第九章 同步发电机的运行

1、发电厂电气部分电子教案第九章第九章 同步发电机的运行同步发电机的运行发同步发电机正常运行、非正常运行、发同步发电机正常运行、非正常运行、特殊运行方式的性能特殊运行方式的性能 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值 二、运行参数不同于额定参数时发电机的运行二、运行参数不同于额定参数时发电机的运行 在运行中不要发生电气损坏、机械故障和使电气设备缩在运行中不要发生电气损坏、机械故障和使电气设备缩短寿命，即定子绕组、转子绕组、铁心温度都不超过允许值，短寿命，即定子绕组、转子绕组、铁心温度都不超过允许值，各部分产生的应力都不超过允许限度。各部分产生的应力都不超过允许限度。 1

2、 1冷却介质不同于额定值时对额定容量的影响冷却介质不同于额定值时对额定容量的影响 允许负荷可随冷却介质温度变化而增减。但应符合定、转允许负荷可随冷却介质温度变化而增减。但应符合定、转子绕组温度不超过允许限值。子绕组温度不超过允许限值。 表表9-29-2给出了不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流允许倍数。给出了不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流允许倍数。 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值表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 0() 20 30 40 50 60 IIN 1.22 l.22 1.00 0.87 0.71 IrINr 1.1

3、1 1.05 1.00 0.95 0.88由表由表9-29-2可看出，随着冷却介质温度的升高，允许出力下降！可看出，随着冷却介质温度的升高，允许出力下降！图图9-29-2给出了它们之间的关系曲线。给出了它们之间的关系曲线。第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值图9-2冷却介质变化时的允许出力 当冷却介质温度高于额定值时应降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输出功率，以应按定子电流限制来减小输出功率，转子绕组温度此时不会超过允许值；转子绕组温度此时不会超过允许值； 当冷却介质温度低

4、于额定值时，定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输应按转子电流允许增大的倍数来提高输出功率，此时定子绕组温度不会超过允出功率，此时定子绕组温度不会超过允许值。许值。 基本特性：基本特性：冷却介质温度比额定值冷却介质温度比额定值每低每低11所能增加的电流倍数，较所能增加的电流倍数，较之冷却介质比额定值每高之冷却介质比额定值每高11所应所应降低的电流倍数小。降低的电流倍数小。 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值 2 2端电压不同于额定值时发电机的运行端电压不同于额定值时发

5、电机的运行 发电机正常运行的端电压，允许在额定电压发电机正常运行的端电压，允许在额定电压5 5范围内变动。范围内变动。 原则：原则：保证输出功率不变！保证输出功率不变！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。 发热限制！发热限制！ 当发电机运行电压低于95以下运行时，定子电流不应超过额定值的5。此时发电机要降低输出功率。（发电机运行电压的下限一般不应低于额定值的90。） 当发电机运行电压高于额定值，升高到105以上时，其输出功率须相应降低。 最高值不得超过额定值的最高值不得超过额定值的110110。 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额

6、定值 3 3运行频率不同于额定值时发电机的运行运行频率不同于额定值时发电机的运行 规程规定：发电机运行频率允许变动范围是规程规定：发电机运行频率允许变动范围是0.5Hz0.5Hz。 (1)(1)运行频率比额定值高运行频率比额定值高 可能使转子某些部件损坏 效率下降频率增高主要是受转子机械强度的限制。频率增高主要是受转子机械强度的限制。(2)(2)运行频率比额定值低运行频率比额定值低 转速下降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； 为了维持额定电压不变就得增加磁通漏磁增加产生局部过热； 可能使汽轮机叶片损坏； 厂用机械输出功率受限。 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值

