工学大型发电机与变压器运行48版本华北电力大学课件

1、大型发电机与变压器运行大型发电机与变压器运行主讲教师：孙丽玲主讲教师：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。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：参考书目： 1.同步发电机运行技术与实践同

2、步发电机运行技术与实践，周德贵，巩北，周德贵，巩北宁主编，中国电力出版社。宁主编，中国电力出版社。 2. 发电机及电气设备发电机及电气设备，国电太原第一热电厂编，国电太原第一热电厂编著，中国电力出版社。著，中国电力出版社。 3.发电机故障诊断及冷却技术发电机故障诊断及冷却技术 论文选集论文选集，中国，中国科学技术出版社。科学技术出版社。 31. 了解大型发电机及变压器运行的基本情况。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。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。掌握同步发电机非正常运行的原因、现象及危

3、害。4. 掌握同步发电机的不对称运行、异步运行的分析方掌握同步发电机的不对称运行、异步运行的分析方法。法。5. 掌握同步发电机的进相运行、过励磁运行时的运行掌握同步发电机的进相运行、过励磁运行时的运行 性能。性能。本课程的教学内容46. 了解汽轮发电机的扭动稳定、扭动振荡及次同步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。谐振的概念。7. 了解变压器的冷却系统及发热计算。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。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。掌握自耦变压器的特点及运行方式。10. 了解分裂绕

4、组变压器的特点。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。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。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：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以及对系统运行的影响；2. 根据发热限度，通过根据发热限度，通过pq图和相量图，分析发电图和相量图，分析发电机在不同情况下的容许负荷。机在不同情况下的容许负荷。3. 结合大系统、大机组的特点，分析发电机正常运结合大系统、大机组的特点

5、，分析发电机正常运行、行、 非正常运行、特殊运行方式非正常运行、特殊运行方式（包括进相运包括进相运行、过励磁等行、过励磁等）的性能。的性能。4. 介绍汽轮发电机轴系扭振和次同步谐振的概念，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。发电机故障诊断技术。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 61.1 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1 1x x、y y、z z引出线；引出线；2 2电流互感器；电流互感器；3 3a a、b b、c c引出线；引出线；4 4永磁副励磁机；永磁副励磁机；5 5主励磁机；主励磁机；6 6励磁机轴承；励磁机轴承；7出线盒；出线盒；8

6、汽体冷却器；汽体冷却器；9碳刷架隔音罩；碳刷架隔音罩；10端部；端部；11机壳；机壳；12测温引线盒；测温引线盒； 一、同步发电机的结构一、同步发电机的结构图图1-1 qfsn1-1 qfsn3003002 2型汽轮发电机组侧视图型汽轮发电机组侧视图 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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和转子。 定子结构：主要由机座、定子铁心、端盖、定定子结构：主要由机座、定子铁心、端盖、定子绕组及氢气冷却器等构成。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、转子结构：主要由转子铁心

7、、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，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。以减少倍频振动。 一、同步发电机的结构一、同步发电机的结构1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 8 在发电机本体醒目的地方设有在发电机本体醒目的地方设有铭牌铭牌。铭牌上标有。铭牌上标有发电机的发电机的额定参数额定参数，这些参数是发电机正常运行的依，这些参数是发电机正常运行的依据。一般有额定功率、

8、电压、电流、功率因数、转速、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。我氢压、励磁电压、励磁电流、连接方式、效率等。我国国产国国产300mw汽轮发电机主要铭牌参数列于表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二、同步发电机的参数及其额定值1. 1. 同步发电机的额定参数同步发电机的额定参数 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 92. 2. 运行参数不同于额定参数时发电机的运行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在发电机运行

9、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。的容许出力或容许电流。 规定的原则是：规定的原则是：在运行中不要发生电气损坏、机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。限度等。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 101 1）冷

10、却介质不同于额定值时对容量的影响）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。在此时，其容许负荷可随冷却介质温度变化而增减。在此情形下，情形下，决定容许负荷的原则决定容许负荷的原则是定子绕组和转子绕组是定子绕组和转子绕组温度都不超过容许值。温度都不超过容许值。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 11 发电机定子绕组的温度发电机定子绕组的温度 由几部分组成：冷却介质的温由几部分组成：冷却介质的温度度 ，由于通风摩擦损耗而引起的温升，由于通风摩擦损耗而引起的温升 ，由于铁耗引

