1、12第五章第五章 发电机非正常运行发电机非正常运行3第一节第一节 汽轮发电机频率异常运行汽轮发电机频率异常运行一、防止频率变化损坏发电设备 大型机组对运行频率有着严格限制。如果在运行时，汽轮机叶片自振频率与转速发生机械谐振，那么叶片所承受的应力可能比正常运行条件下大若干倍，极易造成疲劳而损坏。为了防止谐振，制造厂设计的汽轮机叶片，其自振频率都要躲开额定转速及其倍数(工频及其整数谐波)，并对汽轮机在偏离额定频率运行的情况下提出了允许运行的时间限制。例如，美国某公司提出的运行建议定额，如表51所示。4现代大机组为了自身的安全，都装设了频率保护，我国进口的一些大机组的频率保护整定如下。 (1)宝钢进
2、口日本的350MW机组： 48.5Hz 0s发信号 47.5Hz 30s跳闸 47.0Hz 0s 跳闸 (2)元宝山电厂进口法国的600MW机组： 47.5Hz 9s 跳闸 52Hz 0.25s跳闸 (3)姚孟电厂进口比利时的300MW机组： 48Hz 5s 跳闸5二、防止频率变化引起连锁反应而导致电网瓦解 频率降低，一会严重降低厂用电动机出力，特别是锅炉给水泵、循环水泵、送引风机等；二会使发电机通风系统冷却效率降低，最大连续出力随之而降低。如上述这些重要辅机的出力，将会以频率的二次方、三次方成反比而降低。由于辅机出力剧降而受到限制，并使发电机出力进一步下降，继而又使系统频率进一步降低，如此造
3、成恶性循环，严重时会导致电网瓦解。6从确保电力系统安全的观点，电网运行频率严重下降时，必须有自动装置，能及时地相应切除相适应容量的负荷，即所谓按频率降低自动减负荷。按频率降低自动减负荷，必须与机组低频保护的动作有选择性的配合，如果配合不当，使运行中的其他机组，在频率大幅度的快速变化过程中发生跳闸，则将使系统有功功率的缺额更为扩大；另一方面，还必须注意防止负荷容量的过切。如果负荷容量过切很多，系统将产生过大的频率过调。在水电比重较大的系统中，由于水轮机组调速系统反应慢，比较容易出现这样的过调现象。7而频率超调的结果，又可能引起某些大型汽轮发电机组的误跳闸，因而导致系统频率的严重波动。发电机低频保
4、护：反应发电机低频运行。发电机低频保护：反应发电机低频运行。现代大型电厂构成的大电网中，热控自动装置，如协调控制(CCS)、电液调节(DEH)、自动发电(AGC)等的大量投用，上述现象已可得到有效抑制。8频 率（Hz）允 许 时 间每次（sec）累计（min）51.051.5303048.551.0连续运行48.54830030048.047.5606047.547201047.046.552我厂机组能安全连续地在48.551.0Hz频率范围内运行，当频率偏差大于上述频率值时，允许的时间不低于下述值：9电压kV20.020.521.019.5频率Hz47.547.551.551.5有功功率MW
5、535585600600定子铁心温升K25.4625.5225.8025.49转子绕组最高温升K74.0073.7466.459.49每次（s）20203030寿命期内（次）30303030我厂电压和频率允许变化范围我厂电压和频率允许变化范围发电机在额定功率因数下，电压变化范围为5，频率变化范围为-3到+2%时，能连续输出额定功率。当发电机电压变化为5，且频率变化为-5到+3的范围运行时，输出功率、温升值、允许的运行时间及允许发生的次数满足下表要求：10二、二、 汽轮发电机的不对称运行方式汽轮发电机的不对称运行方式1、 概 述 不对称运行，三相电流、电压大小不相等，相位不是120。在下列情况下