7、同步发电机的参数及其额定值4 4功率因数不同于额定值时发电机的运行功率因数不同于额定值时发电机的运行受下列条件的限制：受下列条件的限制：(1)(1)高于额定功率因数时，定子电流不应超过允许值；高于额定功率因数时，定子电流不应超过允许值；(2)(2)低于额定功率因数时，转子电流不应超过允许值；低于额定功率因数时，转子电流不应超过允许值；(3)(3)在进相功率因数运行时，应受到稳定极限的限制。在进相功率因数运行时，应受到稳定极限的限制。第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值三、大型同步发电机参数的特点和发展趋势 1.1.参数的特点参数的特点机组阻抗大机组阻抗大暂态电抗和

8、次暂态电抗大（较同容量水轮发电机稍小）暂态电抗和次暂态电抗大（较同容量水轮发电机稍小）同步发电机定子非周期电流衰减时间常数同步发电机定子非周期电流衰减时间常数TaTa较小较小机械时间常数机械时间常数TmTm随着单机容量的增大而减小随着单机容量的增大而减小 2.2.发展趋势发展趋势阻抗增大阻抗增大短路电流减小短路电流减小机械时间常数降低机械时间常数降低对系统稳定带来很不利的影响。对系统稳定带来很不利的影响。 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值 四、阻抗增大和时间常数减小对电力系统运行的影响 1.1.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

9、数减小，将使系统稳定性降低。 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静态稳定储备降低。 第一节第一节 同步发电机的参数及其额定值同步发电机的参数及其额定值 2.2.影响电力系统的暂态稳定主要因素有：发电机和系统的阻抗、影响电力系统的暂态稳定主要因素有：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、短路切除时间等。系统机械时间常数、励磁上升速度、强励倍数、短路切除时间等。系统中发生对称或非对称短路时，发电机的最大电磁转矩几乎和发电机中发生对称或非对称短路时，发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，的暂

10、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。降低，因而使暂态稳定性能降低。如保持同样的极限角，则如保持同样的极限角，则机械时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，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临界切除时间将缩短到原值的1 14 4。 第二节第二节 同步发电机的正常运行同步发电机的正常运行 特点：特点：发电机的有功负荷、无功负荷、电压、电流等都在允许范围以发电机的有功负荷、无功负荷、电压、电流等都在允许范围以内，因而是一种稳定的对称的工作状态内，

11、因而是一种稳定的对称的工作状态 一、发电机的允许运行范围和PQ图 在稳态条件下，发电机的允许运行范围决定于下列4个条件： (1)原动机输出功率极限原动机输出功率极限（原动机的额定功率要稍大于或等于发电机的额定功率）。 (2)发电机的额定容量发电机的额定容量，即由定子发热决定的允许范围。 (3)发电机的磁场和励磁机的最大励磁电流最大励磁电流，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。第二节第二节 同步发电机的正常运行同步发电机的正常运行 发电机的发电机的P-QP-

12、Q图（曲线）：图（曲线）：表示其在各种功率因数下允许的有功功率输出表示其在各种功率因数下允许的有功功率输出P P和允许的无功功率输出和允许的无功功率输出Q Q的关系曲线的关系曲线又称为发电机的安全运行极限。又称为发电机的安全运行极限。图93汽轮发电机的安全运行极限B-C-D-E-F-GB-C-D-E-F-G点的连线。点的连线。还与端电压有关。当还与端电压有关。当端电压比额定值大时端电压比额定值大时如图如图9 93 3所示，曲线所示，曲线中的中的GFGF部分将向左移，部分将向左移，若端电压降低，则若端电压降低，则GFGF部分将向右移。部分将向右移。 第二节第二节 同步发电机的正常运行同步发电机的

13、正常运行 二、同步发电机的正常运行特性（与无穷大系统相连） 最常见的两种工作状态两种工作状态：调整有功功率，维持励磁不变，即调整有功功率，维持励磁不变，即E E。为常数，。为常数，P P为变数；为变数；调整励磁，维持有功功率不变，即调整励磁，维持有功功率不变，即P P为常数，为常数，E E。为变数。为变数。 1 1EqEq为常数，为常数，P P为变数为变数 （1 1）P P 功角功角 ； P P 功角功角 （2 2）P P dP/ddP/d0,0, 发电机稳定运行发电机稳定运行( (max)max)； 若若 maxmax，则，则P P dP/ddP/d0 0，失步（不稳定）；失步（不稳定）；第

