠用電400V由I段倒為Ⅲ段聯(lián)絡(luò)供電運(yùn)行。廠用電400V備用自投裝置不能正常動(dòng)作，操作人手動(dòng)合上聯(lián)絡(luò)斷路器，動(dòng)作正常?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

運(yùn)行主值監(jiān)視廠用機(jī)旁盤備用自投裝置動(dòng)作情況。檢查到1號(hào)機(jī)旁盤備用自投裝置，動(dòng)作正常；2號(hào)機(jī)旁盤備用自投裝置，自動(dòng)動(dòng)作不正常，手動(dòng)臺(tái)上聯(lián)絡(luò)斷路器，動(dòng)作正常，繼續(xù)到3、4號(hào)檢查，當(dāng)?shù)?、3號(hào)機(jī)之間時(shí)，聽到2號(hào)機(jī)聲音異常，跑回2號(hào)機(jī)旁盤?？匆姕绱砰_關(guān)柜冒煙，立即手動(dòng)跳開滅磁開關(guān)。第84頁/共388頁85

值班員在中控室監(jiān)視直流浮充電機(jī)情況，在倒廠用電時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩套浮充電裝置均停運(yùn)，立即到繼保室將其恢復(fù)運(yùn)行，正常。

22時(shí)35分2號(hào)機(jī)比率差動(dòng)保護(hù)、橫差保護(hù)動(dòng)作2號(hào)油開關(guān)跳閘，2號(hào)機(jī)組事故停機(jī)。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

運(yùn)行人員檢查滅磁電阻燒紅，二次接線烤焦。發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)有焦臭氣味，2號(hào)油開關(guān)有噴油現(xiàn)象。值長立即報(bào)告生產(chǎn)部、總工程師、安監(jiān)人員等。22時(shí)50分，有關(guān)人員立即到現(xiàn)場進(jìn)行檢查，檢測2號(hào)機(jī)定子絕緣電阻為零，轉(zhuǎn)子絕緣電阻為0.1MΩ。第85頁/共388頁86

22日上午某電廠機(jī)電檢修廠，解開該機(jī)定子出口和中性點(diǎn)接線，測試其定子絕緣為：A相對(duì)地0MΩ，B相對(duì)地1800MΩ，c相對(duì)地200MΩ。轉(zhuǎn)子絕緣0.1MΩ。拆下發(fā)電機(jī)上蓋板，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上端部阻尼環(huán)斷裂，定子上端部絕緣損壞。從事故錄波圖看，發(fā)電機(jī)無功進(jìn)相104Mvar，定子電流上升至11008A。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第86頁/共388頁87

1.定子部分

1)定子線圈：定子線圈被異物機(jī)械損壞斷股、露銅的，上、下兩端共計(jì)有24只線圈。此外，絕緣損傷深度大于3mm的有79根；2～3mm的有285根；小于2mm的有97根；輕微損傷的有7根；完好無損的僅一根。

2)定子鐵芯：定子鐵芯7處有不同程度的機(jī)械損壞，有一處損壞最嚴(yán)重。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

事故現(xiàn)場檢查結(jié)果26日發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊出機(jī)坑，檢查結(jié)果如下:第87頁/共388頁88

2.轉(zhuǎn)子部分

1)阻尼環(huán)變形損壞，極間連接銅片熔斷：轉(zhuǎn)子磁極上、下阻尼銅環(huán)變形損壞；磁極中阻尼銅條變形；阻尼銅環(huán)極間連接銅片多處變形、過熱、有的熔斷；

2)轉(zhuǎn)子磁極中阻尼銅條過熱：轉(zhuǎn)子磁極中縱向阻尼銅條過熱，在磁極鐵芯面上，可見沿縱向多處被燒焦的過熱點(diǎn)。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

3.其他部分：在滅磁柜中有一只非線性電阻燒壞；二次線燒壞9根；下導(dǎo)軸瓦有擦傷。

第88頁/共388頁89

事故原因

經(jīng)過事故調(diào)研組、有關(guān)制造廠和專業(yè)人員，現(xiàn)場共同調(diào)研、檢查、測試、分析之后認(rèn)為，造成本次事故的基本原因如下：

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

1.

