大型发电机与变压器运行48版本 华北电力大学 课件.ppt

大型发电机与变压器运行,主讲教师：孙丽玲,2,本课程是电气工程及其自动化专业方向的一门专业课程。目的是使学生了解大型发电机和变压器的正常运行、非正常运行及特殊运行情况，掌握其基本分析方法及产生非正常运行的原因与危害，为学生毕业后从事本专业及相关工作打下必要的基础。,本课程性质、目的和任务及参考书,参考书目：1.同步发电机运行技术与实践，周德贵，巩北宁主编，中国电力出版社。2.发电机及电气设备，国电太原第一热电厂编著，中国电力出版社。3.发电机故障诊断及冷却技术 论文选集，中国科学技术出版社。,3,1.了解大型发电机及变压器运行的基本情况。2.掌握同步发电机正常运行的概念及运行特性。3.掌握同步发电机非正常运行的原因、现象及危害。4.掌握同步发电机的不对称运行、异步运行的分析方法。5.掌握同步发电机的进相运行、过励磁运行时的运行 性能。,本课程的教学内容,4,6.了解汽轮发电机的扭动稳定、扭动振荡及次同步 谐振的概念。7.了解变压器的冷却系统及发热计算。8.了解变压器的绝缘老化及过负荷能力的确定依据。9.掌握自耦变压器的特点及运行方式。10.了解分裂绕组变压器的特点。11.掌握三绕组变压器并联运行的分析方法。13.了解变压器的常见故障与故障检测技术。,本课程的教学内容,5,本章所讨论的内容：1.介绍汽轮发电机和水轮发电机参数的特点，参数以及对系统运行的影响；2.根据发热限度，通过PQ图和相量图，分析发电机在不同情况下的容许负荷。3.结合大系统、大机组的特点，分析发电机正常运行、非正常运行、特殊运行方式（包括进相运行、过励磁等）的性能。4.介绍汽轮发电机轴系扭振和次同步谐振的概念，发电机故障诊断技术。,1同步发电机的运行,6,1.1 同步发电机的参数及其额定值,1X、Y、Z引出线；2电流互感器；3A、B、C引出线；4永磁副励磁机；5主励磁机；6励磁机轴承；7出线盒；8汽体冷却器；9碳刷架隔音罩；10端部；11机壳；12测温引线盒；,一、同步发电机的结构,图1-1 QFSN3002型汽轮发电机组侧视图,1同步发电机的运行,7,就主发电机本体而言，其最基本的组成部件是定子和转子。定子结构：主要由机座、定子铁心、端盖、定子绕组及氢气冷却器等构成。转子结构：主要由转子铁心、转子绕组、护环、滑环及风扇等组成。由于在正常运行状态，尤其是故障短路状态下，定子受有很大的力矩，故必须用机座将其固定。在机座壁与铁心段之间有隔振结构，以减少倍频振动。,一、同步发电机的结构,1同步发电机的运行,8,在发电机本体醒目的地方设有铭牌。铭牌上标有发电机的额定参数，这些参数是发电机正常运行的依据。一般有额定功率、电压、电流、功率因数、转速、氢压、励磁电压、励磁电流、连接方式、效率等。我国国产300MW汽轮发电机主要铭牌参数列于表11。,表1-1 我国国产300MW汽轮发电机主要铭牌参数,二、同步发电机的参数及其额定值,1.同步发电机的额定参数,1同步发电机的运行,9,2.运行参数不同于额定参数时发电机的运行,在发电机运行规程中，规定了运行时发电机的端电压、运行频率、冷却介质温度的容许变化范围。同时，也规定了各个运行参数不同于额定值时，发电机的容许出力或容许电流。规定的原则是：在运行中不要发生电气损坏、机械故障和缩短寿命，即定子绕组、转子绕组、铁芯温度都不超过容许值，各部分产生的应力都不超过容许限度等。,1同步发电机的运行,10,1）冷却介质不同于额定值时对容量的影响,运行中的发电机，当冷却介质温度不同于额定值时，其容许负荷可随冷却介质温度变化而增减。在此情形下，决定容许负荷的原则是定子绕组和转子绕组温度都不超过容许值。,1同步发电机的运行,11,发电机定子绕组的温度 由几部分组成：冷却介质的温度，由于通风摩擦损耗而引起的温升，由于铁耗引起的温升，由于铜耗引起的温升。假定转子转速恒定，可认为通风损耗保持不变，铁耗与电压平方成正比，铜耗与电流平方成正比。用角注“N”表示额定状态时的相应温升，则定子绕组的温度，可用下式表示，即,分析：,（11）,1同步发电机的运行,12,在额定状态时，即额定电压、额定电流、额定转速、额定冷却介质温度时，定子绕组的温度为，则,（12）,假定冷却介质温度不同于额定值，发电机在额定电压下运行，根据定子绕组温度不超过 的原则，令式(11)中，由式(1-2)减式(1-1)，则得发电机的电流容许倍数为,（13）,1同步发电机的运行,13,转子绕组的温度为,（14）,式中:转子绕组的温度；周围介质的温度；转子绕组在额定负荷时的温升；转子电流和转子额定电流之比。