发电机运行教学课件

1、 同步发电机的运行 任涛 2014.8 威海同步发电机的运行 一、同步发电机原理概述 二、发电机的正常监视 三、发电机的正常运行 四、发电机非正常运行 五、发电机运行特性一、同步发电机原理概述同步发电机的工作原理（加动画）图示，在同步发电机的定子铁芯内，对称地安放着A-X、B-Y、C-Z三相绕组。每相绕组匝数相等，三相绕组的轴线在空间互差120电角度。 在同步发电机的转子上装有励磁绕组，直流电通过时会产生主磁场，其磁通如图中虚线所示。磁极的形状决定了气隙磁密在空间基本上按正弦规律分布。所以，当原动机带动转子旋转时，就得到一个在空间按正弦规律分布的旋转磁场。定子导线固定不动，旋转磁场磁力线切割定

2、子导线时，导线内感应产生了电动势e，如右图二、发电机的正常监视1、正常运行监视项目（电气量、非电量 ）1.1、非电量：1.1.1、氢温、氢压、氢纯、湿度1.1.2、内冷水压、温度、流量1.1.3、各部温度：定子线棒、层间温度（如果存在温差说明堵塞或泄漏）、定子铁芯温度1.1.4、漏水、局放、微正压装置、轴承温度、振动注意：温升的意义，一方面过低的温升可能是冷却介质短路；另一方面温升上限反应发热密度与冷却能力的极限。1.2、电气量1.2.1、电压：电压变化范围为5%，最高不超过10% 电压过高磁密增加，增加铁损。1.2.2、电流：1）当发电机的电压低于额定值的95%时，定子电流长期运行时不得超过

3、额定值的105%；2）负序电流与额定电流之比不允许超过8%，且最大一相电流不超过额定值 。 电流过高发热、电动力增加； 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以及转子本体中感应出两倍工频的电流。1.2.3、频率：发电机频率应保持在50Hz运 行，其变化范围不超过0.2Hz ，最高不超过0.5Hz。过高的频率增加通风损耗，离心力增加；过低的频率一方面降低冷却效果，一方面使汽机叶片落入共振区而降低寿命。 1.2.4、励磁系统：额定励磁电压、额定励磁电流、空载励磁电压、空载励磁电流。空载即发电机出口开路，只加励磁。71.2.4、其他监测数据1监测发电机定子各部温度2监测定子绕

4、组冷却水总进出水管水温3监测氢冷却器的氢温4监测轴承温度5监测轴系振动6发电机漏水监测7监测机内局部放电的无线射频装置8监测机内氢气的含湿量2、一般问题（运行中可能经常遇到的问题）*第一原则是尽量少的干预机组运行（相对于机炉来说）2.1、DCS方面2.1.1、电压原则：包括母线、发电机、高压厂用电压、低压厂用电压及直流系统电压变化范围应为5%，最高不超过10% ，且启动高负荷设备前应首先提高系统电压。如果可能超过许可的范围，首先检查系统有无异常（如报警、系统频率、三相不平衡等），在许可范围内调节励磁系统改变机端电压，如果是备用变压器带厂用电可以调节有载分接头。若仍无法恢复可尝试适当提高临机电压

5、，或联系值长申请调整负荷分配。2.1.2、电流原则：当发电机的电压低于额定值的95%时，定子电流长期运行时不得超过额定值的105%；负序电流与额定电流之比不允许超过8%，且最大一相电流不超过额定值 。定子电流主要取决于有功负荷与定子电压；转子电流主要是无功功率调整时的一个限制因素。2.1.3、有功、无功： 有功由汽轮机决定，无功一般不是太严格，因此如果发电机温度过高首先降低无功功率，温度仍然较高时，申请值长减有功。 调整无功时，有功不变；调整有功时，无功略有变化。2.1.4、功率因数：电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，

