发电厂电气部分第九章-同步发电机的运行PPT课件.ppt

1 发电厂变电所电气主系统 第九章同步发电机的运行 发电厂电气部分 课题组 电力工程学院电气工程系 2 第一节同步发电机的参数及其额定值 一 同步发电机的主要参数 300MW汽轮发电机组采取卧式轴 轴系上带有一台同步发电机 两台励磁机 一台主励磁机 一台副励磁机 图9 1展示了QFSN 300 2型机组的侧视面 其电能由3引出 主励磁机5发出的三相100Hz中频交流电流由该机的定子绕组引出 经可控整流柜整成直流电流 供给主同步发电机的励磁绕组 永磁副励磁机4也是一台小型同步发电机 采取永磁式转子 其定子为三相绕组 发出400 500Hz的交流电流经可控整流柜整流后 供主励磁机转子励磁 这就是所谓三机同轴励磁系统 第九章同步发电机的运行 3 图9 1QFSN 300 2型汽轮发电机组侧视图1 X Y Z引出线 2 电流互感器 3 A 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 第一节同步发电机的参数及其额定值 4 同步发电机根据其设计和制造所规定的条件长期连续工作 称为额定情况 表明额定情况的一些数据有电压 电流 容量 功率因数 转子电流和长期允许温度 冷却介质温度等 均由制造厂家标记在铭牌上 称为发电机的额定参数 二 运行参数不同于额定参数时发电机的运行 运行中的发电机 其允许负荷可随冷却介质温度不同于额定值而增减 决定允许负荷的原则是定子绕组和转子绕组温度都不超过允许值 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 铁耗引起的温升 铜耗引起的温升 假定转子转速恒定 可认为 一 冷却介质不同于额定值时 对额定容量的影响 第一节同步发电机的参数及其额定值 5 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 用下角标 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 9 1 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 9 2 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 则得发电机的电流允许倍数为 9 3 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 铁耗引起的温升 铜耗引起的温升 假定转子转速恒定 可认为 第一节同步发电机的参数及其额定值 6 转子绕组的温度为 9 4 为转子绕组的温度 为周围介质的温度 为转子绕组在额定负荷时的温升 为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允许负荷由下式决定 即 9 5 某发电机 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 求得不同冷却介质温度下定子和转子电流允许倍数及允许出力 列于表9 2及图9 2 第一节同步发电机的参数及其额定值 7 表9 2不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流允许倍数 图9 2冷却介质变化时的允许出力 第一节同步发电机的参数及其额定值 8 从图9 2中可以看出 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允许值 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 所以应按转子电流允许增大的倍数来提高出力 此时定子绕组温度不会超过允许值 虽然各台发电机的温升数据不尽相同 但图9 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允许变化 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 下的允许电流值 第一节同步发电机的参数及其额定值 9 发电机正常运行的端电压 允许在额定电压 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允许值 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允许值 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 二 端电压不同于额定值时 发电机的运行 第一节同步发电机的参数及其额定值 10 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 铁心内磁密度增加 铁耗增加 引起铁心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允许限度 发电机运行的最高允许电压 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5 10 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 第一节同步发电机的参数及其额定值 11 发电机运行频率允许变动范围是 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 三 运行频率不同于额定值时 发电机的运行 运行频率比额定值低 转速下降 使两端风扇鼓进的风量降低 