6、可以形成不对称运行： (1)负荷不对称。如冶金企业某些电炉、电气铁道上的电气机车均为单相负荷。 (2)不对称短路。 (3)输电线路的不对称，断线。 前二者为横向，第三者为纵向不对称，或称非全相运行。 11不对称运行有许多危害：不对称运行有许多危害： 对于同步发电机，负序电流会使发电机定子产生100Hz的振动，并在转子的励磁绕组、阻尼绕组以及转子本体中感应出两倍工频的电流。 对于电力变压器，使各相绕组发热不一致。 对于电力用户，使电能质量变坏，可使异步电动机出力下降，寿命降低。 对通信线路的危害主要是零序电流，它可能在与输电线平行的通信线路上感生出危险的对地电压，危及通信设备和人身的安全，降低通
7、信质量。122、 负序电流对同步发电机的危害负序电流对同步发电机的危害负序电流与正序电流叠加，使定子绕组相电流可能超过额定值，另一方面还会引起转子的附加发热和机械振动。 当定子绕组流过负序电流时，出现负序旋转磁场，此磁场以同步速度并与转子相反的方向旋转，在励磁绕组、阻尼绕组及转子本体中感应出两倍工频的电流，从而引起附加损耗与发热。由于这个电流频率较高(100Hz)，集肤效应较大，故不易穿人转子深处，只在转子表面的薄层中流过。13如图158所示，这些电流(A)不仅流过本体1，还流过护环2(B、C和D)及中心环(D)。并流经槽和齿与护环的许多接触面，这些地方电阻较高，发热尤为严重，可能出现局部高温
8、，破坏转子部件的机械强度和绕组绝缘，尤其以护环在转子本体上嵌装处特别危险，14 除附加发热外，负序电流还会引起机械振动。因为正序磁场对转子是相对静止的，而负序旋转磁场相对转子却是以两倍同步速度相对转子旋转的，与转子磁场相互作用，产生100Hz的交变电磁力矩，该交变电磁力矩同时作用在转子轴和定子机座上，使机组产生频率为100周s的振动和噪声。汽轮发电机的磁极与轴是一个整体，绕组置于槽内，散热条件不好，所以负序电流产生的附加发热要严重些。153、对负序电流的限制 (1)应尽可能保持三相平衡，如沿电气化铁道的各牵引变电站中的变压器接入110kV系统时，应注意轮流换相。 (2)对电力系统而言，系统的零
9、序阻抗对不对称运行的电流不对称度有直接影响。因而运行中应适当地减小零序阻抗。 (3)对电机制造厂而言，应在设计、制造工艺上尽可能减轻负序电流的危害。目前各制造厂对大型汽轮发电机均在转子两端装设了梳齿型半阻尼系统，但对于大齿区域影响不大。(4)对运行而言，应注意不对称运行时，负荷最重的相电流不应超过汽轮发电机的额定值。而且各相电流差与额定电流之比也不能超过10，否则应降低发电机的出力。16三、汽轮发电机不对称负荷的容许范围 汽轮发电机不对称负荷容许范围的确定主要决定于下列三个条件。 (1)负荷最重一相的电流，不应超过发电机的额定电流。 (2)转子最热点的温度不应超过容许温度。 (3)不对称运行时
10、的机械振动不应超过容许范围我国国家标准GB706486汽轮发电机通用技术条件，对汽轮发电机连续运行的和短时运行的负序电流允许值规定如表53所示。17 四、600MW级汽轮发电机的负序能力 目前我国生产的QFSN6002型汽轮发电机的负序能力，与世界各国的相一致，其稳态负序能力I2(标么值)多数为8，暂态负序能力I22t都等于10由下式决定：发电机三相电流不平衡，在最大相电流不大于额定电流的条件下，当负序电流超过8的额定电流时，允许按表55的规定短时运行。发电机运行时的负序能力，也应以制造厂提供的技术数据为依据。 18 当发电机不对称运行，负序电流超过允许值时，应尽力设法减小不平衡电流(如减小发