11、起的，由于铁耗引起的温升温升 ，由于铜耗引起的温升，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。用角注电压平方成正比，铜耗与电流平方成正比。用角注“n”表示表示额定状态时的相应温升，则定子绕组的温度额定状态时的相应温升，则定子绕组的温度 ，可用下式表，可用下式表示，即示，即 分析：分析：s0ftfetcuts220)()(nncunnfenfsiituutt（11）1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 12 在额定状态时，即额定电压、额定电流、额定转速、在额定状态时，即额定电压、

12、额定电流、额定转速、额定冷却介质温度时，定子绕组的温度为额定冷却介质温度时，定子绕组的温度为 ，则，则 （12）ns0nsnnfnfencuttt 假定冷却介质温度不同于额定值，发电机在额定电压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下运行，根据定子绕组温度不超过 的原则，令式的原则，令式(1(11)1)中中 ， ，由式，由式(1-2)(1-2)减式减式(1-1)(1-1)，则得发电机的，则得发电机的电流容许倍数为电流容许倍数为 nssnsnuu sncunnfenttii00（13）1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 13 转子绕组的温度为转子绕组的温

13、度为 （14）式中式中: : 转子绕组的温度；转子绕组的温度； 周围介质的温度；周围介质的温度； 转子绕组在额定负荷时的温升；转子绕组在额定负荷时的温升； 转子电流和转子额定电流之比。转子电流和转子额定电流之比。 20)(nrrnrriitr0nrt)(nrrii 冷却介质温度不同于额定值时，转子绕组的温度也要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发生变化。在此情况下，转子绕组温度不超过额定值的转在此情况下，转子绕组温度不超过额定值的转子容许负荷由下式决定，即子容许负荷由下式决定，即（15）0rnrnrnriit1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 14 以某一台发电机为例，

14、定子绕组用沥青云母绝以某一台发电机为例，定子绕组用沥青云母绝缘，缘， =105=105， =40=40， =25=25， =40=40。转子绕组用转子绕组用b b级绝缘，级绝缘， =130=130， =90=90，将上列，将上列数值代入式数值代入式(1-3)(1-3)和式和式(1-5)(1-5)，求得不同冷却介质，求得不同冷却介质温度下定子和转子电流容许倍数，列于表温度下定子和转子电流容许倍数，列于表1-21-2。 例：例：ns0nnfetncutnrnrt表表1-21-2不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流容许倍数不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流容许倍数 （）202030304040

15、505060601.221.221.221.221.001.000.870.870.710.711.111.111.051.051.001.000.950.950.880.880niinrrii1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 15 将表将表1-21-2所示的数值画成曲线，如图所示的数值画成曲线，如图1-21-2所示。所示。 20304050600.80.70.91.01.11.2转子定子)( co,niiriinr图图1-2 冷却介质变化时的容许出力冷却介质变化时的容许出力 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 16结论：（由图结论：（由图1-21-2中可见）中可见）1)1)当冷却介

16、质温度高于额定值时，应降低的定子电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；减小出力，转子绕组温度此时不会超过容许值；2)2)当冷却介质温度低于额定值时当冷却介质温度低于额定值时, ,定子电流可以提高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。数来提高出力，此时定子绕组温度不会超过容许值。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 173)3)虽然各台发电机的温升数

17、据不尽相同，但图虽然各台发电机的温升数据不尽相同，但图1-21-2所表明的基本特性，即冷却介质温度比额定值每低所表明的基本特性，即冷却介质温度比额定值每低11所能增加的电流倍数，较之冷却介质比额定值所能增加的电流倍数，较之冷却介质比额定值每高每高1 1所应降低的电流倍数小。这个原则对一般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

18、根据其温升试验曲线，计算出在不同发电机，可以根据其温升试验曲线，计算出在不同冷却介质温度冷却介质温度( (进口气温进口气温) )下的容许电流值。下的容许电流值。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 182)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电机的运行 发电机正常运行的端电压，容许在额定电压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。范围内变动，此时发电机可保持额定出力不变。当定子电压降低当定子电压降低5%时，定子电流可增加时，定子电流可增加5%；当电压；当电压升高升高5%时，电流也就降低时，电流也就降低5%。在这样的变化范围内

19、，。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。定子绕组和转子绕组的温度不会超过容许值。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 19 当电压低于当电压低于95%以下运行时，定子电流不应超以下运行时，定子电流不应超过额定值的过额定值的5%，此时，发电机要降低出力，否则，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。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，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，升高到发电机运行电压高于额定值，升高到105以上以上时时, ,其出力