6、即cos=P/S.在实际中，提高功率因数意味着：1)提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这就有利于安全生产。2)可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。3)能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。4)可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。5)因发电机的发电容量的限定，故提高cos也就使发电机能多出有功功率。2.1.5、功角：发电机电动势Eq与端电压U的夹角。另一个物理意义是发电机主磁通（转子产生）与定子磁通的夹角。131监测发电机定子各部温度：线棒温度，铁芯齿部、轭部温度，磁屏蔽2监测定子绕组冷却水总进出水管水温3监测氢冷却器的氢温 注意氢温必须低于

7、定冷水温度，以防止氢中的水结露。同时不能太低，太低也会发生结露。水压大于氢压。4监测轴承温度5监测轴系振动6绝缘电阻：监测轴承座、轴承止动销、轴瓦绝缘衬块、密封支座、中间环、高压进油管及外挡油盖的绝缘电阻7发电机漏水监测8监测机内局部放电的无线射频装置及绝缘过热监测装置（投停步骤）9监测机内氢气的湿度2.2、现场运行2.2.1、漏风（氢）：从机壳、窥视孔、轴端等漏出氢气。 漏氢不但有爆炸的危险，还可能使冷却风未经过发热体而漏出机外使机内冷却效果降低，尤其夏天时可能使局部超温。漏氢包括漏入封闭母线，此种情况由于环境封闭更易产生爆炸。2.2.2、漏液：使机组短路，破坏绝缘 漏液首先可能表现为窥视窗

8、上有液体，一方面可能是结露（停机时），另一方面，运行时微量的漏水形不成水的集聚，但是在窥视孔处与低温空气接触而结露； 还有一种液体是轴承油封失效而将油甩入机内，这种液体对绝缘材料有较高的腐蚀性。油在窥视孔上相对水的粘度较大、较浑浊，或者机内能呈黄色、黑色的污泥状。所有的漏液会汇集到检漏计中。另外，漏液应与白色或透明水滴状的胶质不流动物质相区分，此物质为发电机制造过程中使用的一种胶，其特点是固定不流动。2.2.3、绑带松动：绑带是用来绑扎端部部件和线棒的，其松脱、断裂使线棒之间由于振动而摩擦，可能使绝缘磨损而造成短路（思考：为什么会松动？）2.2.4:、黄粉：黄粉为发电机定子线棒摩擦严重时产生的

9、物质。（对于有窥视孔的发电机正常运行中可检查，必须注意）2.2.5、电晕：简单的说就是尖端放电现象，因此多发于端部、槽口。黑暗情况下为微弱蓝光（极难发现），但是可以从放电部分电场吸附的白色粉末来判断。当有白色粉末附着端部线棒时，说明机内局部电压过高，应及时汇报，待停机后处理。2.2.6:、碳刷：碳刷冒火是励磁电流在碳刷间分配不均匀的表现。原因有弹簧紧力不均匀、碳刷过度磨损、刷握接触不良、滑环脏污、滑环损坏等碳刷冒火大体分为打火、局部环火、环火、着火等阶段。2010.4.15 某厂#5发电机整个刷架烧毁 发生冒火应及时汇报处理。链接图 另外，大轴接地碳刷（现场位置？）的作用：导走由于汽机叶片与蒸

10、汽摩擦产生的静电；并用于转子接地保护。因此如果接触不良，首先转子接地保护将失效；另一方面，大轴集聚过多电荷，当电压足够高时将通过油膜对轴承座放电，此时油膜被破坏轻则化瓦，重则飞车。2.2.7、母线微正压装置：防止共箱封闭母线内集聚粉尘、水汽等，如果失灵可能时共箱封闭母线内接地、短路。2.2.8、局部放电检测装置：检测因放电而产生的气体，2.2.9、绝缘过热装置：2.2.8、钢构件：所有靠近裸露导线的钢构架（尤其是穿墙套管）以及封闭母线的外壳温度都不应超过70 ，否则说明构件接地不良，最终可能造成封母破损、甚至短路。（可用短路环，运行中测温）三、发电机的正常运行（详见后文）1、正常运行范围（稳定