,冷却介质温度不同于额定值时，转子绕组的温度也要发生变化。在此情况下，转子绕组温度不超过额定值的转子容许负荷由下式决定，即,（15）,1同步发电机的运行,14,以某一台发电机为例，定子绕组用沥青云母绝缘，=105，=40，=25，=40。转子绕组用B级绝缘，=130，=90，将上列数值代入式(1-3)和式(1-5)，求得不同冷却介质温度下定子和转子电流容许倍数，列于表1-2。,例：,表1-2不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流容许倍数,1同步发电机的运行,15,将表1-2所示的数值画成曲线，如图1-2所示。,图1-2 冷却介质变化时的容许出力,1同步发电机的运行,16,结论：（由图1-2中可见）1)当冷却介质温度高于额定值时，应降低的定子电流倍数比转子电流为多，所以应按定子电流限制来减小出力，转子绕组温度此时不会超过容许值；2)当冷却介质温度低于额定值时,定子电流可以提高的倍数比转子多，所以应按转子电流容许增大的倍数来提高出力，此时定子绕组温度不会超过容许值。,1同步发电机的运行,17,3)虽然各台发电机的温升数据不尽相同，但图1-2所表明的基本特性，即冷却介质温度比额定值每低1所能增加的电流倍数，较之冷却介质比额定值每高1所应降低的电流倍数小。这个原则对一般外冷发电机都适用。发电机运行规程中规定的电流容许变化，便是依据这一原则确定的。不过，规程从普遍安全考虑，规定的数据较严。对于具体某台发电机，可以根据其温升试验曲线，计算出在不同冷却介质温度(进口气温)下的容许电流值。,1同步发电机的运行,18,2)端电压不同于额定值时发电机的运行,发电机正常运行的端电压，容许在额定电压5%范围内变动，此时发电机可保持额定出力不变。当定子电压降低5%时，定子电流可增加5%；当电压升高5%时，电流也就降低5%。在这样的变化范围内，定子绕组和转子绕组的温度不会超过容许值。,1同步发电机的运行,19,当电压低于95%以下运行时，定子电流不应超过额定值的5%，此时，发电机要降低出力，否则，定子绕组的温度要超过容许值。,发电机运行电压的下限，可根据稳定要求确定，一般不应低于额定值的90。,发电机运行电压高于额定值，升高到105以上时,其出力须相应降低。因为电压升高，铁芯内磁密度增加，铁耗增加，引起铁芯温度和定子绕组温度增高。除此之外，电压增高，如维持有功出力不变，就要增加励磁电流，致使转子绕组的温度超过容许限度。,1同步发电机的运行,20,发电机运行的最高容许电压，应遵照制造厂的规定，最高值不得超过额定值的110。因为现代大容量发电机，都是按相当高的饱和程度设计的，当运行电压超过510时。就会由于过度饱和，定子旋转磁场的漏磁部分大大增加，使定子本体机架回路感应出很大电流(有时可达几万安)，在机架的一些接缝处造成局部发热，甚至引起火花，使机器损坏。,1同步发电机的运行,21,3)运行频率不同于额定值时发电机的运行,按照规程规定，发电机运行频率容许变动范围是0.5Hz。运行频率比额定值高时，发电机的转速升高，转子承受的离心力增大，可能使转子某些部件损坏，因此频率增高主要是受转子机械强度的限制。同时，频率增高，转速增加，通风摩擦损耗也要增大，虽然在一定电压下，磁通可以小些，铁耗也可能有所降低，但总的来说，此时发电机的效率是下降的。,1同步发电机的运行,22,运行频率比额定值低，也有很多不利影响。例如频率降低，转速下降，使两端风扇鼓进的风量降低，其后果使发电机的冷却条件变坏，各部分温度升高。频率降低，为了维持额定电压不变，就得增加磁通，如同电压增高时的情况一样，由于漏磁增加会产生局部过热。频率降低还可能使汽轮机叶片损坏，厂用电动机也可能由于频率下降，使厂用机械出力受到严重影响。,由于上述原因，不希望发电机频率在偏离额定值的情况节运行。在系统运行频率变化0.5Hz的容许范围内，由于设计有裕度，可不计上述影响，容许保持额定出力不变。,1同步发电机的运行,23,4）功率因数不同于额定值时发电机的运行,发电机容许在不同的功率因数下运行，但受下列条件的限制。1)高于额定功率因数时，定子电流不应超过容许值。2)低于额定功率因数时，转子电流不应超过容许值。3)在进相功率因数运行时，应受到稳定极限的限制。