20、须相应降低。因为电压升高，铁芯内磁密其出力须相应降低。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，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就要增加励磁电流，致使转子绕组的温度超过容许限度。限度。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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规定，最高值不得超过额定值的110。因为现代。因为现代大容量发电机，都是按相当高的饱和程

21、度设计的，大容量发电机，都是按相当高的饱和程度设计的，当运行电压超过当运行电压超过510时。就会由于过度饱和，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架回路感应出很大电流( (有时可达几万安有时可达几万安) )，在机架，在机架的一些接缝处造成局部发热，甚至引起火花，使机的一些接缝处造成局部发热，甚至引起火花，使机器损坏。器损坏。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 213)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 按照规程规定，发电机运行频率容许变动范围按照规程规定，发

22、电机运行频率容许变动范围是是0.5hz。 运行频率比额定值高时，发电机的转速升高，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，转子承受的离心力增大，可能使转子某些部件损坏，因此因此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。同时，。同时，频率增高，转速增加，通风摩擦损耗也要增大，虽频率增高，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。降低，但总的来说，此时发电机的效率是下降的。 1 1同步发电机的运行同步发

23、电机的运行 22 运行频率比额定值低，也有很多不利影响。例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，使厂用机损坏，厂用电动机也

24、可能由于频率下降，使厂用机械出力受到严重影响。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值的情况节运行。在系统运行频率变化0.5hz的的容许范围内，由于设计有裕度，可不计上述影响，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。容许保持额定出力不变。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 234 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 发电机容许在不同的功率因数下运行，但受下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。列条件的限制。1)

25、1)高于额定功率因数时，定子电流不应超过容许值。高于额定功率因数时，定子电流不应超过容许值。2)2)低于额定功率因数时，转子电流不应超过容许值。低于额定功率因数时，转子电流不应超过容许值。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。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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

26、利用率提高，采用的是直接冷却系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。统，所以总的趋势是阻抗增大，机械时间常数降低。这可解释如下这可解释如下: : 从电机理论中可知从电机理论中可知 baxd式中：式中：a线负荷；线负荷； 极距；极距； b气隙磁密；气隙磁密； 气隙长度。气隙长度。 （16）孙丽玲制作1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 25 从式（从式（1-61-6）可以看出，机组的阻抗与线负荷成）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

27、大，转子绕组中的磁和阻抗越小。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。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所以，从简化电机结构出发，都希望选取较小的气隙。隙。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 26 大型机组的特点是：气隙磁密受到饱和限制，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

28、发值显得较大。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，所以汽轮发电机的荷和极距都较大，所以汽轮发电机的xd d值值(0.9(0.92.0)2.0)仍较水轮发电机的均值仍较水轮发电机的均值(0.7(0.71.6)1.6)大。大。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 27 暂态阻抗暂态阻抗 和次暂态阻抗和次暂态阻抗 值，由转子和定子的值，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。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，所以大型机组中由

29、于力值较大，漏磁通也较大，所以 和和 值也要增大。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，所以汽轮发电轮发电机小，但极距比水轮发电机大，所以汽轮发电机的机的 值值(0.14(0.140.34)0.34)较水轮发电机的较水轮发电机的 值值(0.2(0.20.5)0.5)小。小。 dxdxdxdx dx dx1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 28 同步电机定子非周期电流衰减时间常数由下式决定同步电机定子非周期电流衰减时间常数由下式决定: : aarxt2（17）式中，式中，ra为定子绕组的有效电阻，为

30、定子绕组的有效电阻，x2为电机的负序电为电机的负序电抗，抗，为角频率。为角频率。 同容量的汽轮发电机的同容量的汽轮发电机的 、 值较水轮发电机稍值较水轮发电机稍小，但它的小，但它的ra值远较水轮发电机的值小，所以汽轮发值远较水轮发电机的值小，所以汽轮发电机的电机的ta值值(0.020.5s)比水轮发电机的比水轮发电机的ta值值(0.030.35s)稍大。稍大。 dxdx 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 29 大型机组的大型机组的 ， 和和 值与阻抗及电阻有关，虽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