11、运行范围）1.1、发电机稳定运行范围1.1.1、原动机输出功率限制1.1.2、发电机额定容量，即定子电流（发热、电动力、定子铁芯发热*）1.1.3、发电机最大励磁电流，即转子电流（发热、电动力、转子铁芯发热）1.1.4、进相运行时的稳定度*E=BLv ，Q=I2Rt，F=BIL,铁损主要与B、f有关四、发电机非正常运行1、频率异常1.1、危害： 1）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、轴系自振频率与转速发生机械谐振，那么叶片、轴系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。 2）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

12、；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。2、不对称运行 不对称运行，三相电流、电压大小不相等，相位不是120。 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。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，所以相同情况下产生更高的热量。3、失磁 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，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） 试验资料表明，发电机失磁后吸收的无功功率，相当于失磁

13、前它所发出的有功功率的数量，所以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。 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。4、进相 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。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*。*失磁与进相的区别就在于励磁电流是否正常。5、振荡与失步 5.1、振荡：即发电机负荷、电压、电流周期性波动。振荡有两种类型：一种是振荡的幅度越来越小，功角的摆动逐渐衰减，最后稳定在某一新的功角下，仍以同步

14、转速稳定运行，称为同步振荡;另一种是振荡的幅度越来越大，功角不断增大，直至脱出稳定范围，使发电机失步，发电机进入异步运行，称为非同步振荡。失步：即发电机与系统失去同步。25五、发电机运行特性（了解） 一、汽轮发电机的功率和功角关系 设发电机与无限大容量系统母线并联运行(U=常数)，在略去发电机定子电阻，并假设发电机处于不饱和状态，则其等值电路如图41(b)所示。 从等值电路可写出电压方程26 当发电机端电压不变时，Xd亦不变。若励磁电流不变，则发电机电动势Eq也不变。因此，由式可知，当发电机端电压U和励磁电流都不变，而只改变原动机转矩时，发电机的输出功率P与功角之间的关系为一正弦函数变化关系，

15、其关系曲线称为同步发电机的功角特性，如图42所示。当90时，电磁功率达最大值，其值为27二、静态稳定概念 发电机与无限大容量系统并联运行，汽轮机输出功率为P1时，电磁功率Pe即发电机的输出功率P。与功角之间的关系为一正弦函数变化的功角特性曲线。它们有两个交点，即a点和b点(见图4-2)。相应的功角分别为a和b。在这两个功率平衡点是否都能稳定工作呢?如果在某一点工作时受到小的扰动(如负荷、电压、励磁、原动机等的波动)后，能恢复到原来的工作点，人们就称这一工作点是静态稳定的；反之，如果在某一工作点工作时，受小的扰动后，不能回到原来的工作点，人们就称这一工作点是静态不稳定的。28 1）在图中，发电机

16、运行于a点，此时输入输出相等即汽轮机功率与发电机输出功率平衡P1=Pe。假设某原因引起功角产生微小增量 ，则发电机输出功率增加P，即发电机电磁转矩大于汽轮机转矩，因此转子减速，从而Eq与U的功角变小，最终回到a点；当 为负值时， P减小，汽轮机转矩大于电磁转矩，因此转子加速， 将增大，最终也回到a点。综上，a点是稳定工作点。 2）在图中，发电机运行于b点。若产生微小增量 ，发电机输出功率减小P，即电磁转矩小于汽机转矩，转子加速，功角增大，从而使发电机工作点进一步远离b点，最终失去同步；当 为负值时， P增加，电磁转矩大于汽机转矩，转子减速，功角进一步减小最终回到a点而平衡。但是实际运行随时功角

17、都可能减小，所以b点不是稳定工作点。 综上， 90时发电机不能稳定工作，为非稳定区。所以，在实际运行中要运行于稳定极限范围内，并有一定的静态稳定储备，一般正常运行的功角为3045。 3）但实际上发电机是与系统并联运行的，因此极限功率表达式为 所以极限功率Pmax随着外电抗的增大而减小，同时Eq与U的夹角随着X的增大而增大，因此静态稳定储备随之降低。这意味着系统越大（负载），静稳定性越差当系统发生短路等异常时（X大幅减小）静态稳定性变差。因此要求系统故障时应迅速切除故障。三、暂态稳定1、暂态稳定是指输电系统发生突然的急遽的大扰动时，发电机继续维持稳定运行的能力。即能否回到原来的运行状态，或者过渡