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 使厂用机械出力受到严重影响 第一节同步发电机的参数及其额定值 12 发电机允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 定子电流不应超过允许值 2 低于额定功率因数时 转子电流不应超过允许值 3 在进相功率因数运行时 应受到稳定极限的限制 四 功率因数不同于额定值时 发电机的运行 三 大型同步发电机参数的特点和发展趋势 随着同步发电机容量的增大 其参数也发生变化 主要是阻抗值增大和机械时间常数减小 这对系统稳定带来很不利的影响 第一节同步发电机的参数及其额定值 13 四 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 发电机的静态稳定极限功率由下式决定 9 8 由上式可知 若发电机Xd值越大 而电网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 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 改善大型发电机参数所带来的不利影响 第一节同步发电机的参数及其额定值 14 一 发电机的允许运行范围和P Q图 在稳态条件下 发电机的允许运行范围决定于下列四个条件 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 发电机的额定容量 即由定子发热决定的允许范围 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 进相运行时的稳定度 当发电机功率因数小于零而转入进相运行时 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 第二节同步发电机的正常运行 15 在电力系统中运行的发电机 必须根据系统情况 调节有功和无功输出 在一定定子电压和电流下 当功率因数下降时 发电机有功功率输出减小 无功功率增大 而功率因数上升时则相反 所以运行人员必须掌握功率因数变化时 发电机的允许运行范围 发电机的P Q曲线 就是表示其在各种功率因数下允许的有功功率输出P和允许的无功功率输出Q的关系曲线 又称为发电机的安全运行极限 如图9 3所示 根据定子和转子绕组的允许电流 原动机额定出力的限制和发电机有功功率的输出受到静态稳定的限制等上述安全运行的4个允许条件 将B C D E F G点连成曲线 就构成汽轮发电机的安全运行极限 第二节同步发电机的正常运行 16 图9 3汽轮发电机的安全运行极限 第二节同步发电机的正常运行 17 二 同步发电机的正常运行特性 当P增加时 只有当 0发电机才具有稳定的工作点 如果在 情况下运行 有功负荷增加 增加 由于 0 电磁转矩下降 使角继续增加 最后导致发电机失步 如图9 5所示 一 Eq为常数 P为变数 图9 5Eq为常数 P为变数时同步发电机的工作状态 第二节同步发电机的正常运行 18 当Eq为常数时 对应于的有功功率最大值Pmax 通常称为静态稳定极限 当有功负荷P比Pmax显得越小时 静态稳定储备越大 因此Pmax和Eq成正比 所以在增加有功负荷时 相应地也要增加励磁电流 即增加Pmax 以保持一定的静态稳定储备 如图9 6所示 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 所以发电机加速 此时 功角由增至 相量转至的位置 由于P为常数 所以相量图中A1B1 A2B2 端点A的轨迹是一条与电压互相平行的直线 二 P为常数 Eq为变数 第二节同步发电机的正常运行 19 图9 6在各种励磁电流情况下发电机的工作状态 第二节同步发电机的正常运行 20 当时 用标幺制表示 Q 0 当有功负荷P增大 功角增大 因此在Q 0时 励磁电流也越小 时 发电机处于过励磁状态 向系统输出无功 此时 功角值显得相当小 若励磁电流越大 向系统输送的无功Q和定子电流I也越大 则越小 此时最大励磁电流不应超过转子的额定电流 第二节同步发电机的正常运行 21 有功负荷越小 发电机从系统吸收最大无功功率时所需的励磁电流也越小 没有有功负荷时 最小励磁电流Ifmin等于零 发电机在进相运行时 励磁电流应大于最小电流Ifmin 时 发电机欠励磁运行 从系统吸收无功功率 励磁电流If越小 从系统吸收的无功功率Q越多 定子电流I和功角也越大 则越小 最小励磁电流Ifmin 由 90 决定 计算式 用标幺值表示 为 9 11 第二节同步发电机的正常运行 22 一 发电机的允许过负荷 同步发电机的非正常运行属于只允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 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 发电机的定子电流和转子电流均不得超过允许范围 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 第三节同步发电机的非正常运行 23 或转子都可能短时过负荷 电流超过额定值会使发电机绕组温度有超过允许限度的危险 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 发电机只允许短时过负荷 过负荷数值不仅与持续时间有关 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 