11、电机出力等)至允许值，如不平衡电流所允许时间已到达，则应立即将发电机解列。19 第三节第三节 汽轮发电机的失磁运行汽轮发电机的失磁运行 汽轮发电机的失磁运行，是指这种发电机失去励磁后，仍带有一定的有功功率，以低滑差与系统继续并联运行，即进入失励后的异步运行。 同步发电机突然部分的或全部的失去励磁称为失磁，是较常见的故障之一。引起发电机失磁的原因主要有以下几种。 (1)励磁回路开路，如自动励磁开关误跳闸、励磁调节装置的自动开关误动、可控硅励磁装置中的元件损坏等。 (2)励磁绕组短路。 (3)运行人员误操作等。 20发电机失去励磁以后，由于转子励磁电流IF或发电机感应电动势Eq逐渐减小，使发电机电
12、磁功率或电磁转矩相应减小。而汽轮机输入转矩还未来得及减小，因而在剩余加速转矩的作用下，发电机进入失步状态。当发电机超过同步转速时，发电机的转子与定子三相电流产生的旋转磁场之间有了相对运动，于是在转子绕组、阻尼绕组、转子本体及槽楔中，将感应出频率等于滑差频率的交变电动势和电流，并由这些电流与定子磁场相互作用而产生制动的异步转矩。21当某一转差下产生的异步转矩与汽轮机输入转矩(其值因调速器在电机转速升高时会自动关小汽门而比原先数值小)重新平衡时，发电机就进入稳定的异步运行。发电机失磁后，虽然能过渡到稳定的异步运行，能向系统输送一定的有功功率，并且在进入异步运行后，若能及时排除励磁故障，恢复正常励磁
13、，亦能很快地自动进入同步运行，对系统的安全与稳定都有好处。22但发电机失磁后，能否在短时间内无励磁运行，应受到多种因素限制。发电机失磁后，从送出无功功率转变为大量吸收系统无功功率，这样在系统无功功率不足时，将造成系统电压显著下降。从国内外试验资料表明，发电机失磁后吸收的无功功率，相当于失磁前它所发出的有功功率的数量。由于失磁后发电机转变成吸收无功功率，发电机定子端部发热增大，可能引起局部过热，往往成为异步运行的主要限制因素。23发电机失磁异步运行时，转子温升一般不是限制异步运行的主要因素。此外，由于转子的电磁不对称所产生的脉动转矩，将引起机组和基础振动。因此，某一台发电机能否失磁运行、异步运行
14、时间的长短和送出功率的多少，只能根据发电机的型式、参数、转子回路连接方式(与失磁状态有关)以及系统情况等进行具体分析，并经过试验后才能确定。 对于大容量发电机，由于其满负荷运行失磁后，从系统吸收较大的无功功率，往往对系统的影响比较大，所以大型发电机一般不允许无励磁运行，在失磁后，通过失磁保护动作于跳闸，将发电机与电网解列。发电机失磁保护：反应发电机全失磁或部分失磁，发电机失磁保护：反应发电机全失磁或部分失磁，24 1发电机失磁后观察到的现象主要有： (1)转子电流表的指示降为零或降到接近于零； (2)定子电流表摆动且指示增大； (3)有功功率表指示减小且也发生摆动； (4)无功功率表指示负值，
15、功率因数表指示进相，发电机母线电压表指示值下降并摆动； (5)转子各部分温度升高。25 四、对失磁故障的处理 (1)对于未作出允许失磁的发电机，应作为不允许失磁运行处理。处理方法是利用失磁保护将严重失磁的发电机出口断路器跳闸、解列，若失磁保护未动作，应立即手动解列停机，查明原因并加以消除。 (2)对于已确认可以失磁运行的发电机，应作如下处理： 1)出现失磁异步运行时，在3min内，将负荷减至40，允许继续运行10min。 2)监视发电机定子电流不应超过额定值的110，同时监视发电机定子端部温度不应超过允许值。 3)设法迅速恢复励磁电流。如励磁调节器不能正常工作，应转换至感应调压器电源提供励磁，