18、到另一个稳定状态运行。2、以下图为例X=Xd+Xt+XL/2，X为总阻抗，Xd为发电机内阻抗，Xt为变压器阻抗，XL为线路阻抗。当其中一条线路短路时，X2=Xd+Xt，当其中一条线路故障切除后，X3=Xd+Xt+XL， 用P、P、P分别表示正常运行时、发生短路时和短路切除后发电机向系统传输的电磁功率。正常运行时，发电机处a，发生短路到达b点后，原动机的机械功率PT大于发电机的电磁功率Pe，转子开始加速，功角增大，运行点沿着短路的功角特性曲线P移动。当功角增大至c时，切除故障线路。由于功角不能突变仍为c ，运行点从P上的c点跃升到短路切除后的功角特性曲线P上的e点。到达e点后，机械功率PT小于电

19、磁功率Pe，转子开始减速。但由于运行点到达e点之前，转子的转速已大于同步速，使功角仍要继续增大。运行点将沿着功角特性曲线P由e点向f点移动。在移动过程中，机械功率PT始终小于电磁功率Pe，转子始终在减速。直至抵达f点，转子转速减小为同步速，功角才不再继续增大，这时的功角为最大功角max在f点，转子继续减速，功角开始减小，运行点沿P从f点向e、k点移动。32越过k点后，又出现PT大于Pe的情况，转子又开始加速，但又由于由f点向k点移动过程中转子始终在减速，运行点越过k点时，转子转速小于同步速，功角仍继续减小。功角一直减小到转子转速再一次抵达同步速。然后又开始第二次振荡。由于阻尼作用，振荡将逐渐衰

20、减，系统最终停留在一个新的运行点k上继续运行。 33当短路故障切除较迟时，其暂态过程如图124所示。这时，虽然切除短路瞬间运行点仍由功角特性曲线P上的c点跃升到P上的e点，但由于故障切除较迟，运行点跃升到P后。可能出现这样的情况：运行点沿曲线P不断向功角增大的方向移动，虽然在移动的过程中转子在不断减速，但到达k点时转子转速仍大于同步速。于是，运行点就要越过k点。越过k点后，机械功率PT又重新大于电磁功率Pe，转子重新加速，功角无限增大，导致发电厂与系统之间失去同步。因此，要提高发电机暂态稳定性应从如下几方面考虑(1)快速切除短路故障。快速切除短路故障，既减小了加速面积，又增大了可能的减速面积。

21、(2)采用自动重合闸。(3)采用联锁切机。在输电线路发生事故跳闸或重合闸失败时，联锁切除线路送电端发电厂的部分机组，使减速面积增大。若受端系统备用电源不足，为防止系统频率下降，应考虑切机的同时再联切受端部分负荷。 (4)快速关闭汽门。(5)强行励磁。在系统发生故障时，为防止机端电压急剧下降，由自动调节励磁装置对发电机实行强行励磁。强行励磁电压倍数越大，励磁电压增长速度越快，效果就越显著。35(5)强行励磁。在系统发生故障时，为防止机端电压急剧下降，由自动调节励磁装置对发电机实行强行励磁。强行励磁电压倍数越大，励磁电压增长速度越快，效果就越显著。 (6)电气制动。系统发生短路故障时，投入制动电阻，消耗过剩功率，使不平衡功率减小。(7)正确选择系统接线方式和运行方式。如在长距离输电线路途中设置开关站、采用单元接线、采用双回路供电、采用强行串联电容补偿，使变压器中性点经小电阻接地、避免远距离大环状供电等均有利于提高系统的暂态稳定性。(8)尽量减少系统稳定破坏带来的损失和影