勵(lì)磁裝置失去電源使轉(zhuǎn)子失磁

21日22時(shí)，在切換廠用交流電源時(shí)，34分02秒，該機(jī)勵(lì)磁裝置的交流電源終斷，脈沖源的脈沖消失，勵(lì)磁裝置停止運(yùn)行，不能供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流；同時(shí)全廠直流浮充電機(jī)失去交流電源后，蓄電池電壓降到了180V，勵(lì)磁裝置24V開關(guān)電源不能起振，觸發(fā)整流柜可控硅的脈沖消失，勵(lì)磁裝置失控，不能工作，供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，也致使轉(zhuǎn)子失磁。從失磁到失步歷時(shí)10s，34分12秒，轉(zhuǎn)子繞組錄波圖上，出現(xiàn)滑頻電流，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子超速，直至35分32秒，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳主斷路器，停機(jī)。第89頁/共388頁90

2.機(jī)組失磁保護(hù)拒動(dòng)使事故延續(xù)、擴(kuò)大

分析認(rèn)為，因靜態(tài)失磁保護(hù)，失磁阻抗繼電器的失磁阻抗判據(jù)，與動(dòng)態(tài)失磁保護(hù)繼電器，反應(yīng)機(jī)組補(bǔ)償電勢變化率、定子電流變化率的動(dòng)態(tài)失磁判據(jù)，在3s內(nèi)不能動(dòng)作，是該保護(hù)原理設(shè)計(jì)的不佳，導(dǎo)致機(jī)組失磁保護(hù)拒動(dòng)，使事故延續(xù)、擴(kuò)大。今后需作改進(jìn)，確保該保護(hù)當(dāng)機(jī)組失磁時(shí)，要正確動(dòng)作。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

3.機(jī)組過速保護(hù)拒動(dòng)也使事故延續(xù)、擴(kuò)大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子失磁轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子過速，但因電腦轉(zhuǎn)速測控儀，接入的電源電壓不能反應(yīng)轉(zhuǎn)子超速，所以，過速保護(hù)拒動(dòng)，未能緊急停機(jī)，也使事故延續(xù)、擴(kuò)大。

第90頁/共388頁91

通常都認(rèn)為，水輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，因異步轉(zhuǎn)矩要比汽輪發(fā)電機(jī)小許多，輸出功率小，故一般不應(yīng)用水輪發(fā)電機(jī)的異步運(yùn)行方式。但迄今尚未見到有關(guān)水輪發(fā)電機(jī)，失磁異步運(yùn)行試驗(yàn)研究的成果，或事故失磁異步運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)錄(測)數(shù)據(jù)?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

本次這臺(tái)SF65－24／2440型水輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行事故，獲取了該機(jī)在異步狀態(tài)下的參數(shù)，為水輪發(fā)電機(jī)在重負(fù)荷下失磁異步運(yùn)行，提供了可靠的分析依據(jù)。對(duì)分析與能否應(yīng)用這種機(jī)型的異步運(yùn)行方式，具有很高的參考價(jià)值?，F(xiàn)將有關(guān)的參數(shù)論述、估算于下:

事故分析第91頁/共388頁92

1.

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速

該機(jī)轉(zhuǎn)子從失磁到失步轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行時(shí)刻，轉(zhuǎn)子繞組錄波圖上出現(xiàn)了滑頻電流，如圖1-10和圖1-11實(shí)錄波形對(duì)比所示，該電流的頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而增加，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組滑頻電流，在不同時(shí)刻的頻率，即可求得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)速增量及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第92頁/共388頁93