16、如仍不行，则应启用备用励磁电源。 4)异步运行中，监视发电机端电压应不低于额定电压的90。26我厂发电机具有失磁异步运行能力。如得到汽轮机、锅炉的配合，发电机失磁后在60s内，将负荷减至0.6倍额定有功功率；在90s内减至0.4倍额定有功功率，定子电流1.01.1倍IN的允许运行时间为15min。27 进相运行的基本概念进相运行的基本概念 随着电力系统不断发展，输电线路电压等级越来越高，输电距离越来越长，因而线间及线对地的电容加大，对于500KV每100公里线路大约可产生120Mvar的无功功率。加之有的配电网络使用了电缆线路，从而引起了电力系统电容电流以及容性无功功率的增长。尤其在节假日、午
17、夜等低负荷期间，线路所产生的无功功率过剩，使得电力系统的电压上升，以致超过容许范围。 曾考虑采用并联电抗器或同步调相机来吸收这部分剩余无功功率，但有一定限度，且增加了设备投资。因此早在50年代，国外就开始试验研究大容量发电机的进相运行，用以吸收过剩的无功功率并进行电压调整。28 图141(a)表示发电机直接接于无限大容量系统的情况。设其端电压UG恒定，并设发电机电势为Eq，负荷电流为，功率因数角为，这时调节励磁电流iF，Eq随之变化，功率因数角也在变化。如增加励磁电流，Eq变大，此时负荷电流产生去磁电枢反应，功率因数角是滞后的，发电机向系统输送有功功率和无功功率，这种运行状态称为迟相运行。29
18、 反之，如图141(b)所示，减少励磁电流iF，使发电机电势Eq减小，功率因数角超前，发电机负荷电流；产生助磁电枢反应，发电机向系统输送有功功率，但吸收无功功率，这种运行状态称为进相运行。30 发电机从迟相转为进相运行时，静态稳定储备下降，端部发热严重。在一定功率因数下，端部漏磁通约与发电机的出力成正比，如图721所示。因此，欲保持一定的静态稳定储备，保持端部发热为一定值，随着进相程度的增大，出力应相应降低。图722表示大型机组功率因数变化时的允许出力(有功和无功)。31从图上很明显地看出，当发电机由迟相转入进相运行时，随着功率因数的降低，发电机允许的出力剧烈下降( (运行应在运行应在P-QP
19、-Q曲线内曲线内) )。 值得提起的是，目前大型发电机已采取多种措施来减少端部发热，例如：采用非磁性钢的转子护环、采用铜板屏蔽、开槽分割以限制涡流通路等等。采用上述措施后，可降低进相运行时的端部温升，从而提高进相运行时的允许功率。 32 同步发电机进相运行，从理论上讲是可行的，但由于发电机的类型、结构、冷却方式及容量等不同，容许输送多少有功功率和吸收多少无功功率，理论上的计算还是不够精确的。进相运行中要考虑的问题之一是解决系统稳定性降低；其二是进相运行中要考虑的问题之一是解决系统稳定性降低；其二是解决发电机端部漏磁引起的定子发热；其三是解决发电机端电压的下降。解决发电机端部漏磁引起的定子发热；
20、其三是解决发电机端电压的下降。我厂发电机具有进相运行能力，发电机能在进相功率因数（超前）为0.95时长期带额定有功功率连续运行，各部件温度和温升不超过允许值。33第五节第五节 发电机失步运行发电机失步运行一、发电机失步影响 (1)600MW汽轮发电机失步运行，会产生很大的有功和无功功率的振荡，对系统产生强烈的扰动。 经计算，如某工程有功功率的振荡幅度为2.54倍发电机额定功率，无功功率振荡幅度达3.82倍发电机视在功率。 (2)发电机失步引起的振荡电流很大，威协着机组和电力设备的安全。 经计算，最严重的情况是功角为180，系统振荡电流最大，可达3.80倍发电机额定电流。振荡电流引起的发热，大于