,1同步发电机的运行,24,三、大型同步发电机参数的特点和发展趋势,大型发电机的参数与中，小型发电机有很多不同之处，汽轮发电机和水轮发电机也有所不同。由于大型发电机有效材料利用率提高，采用的是直接冷却系统，所以总的趋势是阻抗增大，机械时间常数降低。这可解释如下:,从电机理论中可知,式中：A线负荷；极距；B气隙磁密；气隙长度。,（16）,1同步发电机的运行,25,从式（1-6）可以看出，机组的阻抗与线负荷成正比，而与气隙长度成反比。气隙长度越大，磁导和阻抗越小。但是长度如果增大，转子绕组中的磁通势就要增加。换句话说，转子绕组中的电流和匝数要相应增大。这样，会促使转子重量和价格增加。所以，从简化电机结构出发，都希望选取较小的气隙。,1同步发电机的运行,26,大型机组的特点是：气隙磁密受到饱和限制，不能选择过大，同时线负荷较大，所以大型机组的xd值显得较大。对于同容量的汽轮发电机组和水轮发电机组，虽然汽轮发电机的气隙较大，但它的线负荷和极距都较大，所以汽轮发电机的xd值(0.92.0)仍较水轮发电机的均值(0.71.6)大。,1同步发电机的运行,27,暂态阻抗 和次暂态阻抗 值，由转子和定子的漏磁通决定，次暂态阻抗还决定于阻尼绕组的漏磁通。大型机组中由于力值较大，漏磁通也较大，所以 和 值也要增大。同容量的汽轮发电机的漏磁系数和漏磁路径较水轮发电机小，但极距比水轮发电机大，所以汽轮发电机的 值(0.140.34)较水轮发电机的 值(0.20.5)小。,1同步发电机的运行,28,同步电机定子非周期电流衰减时间常数由下式决定:,（17）,式中，ra为定子绕组的有效电阻，x2为电机的负序电抗，为角频率。,同容量的汽轮发电机的、值较水轮发电机稍小，但它的ra值远较水轮发电机的值小，所以汽轮发电机的Ta值(0.020.5s)比水轮发电机的Ta值(0.030.35s)稍大。,1同步发电机的运行,29,大型机组的，和 值与阻抗及电阻有关，虽然阻抗值稍大，但由于加强冷却，采用的电流密度较大，所以电阻值远较一般机组大，和 的数值显得较小。,机械时间常数Tm及转动惯量J与转速n的平方成正比，而与容量成反比。同容量水轮发电机的Jn值较汽轮发电机大，所以水轮发电机的Tm值(510s)较汽轮发电机的Tm值(34s)大。,大型机组的机械时间常数随着单机容量的增大而减小，由于加强了冷却，大型机组的转动惯量几乎没有多大变化。,1同步发电机的运行,30,2.阻抗增大和时间常数减小对电力系统运行的影响,大型机组参数的变化对电力系统运行产生深刻影响。阻抗增大将使系统中短路电流减小(虽然绝对值仍很大)，这是有利因素。但在没有励磁控制(包括自动电压调节器)的情况下，阻抗增大，机械时间常数减小，将使系统稳定性降低。例如，单机对无穷大容量系统中，发电机的静稳定极限功率 由下式决定:,随着同步发电机容量的增大，其参数也发生变化，主要是阻抗增大和机械时间常数减小，对系统稳定造成不利影响。,1同步发电机的运行,31,式中:U系统母线电压；xs电网阻抗；Eq发电机电动势。,由上式可知，若xd值越大，而xs值相对较小（即线路不长）时，静态稳定极限功率越小，故阻抗增大，导致静态稳定储备降低。,（18）,1同步发电机的运行,32,电力系统的暂态稳定和许多因素有关，其中主要有：发电机和系统的阻抗、机械时间常数、励磁上升速度、强励倍数、切断短路时间等等。系统中发生对称或非对称短路时，在暂态过程中，电机的最大电磁转矩几乎和发电机的暂态电抗和次暂态电抗成反比，阻抗增大，将促使最大电磁转矩降低，因而使暂态稳定性能降低。机械时间常数对暂态稳定也有很大影响，如保持同样的极限角，则机械时间常数几乎和临界切除时间的平方成正比，机械时间常数减小一半，临界切除时间将缩短到原值的1/4。,1同步发电机的运行,33,曾经采用改善发电机参数（如加大空气隙等）的措施来提高系统稳定极限，但往往引起发电机尺寸，重量增大，成本提高。一般采用励磁控制的方法（包括应用各种类型的自动电压调节器），来改善大型发电机参数所带来的不利影响。经验证明，合理选择和整定励磁控制的各种参数，在一定程度上可改善对稳定的不利影响。在经济上显然要比前一种方法有利的多。,1同步发电机的运行,34,思考题：,什么是同步发电机的三机同轴励磁系统？什么是同步发电机运行的额定工况？发电机的额定参数有哪些？当冷却介质、运行电压和运行频率不同于额定值时，对同步发电机的运行有何影响？大型同步发电机的参数有何特点？对系统运行有何影响？