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第93頁/共388頁94

從34分12秒到35分23秒不同時(shí)刻求得的轉(zhuǎn)子參數(shù)，列于表1-2。35分13秒起動(dòng)錄波器實(shí)錄的定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、電流波形如圖1-12所示。由表1-2中的數(shù)據(jù)，繪制該機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、滑頻電流、和轉(zhuǎn)差率隨時(shí)間t的變化關(guān)系。如圖1-13所示?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第94頁/共388頁95

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第95頁/共388頁96

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第96頁/共388頁97

由該圖直觀的可見，該機(jī)在有功功率64MW（接近額定定功率65MW)負(fù)荷下，失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率從21.6％(滑極失步時(shí)刻34分12秒)陡升至68.96％(34分47秒)，之后漸趨于穩(wěn)定，在66.64％與67.98％之間變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從304r/min(1.22nN)，增高至422.4r/min，為額定轉(zhuǎn)速的1.69倍，然后回落穩(wěn)定在1.667至1.678倍之間運(yùn)行?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

由此可見，水輪發(fā)電機(jī)在額定(或接近)有功功率下，失磁異步運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)差率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽輪發(fā)電的轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)大大超過其額定值，嚴(yán)重者會(huì)給系統(tǒng)或機(jī)組造成巨大的損害。第97頁/共388頁98

據(jù)此，分析認(rèn)為：為了確保水輪發(fā)電機(jī)組安全，當(dāng)有功功率P在0.1PN以上失磁時(shí)，必須停機(jī)，不允許異步運(yùn)行。但若在節(jié)假日負(fù)荷處于低谷，系統(tǒng)電壓因電容效應(yīng)增高，甚至超運(yùn)行電壓上限值時(shí)，可利用這種發(fā)電機(jī)，將輸出功率P調(diào)節(jié)在0～0.1PN，利用其反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，低勵(lì)磁或無勵(lì)磁運(yùn)行，而不會(huì)失去同步，吸收的無功功率最多，得到降壓節(jié)能，改善系統(tǒng)電壓的目的?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第98頁/共388頁99

2.定子、轉(zhuǎn)子電量的變化

該機(jī)在帶有功功率64MW下，轉(zhuǎn)子失磁轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子電量的變化，如圖1-13、1-14所示。由圖可見：定子電壓由10.4kV急降至5.5kV，下降達(dá)47.1％；定子電流由3576A陡升至11008A，增長3.078倍，為額定電流4205A的2.62倍；無功功率由發(fā)出6.7Mvar，變?yōu)槲?04Mvar，是6.7Mvar的15.52倍，為額定無功功率40Mvar的2.6倍，為有功功率64MW的1.63倍，有功功率的變化應(yīng)按粗虛線所示?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第99頁/共388頁100

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第100頁/共388頁101

2.定子、轉(zhuǎn)子電量的變化

轉(zhuǎn)子繞組中滑頻電流正負(fù)絕對(duì)值之和，在暫態(tài)34分12秒～34分38秒)異步運(yùn)行時(shí)，隨轉(zhuǎn)差率(負(fù)值)增加而增大；達(dá)穩(wěn)態(tài)(34分38秒～35分23秒)異步運(yùn)行時(shí)，趨于穩(wěn)定，約在1050A運(yùn)行，為額定轉(zhuǎn)子電流的1.03倍?；l電流中，剛失步時(shí)正負(fù)值變化范圍最大，從+891A至一53A；達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)變化范圍較小，約在+520A～-528A之間變化(見表1－2)?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第101頁/共388頁102

3.阻尼繞組產(chǎn)生的電流

水輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，阻尼繞組產(chǎn)生電流的大小，迄今尚未見到有關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)研究的結(jié)果，或失磁事故燒壞的計(jì)算數(shù)據(jù)。根據(jù)多臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，阻尼繞組渦流分布的實(shí)測結(jié)果應(yīng)用到該機(jī)的失磁異步運(yùn)行，并將定子電流作轉(zhuǎn)差校正后，進(jìn)行估算與分析，以供參考。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第102頁/共388頁103