14、二节第二节 同步发电机的正常运行同步发电机的正常运行当当=max，则，则PPmaxmax（静态稳定极限）（静态稳定极限）（3 3）P Pmax,稳定储备大。稳定储备大。P 时时要使励磁电流要使励磁电流 Pmax ，保，保持一定的静储备。持一定的静储备。（4 4）coscos =1,Q=0,=1,Q=0,则则coscos=U/=U/EqEq2.2. P P为常数，为常数，EqEq为变数为变数 (1)(1)在在Q=0Q=0时，时，P P 励磁电流越小。励磁电流越小。(2) I(2) If f增大（增大（Q=0Q=0）过励过励输出无功输出无功 I If f Q Q定子电流定子电流coscos 最大值

15、不应超过转子额定电流！最大值不应超过转子额定电流！第二节第二节 同步发电机的正常运行同步发电机的正常运行(3)(3)I If f （Q Q0 0）欠励欠励吸收无功吸收无功I If fQ Q定子电流定子电流coscos 最小值受最小值受= max 900制约。（制约。（Imax=Pxd/U） 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，最小励磁电流等于零。流也越小。没有有功负荷时，最小励磁电流等于零。 第三节第三节 同步发电机的非正常运行同步发电机的非正常运行 同步发电机的非正常运行属于同步发电机的非正

16、常运行属于只允许短时运行的工作状态只允许短时运行的工作状态。 最常见的非正常工作状态最常见的非正常工作状态： 有过负荷有过负荷 异步运行异步运行 不对称运行等不对称运行等。一、发电机的允许过负荷 (1)(1)短时短时(2)(2)不允许经常不允许经常(3)(3)过负荷允许值和时间由厂家规定！过负荷允许值和时间由厂家规定！第三节第三节 同步发电机的非正常运行同步发电机的非正常运行 二、异步运行 常见原因：励磁系统故障励磁系统故障 误切励磁开关而失去励磁误切励磁开关而失去励磁 由于短路使发电机失步等。由于短路使发电机失步等。 导致发电机产生过热！导致发电机产生过热！这种非正常工作状态应受到时间的限制

17、。 一般规定，汽轮发电机的异步运行时间为一般规定，汽轮发电机的异步运行时间为151530min30min。 水轮发电机一般不允许异步运行（或只允许运行几秒钟）。水轮发电机一般不允许异步运行（或只允许运行几秒钟）。 第三节第三节 同步发电机的非正常运行同步发电机的非正常运行三、发电机的不对称运行 原因原因负荷不对称负荷不对称( (电气机车、电弧炉等电气机车、电弧炉等) ) 输电线路不对称输电线路不对称( (断线、不对称短路断线、不对称短路) ) 分类分类长时间不对称运行长时间不对称运行：是指不对称负荷情况；短时不对称运行短时不对称运行：主要指不对称故障时的运行，持续时间极短。对应负荷对应负荷长时

18、间允许负荷，主要决定于下列长时间允许负荷，主要决定于下列3 3个条件个条件： (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。 (3)不对称运行时出现的机械振动不应超过允许范围。短时允许负荷：主要决定于短时允许负荷：主要决定于短路电流中的负序电流负序电流 第三节第三节 同步发电机的非正常运行同步发电机的非正常运行我国规定的发电机不对称运行时的允许电流和持续时间如表我国规定的发电机不对称运行时的允许电流和持续时间如表9-39-3所示。所示。 不对称运行产生问题的主因：不对称运行产生问题的主因：产生负序磁场产生负序磁场对转子有对转子有双倍双倍同步转