,1同步发电机的运行,35,1.2 同步发电机的正常运行,同步发电机的正常运行属于容许长期连续运行的工作状态，它的特点是：发电机的有功负荷，无功负荷、电压、电流等都在容许范围以内，因而它是一种稳定的、对称的工作状态，其中最常见的是额定工作状态，即有功负荷，电压、功率因数、频率、冷却介质温度都是额定值。发电机在额定工作状态运行时，具有损耗小，效率高，转矩均匀等性能，一般发电机都应尽量在接近额定工作状态下运行。,1同步发电机的运行,36,发电机在运行中，有时需要调整各种参数，例如：要根据调度制定的负荷曲线来调整有功和无功负荷，用调速器调整有功功率，用励磁调节器调整无功功率。在调整过程中，要注意各个参量不要超过容许范围。除此之外，还要注意负荷上升速度，对于汽轮机，为了防止过渡的热膨胀，负荷上升速度不能太快，从空载到满负荷，通常要几小时。水轮发电机负荷的上升速度不受限制，只要几分钟，便可带满负荷。本节主要叙述同步发电机的容许运行范围和运行特性。,1同步发电机的运行,37,1.在稳态条件下，决定发电机容许运行范围的条件1）原动机输出功率极限，即原动机的额定功率一般 要稍大于或等于发电机的额定功率。2）发电机的额定兆伏安数，即由定子发热决定的容 许范围。,一、发电机的容许运行范围和PQ图,3）发电机的磁场和励磁机的最大励磁电流，通常由 转子发热决定。4）进相运行时的稳定度，当发电机功率因数小而转 入进相运行时,Eq和U的夹角不断增大，此时，发 电机有功功率输出受到静态稳定条件的限制。,1同步发电机的运行,38,发电机的PQ曲线，就是表示其在各种功率因数下容许的有功功率输出P和容许的无功功率输出Q的关系曲线，又称为发电机的安全运行极限。,以汽轮发电机的曲线为例，可根据其相量图绘制，如图1-3所示。,2.发电机的容许运行范围和PQ图,1同步发电机的运行,39,图1-3 汽轮发电机的安全运行极限,1同步发电机的运行,40,水轮发电机(凸极机)的安全运行极限和汽轮发电机(隐极机)相类似。所不同者凸极机的电磁功率包括两项，如下式所示：,（19）,第一项和不饱和的隐极机一样，称为基本分量，第二项称为附加分量，它是由xdxq所引起的，所以凸极机在无励磁电流时（if=0）仍然有电磁功率。,说明：,1同步发电机的运行,41,图1-4表示凸极机和隐极机电磁功率和的关系。从图上可见，凸极机和隐极机相比较，凸极机的最大电磁功率发生在900时，而且其值要比隐极机大。,由于凸极机的第二项附加分量电磁功率和励磁无关，所以在无励磁时，差不多能发出25的额定功率，因此在进相运行时，其安全运行极限面积要比隐极机大。,图1-4 凸极机和隐极机电磁功率与功角的关系曲线,1同步发电机的运行,42,二、同步发电机的正常运行特性,假定发电机在无穷大容量系统中运行，在正常调整过程中最常见的两种工作状态是：调整有功功率，维持励磁不变，即Eq为常数，P为变数；调整励磁，维持有功功率不变，即P为常数，Eq为变数。现分别讨论如下：,1同步发电机的运行,43,1.Eq=常数，P=变数,增加发电机有功负荷，通常采用加大汽轮机的进气门（或水轮机的导水翼）的开度，使原动机转矩增大，转子加速，功角因而增大。当原动机转矩与发电机电磁转矩相互平衡时，角才能稳定；反之，当有功功率减小时，角也相应减小。,假定电动势Eq是常数，有功功率P变化时，其轨迹是一个以O为圆心，Eq为半径的圆弧，如图1-5所示。,1同步发电机的运行,44,图1-5 Eq=常数，P=变数时同步发电机的工作状态,a)相量图,b)变化曲线,1同步发电机的运行,45,当发电机的励磁电流降低时，电磁转矩随之下降，由于原动机转矩未变，所以电机加速，如图1-6所示。,2.P=常数，Eq=变数,1同步发电机的运行,46,图1-6 在各种励磁电流情况下发电机的工作状态(a)相量图；b)变化曲线,1同步发电机的运行,47,三、发电机的暂态和动态稳定概念,对发电机的稳定问题，我国现在是按静态、暂态和动态划分阶段进行研究的，现将暂态和动态稳定的概念及励磁调节对其影响作一简要介绍。,1同步发电机的运行,运行中发电机的负荷除有缓慢或微小的变化外，突变也会时有发生，这会对运行发电机产生大的扰动。如切除大容量负荷、运行中的发电机或线路保护设备突然跳闸、以及发生短路故障、自动重合闸等。此时发电机能否保持同步运行就是属于暂态和动态稳定的问题。,48,暂态稳定性主要指发电机在各种短路、接地、线路故障及切除故障线路造成的大扰动中保持稳定运行的能力。发生暂态不稳定过程的时间较短，主要发生在事故后发电机转子第一摆动周期内。