1)阻尼繞組端環(huán)極間連接銅片的電流阻尼繞組端環(huán)極間連接銅片的電流IK，用下列公式估算

IK=K·If

式中：K為實(shí)測系數(shù)，通常在0.8～1.0之間

If為定子校正轉(zhuǎn)差電流，其值為11008為失磁異步運(yùn)行時(shí)的定子最大電流?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

電流密度jK=IK/S=30.29～37.88(A/mm2)

式中S為極間連接銅片的截面積。因此，極間連接銅片，在大電流密度30.29～37.88A/mm2

的過流下，持續(xù)運(yùn)行了1min多，必將該處過熱最嚴(yán)重處熔斷。第103頁/共388頁104

2）磁極上阻尼銅條的電流電流密度js=Is/Ss=21.22～24.12(A/mm2)

由此可見，阻尼銅條的電流密度也較大，局部過熱，高溫將磁極燒損，在表面可見到明顯的燒焦點(diǎn)。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

磁極上阻尼銅條的電流Is，用下列公式估算：

Is=KsIf

式中：Ks為實(shí)測系數(shù)，通常在0.22～0.25之間；則Is

=(0.22～0.25)×7573.5=1666.17～1893.98A。由此可見，阻尼銅條的電流密度也較大，局部過熱，高溫將磁極燒損，在表面可見到明顯的燒焦點(diǎn)。第104頁/共388頁105

3）端環(huán)極間連接銅片的離心力

端環(huán)板間連接銅片的離心力，用下式計(jì)算：

nr為轉(zhuǎn)子失磁異步運(yùn)行時(shí)的最高轉(zhuǎn)速，取422r/min；

W為銅片的總質(zhì)量，13kg；

R為銅片處的旋轉(zhuǎn)半徑，3.3m。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

因此，該機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，極間連接銅片，在大電流下由過熱軟化發(fā)展到熔斷，并在離心力的作用下，徑向甩出(或伸長)損壞定子線圈端部，造成短路，致使定子比率差動(dòng)保護(hù)、橫差保護(hù)動(dòng)作時(shí)(22時(shí)35分32秒)，才事故跳閘停機(jī)。

第105頁/共388頁106

三、發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行

發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行屬于一種非正常工作狀態(tài)。不對(duì)稱的原因可能是負(fù)荷不對(duì)稱(電氣機(jī)車、電爐等)，也可能由于輸電線路不對(duì)稱(斷線)等等。同步發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，定子除有正序磁場外，還有負(fù)序磁場。負(fù)序磁場對(duì)轉(zhuǎn)子有雙倍同步轉(zhuǎn)速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出兩倍額定頻率(100Hz)的電流，引起轉(zhuǎn)子過熱和振動(dòng)?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

1.不對(duì)稱運(yùn)行的原因及危害第106頁/共388頁107

兩倍頻率電流引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱，對(duì)汽輪機(jī)特別危險(xiǎn)，因?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)是隱極式的，磁極和軸是一個(gè)整體，感應(yīng)電流頻率高(100Hz)，集膚效應(yīng)大，使電流集中在表面很淺的薄層內(nèi)，這就增大了電流回路的電阻，加之這些電流不僅流過轉(zhuǎn)子的本體，還流過護(hù)環(huán)、槽楔與齒，并流經(jīng)槽楔和齒以及套箍的許多接觸面，這些地方電阻大，發(fā)熱尤為嚴(yán)重，可能產(chǎn)生局部高溫，破壞轉(zhuǎn)子部件的機(jī)械強(qiáng)度和繞組絕緣。負(fù)序電流在汽輪發(fā)電機(jī)中引起的機(jī)械振動(dòng)較小，因?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是個(gè)圓柱體，縱軸和橫軸的磁導(dǎo)相差不大，引起的附加振動(dòng)也不大，對(duì)機(jī)械強(qiáng)度危害性甚小?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

2.不對(duì)稱運(yùn)行對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的危害第107頁/共388頁108