19、速的相对运动同步转速的相对运动在转子绕组、在转子绕组、阻尼绕组以及转子本体中感应出阻尼绕组以及转子本体中感应出2 2倍额定频率倍额定频率(100Hz)(100Hz)的电流的电流引引起起转子转子过热和振动过热和振动。第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式问题的提出问题的提出: :电力系统电容电流增加，增大了剩余无功功率，在低负荷时，电力系统电容电流增加，增大了剩余无功功率，在低负荷时，使电网电压上升以致超过允许范围！使电网电压上升以致超过允许范围！解决方法：解决方法：并联电抗器、利用调相机并联电抗器、利用调相机发电机进相运行发电机进相运行一、发电机进相运行的分析 何为进相

20、运行？何为进相运行？ 指发电机发出有功功率，吸收无功功率的稳定运行状态！指发电机发出有功功率，吸收无功功率的稳定运行状态！第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式何为迟相运行？何为迟相运行？既输出有功功率，也输出无功功率的稳定运行状态。既输出有功功率，也输出无功功率的稳定运行状态。 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，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。

21、第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式二、发电机进相运行特点两个！ 发电机端部的漏磁较迟相运行时增大，会造成定子端部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；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。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

22、收的无功功率值是有限制的。应允许吸收的无功功率值是有限制的。第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式 三、进相运行所导致问题分析 1 1静态稳定性的降低静态稳定性的降低 以隐极发电机为例， 设在迟相运行时，发电机的功角为设在迟相运行时，发电机的功角为1 1，进相运行时为，进相运行时为2 2，在运行方式由迟，在运行方式由迟相逐渐过渡到进相时，相逐渐过渡到进相时，I If f EqEq (U(UG G也相应下降一些也相应下降一些) )，X Xd d基本保持不变基本保持不变功功角角 ，从，从1 1增到增到2 2 。此时最大功率点。此时最大功率点Pmaxmax下移下移。在。在=9

23、0=900 0时，时，PM M= = Pmaxmax达达到静态稳定极限到静态稳定极限。此时若。此时若再减少励磁电流，则会失去稳定。再减少励磁电流，则会失去稳定。功角特性功角特性第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式 如果发电机在运行时带上如果发电机在运行时带上AVRAVR，则功角特性会有一些不同，最大电，则功角特性会有一些不同，最大电磁输出功率磁输出功率PmaxPmax会向右移动会向右移动，使得，使得PmaxPmax所对应的功角所对应的功角90900 0。 实际系统中，发电机经变压器、线路接到系统，所以需要计及这些元实际系统中，发电机经变压器、线路接到系统，所以需要计及

24、这些元件的电抗件的电抗( (统称为外部电抗统称为外部电抗Xs)Xs)。此时静态稳定性将进一步降低。此时静态稳定性将进一步降低。 (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)发电机与系统连接紧密时，则进相能力强； (4)系统电压越高，无功储备越大，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。第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式2 2端部漏磁的发热端部漏磁的发热 发电机端部的漏磁发电机端部的漏磁 定子绕组端部漏磁定子绕组端部漏磁 转子绕组端部漏磁转子绕组端部漏磁 影响端部漏磁的

25、因素影响端部漏磁的因素发电机的结构、型式、材料、短路比 定子电流的大小、功率因数的高低 在迟相运行时这种发热是在允许范围内的。在迟相运行时这种发热是在允许范围内的。 进相运行时，进相运行时，随着进相功率的增大，发热越来越严重随着进相功率的增大，发热越来越严重，这是，这是因为端部因为端部合成漏磁通随功率因数的变化而增大所致。合成漏磁通随功率因数的变化而增大所致。第四节第四节 同步发电机的特殊运行方式同步发电机的特殊运行方式着重分析第着重分析第点。点。（1 1）coscos 变化变化 coscos =1=1附近，合成漏磁通附近，合成漏磁通 变化较明显。变化较明显。随着进相，随着进相， coscos 吸收的无功功率吸收的无功功率 发热发热 图9-12端部漏磁通与功率因数关系 图9-13端