下面说明励磁调节对运行发电机在大扰动中暂态稳定的影响。,1.暂态稳定性,1同步发电机的运行,49,假设大扰动是由发电机双回线供电线路中的一条发生短路故障引起的。此时发电机功角特性曲线与功角的变化曲线如图l-7所示。,图1-7 短路故障时功角特性曲线与功角的变化曲线(a)功角特性曲线(b)功角的变化曲线,1同步发电机的运行,50,强励对暂态稳定性的影响,图1-8 强行励磁提高暂态稳定,1同步发电机的运行,51,动态稳定性主要指遭受大扰动后发电机恢复和保持稳定状态的能力。在动态稳定过程中的主要现象是发电机的功角及各电气量发生随时间增长的振荡或发生等幅振荡，这一振荡过程较长，可持续几秒到几十秒的时间。,2.动态稳定性,1同步发电机的运行,52,例如故障消除后功率波动不是逐渐减小，反而趋向于逐渐增大或等幅振荡。为了抑制振荡，提高动态稳定的方法之一是借助于励磁调节装置提供制动转矩，使发电机在加速时加强励磁，以减小加速面积；发电机在减速时减弱励磁，减小减速面积。这样，可实现发电机在平衡点附近运行的振荡逐渐平息，此即为励磁调节对动态稳定的影响和作用原理。因此，自动励磁调节装置保持投人和良好运行状态，是发电机在电网运行中保持和提高稳定性的一个极为重要的措施。,1同步发电机的运行,53,例：河南某电厂由于大部分发电机的自动励磁调节器(包括强励)退出了运行，因母线联络断路器故障跳闸，部分机组输电阻抗增大，母线电压大幅度下降，系统动态稳定被破坏，造成了大面积停电。经计算，如果该电厂的发电机投入了自动励磁调节系统，在故障情况下能进行强行励磁，就能够使电压迅速恢复，保持稳定运行。,1同步发电机的运行,54,四、发电机与相近容量电网并联运行的特点,一般说来，电网容量远大于并网运行同步发电机的容量，这时发电机单机功率调节对电网几乎无影响。因此电网的电压和频率都可以视为常数。对于单机容量大的发电机或者电网的容量有限，由于负荷有限，所以在调节单机有功功率或无功功率时，会影响电网有功功率或无功功率的供求平衡，引起电网电压和频率发生变化。,1同步发电机的运行,55,因此，增加此发电机输出的有功功率时，必须相应减少其他发电机的有功功率。否则，电网的有功电源容量将比有功负荷的需求多，会促使并网运行的各台发电机的转子加速。随之提高供电频率和电压，直到电网有功功率和无功功率达到供求平衡，此时供电频率和电压已偏离了额定值。因此，随着电力用户有功负荷和无功负荷的千变万化，要保证供电频率和电压始终在合格范围，需要适时调整发电机的运行状态。,1同步发电机的运行,56,思考题：,1.同步发电机的正常运行工作状态的特点是什么？2.如何调节发电机的有功和无功功率？在调整过程 中应注意什么问题？3.在稳态条件下，发电机的容许运行范围由哪几个 条件决定？4.发电机的PQ曲线表示什么？5.发电机在正常调整过程中最常见的工作状态是什 么？试结合相量图分析不同工作状态下发电机运 行的变化情 况。,1同步发电机的运行,57,1.3同步发电机的非正常运行,同步发电机的非正常运行属于只容许短时运行的工作状态。此时，发电机的部分参量可能出现异常。例如：定子或转子电流超过额定值，电压不对称，产生某种频率的感应电流，引起局部过热等等。最常见的非正常工作状态有过负荷、异步运行、不对称运行等。,1同步发电机的运行,58,一、发电机的容许过负荷,前已述及，发电机的定子电流和转子电流均不得超过容许范围（即额定值）。但在系统发生短路故障，发电机失步运行，成组电动机起动以及强行励磁等情况时，发电机定子或转子都可能短时过负荷。电流超过额定值会使电机绕组温度有超过容许限度的危险，甚至还可能造成机械损坏。过负荷数值愈大，持续时间越长，上述危险性越严重。因此，发电机只容许短时过负荷。,1同步发电机的运行,59,过负荷数值不仅和持续时间有关，而且还与发电机的冷却方式有关。直接冷却的绕组在发热时容易产生变形，所以过负荷容许值比间接冷却的要小。发电机定子和转子短时过负荷的容许值和容许时间由制造厂家规定。,发电机不容许经常过负荷，只有在事故情况下，当系统必须切除部分发电机或线路时，为防止系统静态稳定破坏，保证连续供电，才容许发电机短时过负荷运行。,1同步发电机的运行,60,二、失磁异步运行,同步发电机失磁异步运行，是指发电机失去励磁后，仍输出一定的有功功率，以低转差(转差率)与电网并联运行的一种特殊运行技术。,1同步发电机的运行,1.什么是同步发电机的失磁异步运行？,61,二、失磁异步运行,2.