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子是凸極式的，冷卻條件較好，兩倍頻率的感應(yīng)電流以及所引起的轉(zhuǎn)子附加發(fā)熱，都較汽輪發(fā)電機(jī)小，如有阻尼繞組，雖可引起阻尼繞組的附加發(fā)熱，但阻尼繞組可削弱負(fù)序磁場的影響，能減輕轉(zhuǎn)子的發(fā)熱程度。水輪發(fā)電機(jī)的直徑較大，縱軸和橫軸磁導(dǎo)相差較大，所引起的振動(dòng)也較大?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

3.不對(duì)稱運(yùn)行對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的危害第108頁/共388頁109

發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行有長時(shí)間和短時(shí)間兩種情況：長時(shí)間不對(duì)稱運(yùn)行，是指不對(duì)稱負(fù)荷情況；短時(shí)不對(duì)稱，主要指不對(duì)稱故障時(shí)的運(yùn)行，持續(xù)時(shí)間極短。所以，不對(duì)稱運(yùn)行的容許負(fù)荷，也有長時(shí)間和短時(shí)間之分?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

4.不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的允許負(fù)荷第109頁/共388頁110

1）長時(shí)間容許負(fù)荷的決定條件

1)負(fù)荷最重相的定子電流，不應(yīng)超過發(fā)電機(jī)的額定電流。

2)轉(zhuǎn)子最熱點(diǎn)的溫度，不應(yīng)超過容許溫度。為此，在持續(xù)運(yùn)行時(shí)，相電流最大差值對(duì)額定電流之比，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)規(guī)定不得超過10％，水輪發(fā)電機(jī)不得超過20％?；蛘哒f，負(fù)序電流對(duì)額定電流之比，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)不得超過6％，水輪發(fā)電機(jī)不得超過12％。

3)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的機(jī)械振動(dòng)，不應(yīng)超過容許范圍。機(jī)械振動(dòng)的容許值，應(yīng)按制造廠家推薦的標(biāo)準(zhǔn)確定?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第110頁/共388頁111

短時(shí)容許負(fù)荷主要決定于短路電流中的負(fù)序電流，由于時(shí)間極短，可以認(rèn)為，負(fù)序電流在轉(zhuǎn)子中引起的損耗，全部用于轉(zhuǎn)子表面的溫升，不向周圍擴(kuò)散。因此，容許的負(fù)序電流和持續(xù)時(shí)間決定于下式，即

（1－12）式中:－負(fù)序電流瞬時(shí)值對(duì)額定電流的比值；－等值負(fù)序電流對(duì)額定電流的比值；－常數(shù)。對(duì)于空氣或氫外冷發(fā)電機(jī)，K=30；對(duì)于內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，K值較小。大容量的內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，K值更小。我國內(nèi)冷式大型發(fā)電機(jī)的值，約在6～10之間，60萬kW汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)值為4。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

2）短時(shí)間容許負(fù)荷的決定條件第111頁/共388頁112

我國規(guī)定的發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的容許電流和持續(xù)時(shí)間示于表1-4。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第112頁/共388頁113

思考題：§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

1.什么是發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性？什么是發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性？2.發(fā)電機(jī)常見的非正常運(yùn)行狀態(tài)有哪些？3.發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行有何危害？什么情況下允許發(fā)電機(jī)短時(shí)過負(fù)荷運(yùn)行？4.引起發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行的原因有哪些？5.發(fā)電機(jī)失磁后的物理情況如何？6.為什么汽輪發(fā)電機(jī)允許短時(shí)異步運(yùn)行？水輪發(fā)電機(jī)不允許失磁異步運(yùn)行？7.發(fā)電機(jī)失磁后異步運(yùn)行有何實(shí)際意義？引起發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行的原因是什么？不對(duì)稱運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)有哪些影響？第113頁/共388頁114§1.4同步發(fā)電機(jī)的特殊運(yùn)行方式