所以采用直接冷却绕组的发电机过负荷允许值比采用间接冷却绕组的要小 发电机定子和转子短时过负荷的允许值和允许时间由制造厂家规定 发电机不允许经常过负荷 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 才允许发电机短时过负荷运行 第三节同步发电机的非正常运行 24 水轮发电机一般不允许异步运行 汽轮发电机由于同步电抗xd较大及转差率S甚小 在失步运行时不会大量吸收电网无功功率 而引发发电机端电压下降以及转子损耗过大 故一般可短时 15 30min 处于异步运行状态 然而在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 二 异步运行 同步发电机进入异步运行状态的原因很多 常见的有 励磁系统故障 误切励磁开关而失去励磁 由于短路使发电机失步等 第三节同步发电机的非正常运行 25 三 发电机的不对称运行 发电机的不对称运行可能是负荷不对称 电气机车 电弧炉等 也可能由于输电线路不对称 断线 等等 同步发电机在不对称运行时 定子除有正序磁场外 还有负序磁场 负序磁场对转子有双倍同步转速的相对运动 因此在转子绕组 阻尼绕组以及转子本体中感应出2倍额定频率 100Hz 的电流 引起转子过热和振动 发电机的不对称运行有长时间和短时间两种情况 长时间不对称运行 是指不对称负荷情况 短时不对称 主要指不对称故障时的运行 持续时间极短 所以 不对称运行的允许负荷 也有长时间和短时间之分 第三节同步发电机的非正常运行 26 长时间允许负荷 主要决定于下列三个条件 1 负荷最重相的定子电流 不应超过发电机的额定电流 2 转子最热点的温度 不应超过允许温度 为此 在持续不对称运行时 相电流最大差值对额定电流之比 对汽轮发电机规定不得超过10 水轮发电机不得超过20 或者说 负序电流对额定电流之比 对汽轮发电机不得超过6 水轮发电机不得超过12 3 不对称运行时出现的机械振动 不应超过允许范围 机械振动的允许值 应按制造厂家推荐的标准确定 第三节同步发电机的非正常运行 27 短时允许负荷主要决定于短路电流中的负序电流 由于时间极短 可以认为 负序电流在转子中引起的损耗 全部用于转子表面的温升 不向周围扩散 因此 允许的负序电流和持续时间决定于下式 即 9 12 i2为负序电流瞬时值对额定电流的比值 I2为等值负序电流对额定电流的比值 K为常数 对于空气或氢气外冷发电机 k 30 对于内冷发电机 K值较小 大容量的内冷发电机 K值更小 我国内冷式大型发电机的K值 约在6 10之间 60万kW汽轮发电机的设计值为4 第三节同步发电机的非正常运行 28 一 发电机进相运行的分析 进相运行是相对于发电机迟相运行而言的 此时定子电流超前于端电压 发电机处于欠励磁运行状态 发电机直接与无限大容量电网并联运行时 保持其有功功率恒定 调节励磁电流可以实现这两种运行状态的相互转换 发电机进相运行的相量关系如图9 8所示 此时发电机的功角为 发电机电动势与电网电压相量之间的夹角为 发电机迟相运行时 供给系统有功功率和感性无功功率 其有功功率和无功功率表的指示均为正值 而进相运行时供给系统有功功率和容性无功功率 其有功功率表指示正值 而无功功率表则指示负值 此时从系统吸收感性无功功率 第四节同步发电机的特殊运行方式 29 图9 8发电机进相运行相量图 发电机进相运行时各电磁参数仍然是对称的 并且发电机仍然保持同步转速 因而是属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况 只是拓宽了发电机通常的运行范围 同样 在允许的进相运行限额范围内 只要电力系统需要发电机是可以长时间进相运行的 第四节同步发电机的特殊运行方式 30 发电机进相运行时就其本体而言有两个特点 发电机端部的漏磁较迟相运行时增大 会造成定子端部铁心和金属结构件的温度增高 甚至超过允许的温度限值 进相运行的发电机与电网之间并列运行的稳定性较迟相运行时降低 可能在某一进相深度时达到稳定极限而失步 发电机进相运行时允许承担的电力系统有功功率和相应允许吸收的无功功率值是有限制的 二 发电机进相运行的特点 第四节同步发电机的特殊运行方式 31 发电机进相运行 从理论上分析是可行的 但由于发电机的类型差异 发电厂的电气主接线各异 发电厂和系统连接的紧密程度等原因 在进相运行时允许发出多少有功功率和吸收多少无功功率 理论上的计算结果是近似的 一般要通过运行试验来决定 应注意的问题有 静态稳定性的降低 端部漏磁的发热 三 进相运行所导致问题分析 一 静态稳定性的降低 以隐极发电机为例 设电势为Eq 电抗xd xq 端电压为UG 功率角为 发电机电磁功率为PM 则发电机的功 角关系可用下式表示 9 13 第四节同步发电机的特殊运行方式 32 求导得 9 14 上式可以作为发电机静态稳定的判据 设在迟相运行时 发电机的功角为 进相运行时为 在运行方式由迟相逐渐过渡到进相时 由于励磁电流If下降 引起Eq下降 UG也相应下降一些 而Xd基本保持不变 则功角必然要增加 即从增到 此时最大功率点Pmax会下移 在 90时 PM Pmax达到静态稳定极限 此时若再减少励磁电流 则会失去稳定 第四节同步发电机的特殊运行方式 33 综上所述 得出如下结论 1 带自动电压调节器后 进相能力明显增强 2 发电机短路比大 即xd小 进相能力强 3 发电机与系统联接紧密时 则进相能力强 而边远地区孤立的电厂 发电机进相能力弱 甚至不能进相 4 系统电压越高 无功储备越大 则发电机进相时端电压下降越少 发电机进相运行能力越强 5 机组所带的有功功率越多 则功角越大 静态稳定储备越低 第四节同