失磁的原因,1同步发电机的运行,发电机突然地部分或全部失去励磁，是发电机励磁回路常见的故障之一。发电机失去励磁的原因，一般是由于励磁回路短路或开路所造成的。例如，主励磁机换向故障、副励磁机回路断线、励磁调节失误、励磁接触器开路、自动励磁调节器故障、集电环过热故障、转子绕组匝间(或相间)短路等，均可造成励磁回路失磁故障。,62,当发电机失磁后，采取立即解列以致停机的措施，不是较好的方法。因为突然甩负荷，停机，对电力系统的稳定运行是不利的；而且机组起停次数多，也会降低其使用寿命。基于目前发电机励磁系统的可靠性还较低，失磁异步运行又具有许多优点，因此当发电机失磁时采用异步运行，就显得很有必要。当发电机出现失磁故障时，若能允许短时异步运行，电气人员便可借此机会寻找失磁原因，迅速消除失磁故障，恢复励磁实现再同步，恢复发电机正常运行。这对于减少对用户的停电、确保供电可靠、提高电力系统安全和稳定运行是具有重要意义的。,1同步发电机的运行,3.失磁异步运行的意义,63,1)系统储备容量小可提高供电的可靠性。目前我国电力系统的储备容量尚较小，应用发电机失磁异步运行技术，可以缩小停电面积，提高对用户供电的可靠性，并可减少停电损失。2)节约能源消耗，延长发电机的使用寿命。应用发电机失磁异步运行后，可减少因失磁造成的解列或起停机的次数，节省起动消耗的能源，并可延长发电机的使用寿命。,1同步发电机的运行,4.失磁异步运行的优点,64,3)有时间恢复励磁和减少因甩负荷可能引起的故障。若发电机失磁时允许异步运行一定的时间(一般为1530min)，即可在此时间内查找失磁故障，恢复励磁。同时还可避免或减少因失磁突然甩负荷，可能引起的一些事故或故障。,1同步发电机的运行,65,1）发电机失磁异步运行限制其输出功率的主要因素，是定子端部铁芯和金属结构件的发热(其发热增长很快)。按照原苏联所得的数据，300MW的发电机定子端部铁芯齿端的发热时间常数约为6min。按照英国在一台588MVA发电机上的实测数据，时间常数约为3min。在定子端部铁芯齿端允许温度为120的条件下，输出约40额定有功功率异步运行的时间约为1012min；,1同步发电机的运行,5.失磁异步运行对发电机的影响,66,2）另一个限制发电机失磁异步运行的因素是定子过电流(一般在输出0.5倍额定有功功率下异步运行时，定子电流已达到甚至超过额定电流)。因此，发电机失磁异步运行时，要限制定子电流不得超过额定值。,1同步发电机的运行,发电机失磁异步运行时，转子的发热并不限制发电机的异步运行，而且通常将转于绕组与整流器连接在一起时，转子绕组可能出现的过电压，也不致成为限制异步运行的因素。,67,发电机失磁异步运行技术早已引起电力工作者的重视，并作了大量的运行实践工作。其结果表明，发电机失去励磁后，将有功功率迅速减小到额定功率的4050，就可能在甚低转差下进人稳态异步运行。目前许多国家都已采用。例如原苏联对于间接冷却50MW及以下的发电机，允许失磁异步运行的时间约为30min；对于直接冷却50300MW的发电机，当输出功率不超过额定值的40时，允许异步运行15min。在美国，高于同步转速允许运行的时间一般为23min。,1同步发电机的运行,6.失磁异步运行的实例,1）国外,68,近1015年来，捷克、法国、瑞士、英国、原苏联等许多国家，都很重视研究直接冷却大型汽轮发电机的失磁异步运行技术。例如，英国在588MVA、原苏联在200300MW、法国在250MW、瑞士在169MVA的发电机以及其他的一些机型上，均作了失磁异步运行的试验研究。,1同步发电机的运行,69,我国1982年在福州召开的第三次全国电机专业会上，将发电机失磁异步运行，列为运行技术攻关项目之一。此后，在TQN100-2型、QFS-125-2型和QFSS-200-2型，即100、125MW和200MW等的大型汽轮发电机上，作了多台次的失磁异步运行试验研究。,1同步发电机的运行,2）我国对发电机失磁异步运行的研究与实践,研究结果表明，就上列三种机型而言，在失磁情况下，输出4050额定有功功率时，可允许运行3010min。我国国标GB/T70641996透平型同步电机技术要求中规定：300MW及以下的发电机失磁后应在60s内将负荷降至60，90s内降至40，总的失磁运行时间不超过15min。600MW及以上的发电机由制造厂与用户协商解决。,70,发电机失磁异步运行的功率和时间，要受到定子端部发热、定子过电流、振动和系统无功功率储备等的限制。