21、短路时发热对发电机或电力设备的损害。3435另外，振荡电流引起机组及其他电力设备持续而又强烈的振动。(3)发电机失步，会引起系统某些地方电压严重降低而被迫甩负荷。 600MW机组失步，是一个非常严重的异常运行方式，直接关系到机组和电网的安全，影响到系统电压、频率和潮流的稳定。在设计中应专门进行有关系统稳定的计算，在机组配套中应选用可靠的保护装置。发电机失步保护：反应发电机和系统之间的失步。发电机失步保护：反应发电机和系统之间的失步。36二、国外研究与经验 英国的理论研究认为，在系统失步时，将使汽轮发电机组的电磁力矩达到满负荷时力矩的3倍(即3标么值)，在汽轮机与发电机轴间连接靠背轮的相应最大机
22、械力矩为25标么值。 美国认为，在系统失步运行时，将使汽轮发电机组的电磁应力超过5标么值，因此发电机组要装设失步保护，并在第一个振荡周期时将发电机与电网解列。而有的国家则认为，系统对短时间的失步运行，在一定限制条件下是允许的，主要目的是为了采取某些措施后，能够使其再同步运行，以保持电网的完整性。37法国对大机组允许1520个振荡周期的失步运行。元宝山电厂进口的法国300MW机组，使用BBC的保护，当系统失步后，每一振荡周期都小于2s，振荡延续时间达20s时后发出跳闸；而600MW机组的失步保护反应在5min内，当每次振荡角度超过150 、振荡周期超过20个时后发出跳闸。 前苏联则规定，大机组失
23、步运行超过20s时跳闸，有的国家没有考虑在大机组上装设失步保护，如从日本进口的陡河电厂250MW机组及从比利时进口的姚孟电厂300MW机组等皆没有考虑采用失步保护。382.1.1.7 发电机经升压变压器接入220kV系统，升压变阻抗为14，系统短路电流按50kA考虑。2.1.1.8 发电机能在满负荷，105额定电压下承受主变高压侧单相接地短路故障，还能在105额定电压和满负荷（相应的保护动作时间内，不大于10s）情况下承受住发电机端的三相短路故障。392.1.1.9 发电机定子出线端数目为6个，发电机定子出线相序从励磁端往发电机看从右到左为A、B、C（暂定，相序排列与设计院协商后确定）。发电机
24、转子的旋转方向与汽轮机旋转方向相同，由汽端向励端看为顺时针。2.1.1.10 发电机中性点经变压器二次侧电阻接地。定子出线端头对地绝缘按额定电压(20kV)等级设计，具有相同的绝缘水平和良好的密封性能。2.1.1.12 发电机轴承排油温度不超过65，轴瓦金属最高温度不超过90。402.1.1.13 发电机各部位允许振动值1） 轴振动值：发电机轴颈在水平、垂直二个方向双振幅相对振动值，在额定转速下运行时0.05mm；过临界转速0.15mm。发电机轴颈振动测量装置由汽机厂统一负责提供，发电机厂负责相关的配合工作。发电机备有装设拾振器的位置及其安装支架并配供测速齿盘，以便装设轴振动监测仪表和测速装置。2） 定子铁心、绕组端部和机座振动的固有频率避开基频和倍频10以上；定子铁芯的固有频率应避开倍频10%以上；定子绕组端部和机座振动的自振频率应避开倍频+20%以上和-10%以下。定子铁心振幅30m，机座振幅10m。临界转速离开额定转速的20，通过临界转速时，轴颈振动值不大于0.15mm。41 5.1 大型机组低频率运行时对机组、电网各有什么影响? 5.2 汽轮发电机的失磁运行有哪些原因?过渡到稳定的异步运行有什么限制? 5.3 汽轮发电机的进相运行有哪些限制? 5.4 汽轮发电机失步运行有哪些危害?42本章结束点此进入下一章