一、發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行的必要性

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)組日益增多，同時(shí)輸電線路的電壓等級(jí)越來越高，輸電距離越來越長，加之許多配電網(wǎng)絡(luò)使用了電纜線路，從而引起了電力系統(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(fù)荷情況下，由線路引起的剩余無功功率，就會(huì)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(jī)來吸收此部分剩余無功功率，但有一定的限度，且增加了設(shè)備投資。近些年我國也廣泛地開展了進(jìn)相運(yùn)行的試驗(yàn)研究。實(shí)踐說明，進(jìn)相運(yùn)行是一項(xiàng)切實(shí)可行的辦法，不需要額外增加設(shè)備投資，就可吸收無功功率，進(jìn)行電壓調(diào)整。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第114頁/共388頁115

二、發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的分析1.什么是同步發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)？

進(jìn)相運(yùn)行是相對(duì)于發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行而言的，此時(shí)定子電流超前于端電壓，發(fā)電機(jī)處于欠勵(lì)磁運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)直接與無限大容量電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，保持其有功功率恒定，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以實(shí)現(xiàn)這兩種運(yùn)行狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

第115頁/共388頁116

2.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的相量關(guān)系

實(shí)際并入電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)是通過變壓器、線路與電網(wǎng)相聯(lián)的。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的相量關(guān)系如圖1-15所示。此時(shí)發(fā)電機(jī)的功角為δG，發(fā)電機(jī)電勢與電網(wǎng)電壓相量之間的夾角為δs。

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

圖1-15

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行相量圖

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發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行時(shí)，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(jìn)相運(yùn)行時(shí)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(fù)值，故可以說此時(shí)從系統(tǒng)吸收感性無功功率。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)各電磁參數(shù)仍然是對(duì)稱的，并且發(fā)電機(jī)仍然保持同步轉(zhuǎn)速，因而是屬于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行方式中功率因數(shù)變動(dòng)時(shí)的一種運(yùn)行工況，只是拓寬了發(fā)電機(jī)通常的運(yùn)行范圍。同樣，在允許的進(jìn)相運(yùn)行限額范圍內(nèi)，只要電網(wǎng)需要是可以長時(shí)間運(yùn)行的。§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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3.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行特點(diǎn)

發(fā)電機(jī)進(jìn)相穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)需要時(shí)采用的運(yùn)行技術(shù)，其運(yùn)行能力主要是由電機(jī)本體的條件確定。我國1989年頒布的《發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)則》第47條指出：“發(fā)電機(jī)是否能進(jìn)相運(yùn)行應(yīng)遵守制造廠的規(guī)定。制造廠無規(guī)定的應(yīng)通過試驗(yàn)確定。進(jìn)相運(yùn)行的可能性決定于發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱和在電網(wǎng)中運(yùn)行的穩(wěn)定性?！薄?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)就其本體而言有兩個(gè)特點(diǎn)：1）發(fā)電機(jī)端部的漏磁較遲相運(yùn)行時(shí)增大，會(huì)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(jìn)相運(yùn)行的發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性較遲相運(yùn)行時(shí)降低，可能在某一進(jìn)相深度時(shí)達(dá)到穩(wěn)定極限而失步。因此，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)容許承擔(dān)的電網(wǎng)有功功率和相應(yīng)允許吸收的無功功率值是有限制的?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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4.發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行所導(dǎo)致問題分析

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行,從理論上分析是可行的。但由于發(fā)電機(jī)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(jìn)相運(yùn)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(jì)算由于不考慮電機(jī)的飽和及勵(lì)磁方式的影響等，其結(jié)果是近似的，一般要通過運(yùn)行試驗(yàn)來決定。運(yùn)行和試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的問題如下：

§1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

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當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的輸入功率受到一些微小的擾動(dòng)，發(fā)生瞬時(shí)的增大或減小時(shí)，如果不考慮調(diào)節(jié)器的作用，發(fā)電機(jī)能在這種瞬時(shí)擾動(dòng)后很快恢復(fù)到原來的平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這稱為發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定。反之，稱為靜態(tài)不穩(wěn)定?！?同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

以隱極發(fā)電機(jī)為例，設(shè)電勢為Eq，電抗xd=xq，端電壓為UG，功率角為δ