因此，要采用失磁异步运行的大型发电机，一般需要经过试验或参照同型发电机的试验结果来确定。,1同步发电机的运行,3)小结,71,发电机失磁异步运行时，转子的转速高于定子旋转磁场的同步速、有转差s存在，并且为负值；而发电机同步运行时，转于的转速与定子旋转磁场的同步速相等。即s=0，无转差。b)发电机失磁异步运行时，因有转差，在转子各部件要产生感应电流；而同步运行时，因无转差，无感应电流。,1同步发电机的运行,7.失磁异步运行的过程分析,1）发电机失磁异步运行与同步运行的主要区别,72,c)发电机失磁异步运行时，转子绕组中无直流励磁电 流，此时的励磁电流为转子中感应的低频电流；而 同步运行时转子绕组中为直流励磁电流。,1同步发电机的运行,e)发电机失磁异步运行时定子和转子的电气量有周 期性的摆动；而同步运行时定子和转子的电气量稳 定。,d)发电机失磁异步运行时，向电力系统输送有功功 率，吸收无功功率；而同步运行时可向系统输送有 功功率和无功功率，或输送有功功率，吸收无功功 率(进相运行时)。,73,发电机失去励磁后，电磁功率减小，在转子上出现转矩不平衡，促使发电机加速，转子被加速至超出同步转速运行，以致最后失步。当发电机超出同步转速运行时，发电机转子和定子旋转磁场之间有了相对运动，于是在转子绕组、阻尼绕组以及转子的齿与槽楔中，将分别感应出滑差频率的交流电流，这些电流产生制动的异步转矩，发电机开始向电力系统送出有功功率。转速的增大一直继续到出现的制动异步转矩与汽轮机的旋转转矩相等为止。,1同步发电机的运行,2）发电机失磁异步运行分析,74,图1-9表示发电机的平均异步转矩特性曲线，其中曲线4表示原动机的转矩特性。随着转速升高，调速器动作，减小进汽或进水，因此原动机的输入转矩即由Mm0下降，此时与汽轮发电机的转矩特性1相交于A1点，与有阻尼绕组的水轮发电机的转矩特性2相交于A2点，与无阻尼绕组的水轮发电机的转矩特性3交于A3点。Al、A2、A3即转矩平衡点，这些点决定了稳态异步运行时，有功功率的大小和转差率。,1同步发电机的运行,75,图1-9 发电机平均异步转矩特性 1一汽轮发电机，2一有阻尼绕组水轮发电机 3一无阻尼绕组水轮发电机，4一原动机转矩特性，Mm0原动机输入转矩,1同步发电机的运行,76,如图1-9所示，汽轮发电机具有良好的平均异步转矩特性，因而在千分之几的滑差下，就能达到稳态运行点Al。此时，由于调速器使汽门关闭的幅度很小，因而输出的有功功率仍相当高。,1同步发电机的运行,在异步运行时，发电机需从系统吸收大量的无功功率，所以，发电机的电压以及附近用户处的电压将要下降。所需无功功率的大小，与发电机的xd以及转差率s相关，xd小，s越小，所需的无功功率也越小。,77,汽轮发电机的xd较大，而s甚小，所需的无功功率也较小，电力系统电压降低很小。所以，汽轮发电机短时内处在这种情况下(有功功率大，转差率小，电压降低不多)作异步运行是容许的，不会出现转子损耗过大，而使电机受到损伤。当励磁恢复后，汽轮发电机又可平稳拉入同步。但是长时间的异步运行也是不容许的，因为会引起发电机定子和铁芯端部过热，转子绕组也由于感应电流产生相当大的热量，引起发热和损伤，所以汽轮发电机的异步运行受到时间限制。一般规定，汽轮发电机的异步运行时间为1530min。,1同步发电机的运行,a)汽轮发电机允许短时异步运行,78,水轮发电机和汽轮发电机不同，异步转矩特性差，当滑差变化很大时，平均异步转矩变化不大，最大平均异步转矩也小于失磁前的原动机转矩，因而只能在滑差相当大时，才能达到稳定运行点A2和A3，如图1-9所示。在这样大的滑差下运行，转子有过热的危险，所以一般是不容许的。,1同步发电机的运行,b)水轮发电机不允许异步运行及其原因,79,除上述原因外，水轮发电机的同步电抗较小，异步运行时，定子电流很大，所以也应限制其异步运行。当发电机失去励磁后，特别是无阻尼绕组的水轮发电机，转速迅速增加，负荷差不多可以减小到零，所以必须从电力系统中断开。有阻尼绕组的水轮发电机，情况要好一些。但在滑差为35时，才出现转矩的平衡(图1-9中A2点)，对阻尼绕组有过热的危险，所以只容许运行几秒钟，必须迅速恢复励磁。,1同步发电机的运行,80,异步运行是发电机的一种不正常工作状态，但这种非正常工作状态应受到时间的限制。水轮发电机一般不容许异步运行，汽轮发电机失磁后异步运行的时间和功率，受到许多因素的限制，一般要根据发电机型式、参数、转子回路连接方式以及电力系统情况，进行具体分析，经过试验才能确定。,1同步发电机的运行,结论：,81,a)转子电流表指示值为零或接近于零 当发电机失去励磁后，转子电流迅速按指数规律衰减，其减小的程度与失磁原因、失磁程度有关。当励磁回路开路失磁时，转子电流表的指示值为零；当励磁回路直接短路或经小电阻短路失磁时，转子回路有交流电流通过，直流电流表有指示，但数值很小，或接近于零。若是由于转子绕组极间(匝间)短路引起的失磁，则转子电流就不为零(或接近于零)了。,1同步发电机的运行,2）发电机失磁异步运行时出现的现象,82,b)定子电流表的指示值增大和摆动 发电机失磁异步运行时，由于需要建立工作磁通(磁化电流)和漏磁通，故使无功功率的分量增大。同时，定子电流以及从电网吸收的无功功率，均随转差s的增大而增加，因而使定子电流明显增大。,1同步发电机的运行,c)有功功率表的指示值减小和摆动 在发电机从失磁转入异步运行的过程中，由于转矩不平衡，引起转子的转速升高，故在调速器失灵区范围以外，调速器自动关小汽门(或导水叶)，使原动机的输人功率减小。此时发电机输出的功率也相应减小，直到原动机的转矩与发电机的异步转矩相平衡时，调速器才停止动作。因此，有功功率表的指示值必然小于失磁前的数值。,83,d)无功功率表指示负值，发电机端电压降低 发电机失磁转入异步运行后，即成了一台转差为s的异步发电机。此时，一方面向系统输送有功功率，另一方面也从系统吸收无功功率以磁化转子。因此，无功功率指示为负值，功率因数表则指示进相。同时，由于定子电流增大，使线路压降较大，故导致母线电压降低，并随定子电流的摆动而摆动。严重时，将使系统电压大幅度下降，甚至有发生电压崩溃的危险。,1同步发电机的运行,84,某厂一台SF65-24/6440型水轮发电机，定子额定电压10.5kV，额定电流4205A，额定功率65MW，额定功率因数0.85，转子额定电压198V，额定励磁电流1021A。2000年6月13日停机处理尾水锥管漏水，检修工作结束后，机组于20日起动并入系统运行。21日事故发生前，全厂发电机带有功功率262MW，无功功率42MVar。其中1号机带有功66MW，无功10MVar；2号机有功64MW，无功11Mvar；3号机有功66MW，无功l0Mvar；4号机有功66MW，无功11Mvar，全厂运行正常。,事故简要经过,1同步发电机的运行,8.一台水轮发电机失磁异步运行事故分析,85,当日22时34分，运行人员按照l号机停机检修需要作安全措施。操作人、监护人到厂用电400V配电室，将厂用电400V由I段倒为段联络供电运行。厂用电400V备用自投装置不能正常动作，操作人手动合上联络断路器，动作正常。,1同步发电机的运行,运行主值监视厂用机旁盘备用自投装置动作情况。检查到1号机旁盘备用自投装置，动作正常；2号机旁盘备用自投装置，自动动作不正常，手动台上联络断路器，动作正常，继续到3、4号检查，当到2、3号机之间时，听到2号机声音异常，跑回2号机旁盘。看见灭磁开关柜冒烟，立即手动跳开灭磁开关。,86,值班员在中控室监视直流浮充电机情况，在倒厂用电时，发现两套浮充电装置均停运，立即到继保室将其恢复运行，正常。22时35分2号机比率差动保护、横差保护动作2号油开关跳闸，2号机组事故停机。,1同步发电机的运行,运行人员检查灭磁电阻烧红，二次接线烤焦。发电机风洞内有焦臭气味，2号油开关有喷油现象。值长立即报告生产部、总工程师、安监人员等。22时50分，有关人员立即到现场进行检查，检测2号机定子绝缘电阻为零，转子绝缘电阻为0.1M。,87,22日上午某电厂机电检修厂，解开该机定子出口和中性点接线，测试其定子绝缘为：A相对地0M，B相对地1800M，c相对地200M。转子绝缘0.1M。拆下发电机上盖板，发现转子上端部阻尼环断裂，定子上端部绝缘损坏。从事故录波图看，发电机无功进相104Mvar，定子电流上升至11008A。,1同步发电机的运行,88,1.定子部分 1)定子线圈：定子线圈被异物机械损坏断股、露铜的，上、下两端共计有24只线圈。此外，绝缘损伤深度大于3mm的有79根；23mm的有285根；小于2mm的有97根；轻微损伤的有7根；完好无损的仅一根。2)定子铁芯：定子铁芯7处有不同程度的机械损坏，有一处损坏最严重。,1同步发电机的运行,事故现场检查结果,26日发电机转子吊出机坑，检查结果如下:,89,2.转子部分 1)阻尼环变形损坏，极间连接铜片熔断：转子磁极上、下阻尼铜环变形损坏；