31、远较一般机组大，较大，所以电阻值远较一般机组大， ， 和和 的的数值显得较小。数值显得较小。 dtdtdt dt at 机械时间常数机械时间常数tm及转动惯量及转动惯量j与转速与转速n的平方成正的平方成正比，而与容量成反比。同容量水轮发电机的比，而与容量成反比。同容量水轮发电机的jn值较汽值较汽轮发电机大，所以水轮发电机的轮发电机大，所以水轮发电机的tm值值(510s)较汽轮发较汽轮发电机的电机的tm值值(34s)大。大。 大型机组的机械时间常数随着单机容量的增大而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减小，由于加强了冷却，大型机组的转动惯量几

32、乎没有多大变化。有多大变化。at1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 at302.2.阻抗增大和时间常数减小对电力系统运行的影响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响。阻抗增大将使系统中短路电流减小(虽然绝对值虽然绝对值仍很大仍很大)，这是有利因素。但在没有励磁控制，这是有利因素。但在没有励磁控制(包括自包括自动电压调节器动电压调节器)的情况下，阻抗增大，机械时间常数的情况下，阻抗增大，机械时间常数减小，将使系统稳定性降低。例如，单机对无穷大容减小，将使系统稳定性降低

33、。例如，单机对无穷大容量系统中，发电机的静稳定极限功率量系统中，发电机的静稳定极限功率 由下式决定由下式决定: : maxp 随着同步发电机容量的增大，其参数也发生变化，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。成不利影响。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 31 sdqxxuepmax式中式中: :u系统母线电压；系统母线电压； xs电网阻抗；电网阻抗； eq发电机电动势。发电机电动势。 由上式可知，若由上式可知，若xd值越大，而值越大，而xs值相对较小值相对较小（即即线路不长线路不

34、长）时，静态稳定极限功率越小，故阻抗增时，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。大，导致静态稳定储备降低。 （18）1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 32 电力系统的暂态稳定和许多因素有关，其中电力系统的暂态稳定和许多因素有关，其中主要主要有：发电机和系统的阻抗、机械时间常数、励磁上升有：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。速度、强励倍数、切断短路时间等等。系统中发生对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，转矩几乎和发电

35、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，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切除时间将缩短到原值的1/4。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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

36、统稳定极限，但往往引起发电机尺寸，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括应用各种类型的自动电压调节器），来改善大型发，来改善大型发电机参数所带来的不利影响。电机参数所带来的不利影响。 经验证明，经验证明，合理选择和整定励磁控制的各种参数，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。在一定程度上可改善对稳定的不利影响。在经济上显在经济上显然要比前一种方法有利的多。然要比前一种方法有利的多。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 34思考题

37、：思考题： 1. 什么是同步发电机的三机同轴励磁系统？什么是同步发电机的三机同轴励磁系统？2. 什么是同步发电机运行的额定工况？发电机的额定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？参数有哪些？3. 当冷却介质、运行电压和运行频率不同于额定值时，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？对同步发电机的运行有何影响？4. 大型同步发电机的参数有何特点？对系统运行有何大型同步发电机的参数有何特点？对系统运行有何影响？影响？1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 351.2 同步发电机的正常运行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

38、行的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，因而它是一种荷、电压、电流等都在容许范围以内，因而它是一种稳定的稳定的、对称的工作状态，其中最常见的是额定工作对称的工作状态，其中最常见的是额定工作状态，即有功负荷，电压、功率因数、频率状态，即有功负荷，电压、功率因数、频率、冷却冷却介介质温度都是额定值。发电机在额定工作状态运行时，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，转矩均匀等性能具有损耗小，效率高，转矩均匀等性能，一般发电机一般发电机都应尽量

39、在接近额定工作状态下运行。都应尽量在接近额定工作状态下运行。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 36 发电机发电机在运行中，有时需要调整各种参数，例如：在运行中，有时需要调整各种参数，例如：要要根据根据调调度制定的负荷曲线来调整有功和无功负荷度制定的负荷曲线来调整有功和无功负荷，用用调速器调整有功功率调速器调整有功功率，用，用励磁调节器调整无功功率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。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

40、快，从空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。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本节主要叙述同步发电机的容许运行范围和运行特性。特性。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 37 1.1.在稳态条件下，决定发电机容许运行范围的条件在稳态条件下，决定发电机容许运行范围的条件1 1）原动机输出功率极限，即原动机的额定功率一般）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。要稍大于或

41、等于发电机的额定功率。2 2）发电机的额定兆伏安数，即由定子发热决定的容）发电机的额定兆伏安数，即由定子发热决定的容 许范围。许范围。一、发电机的容许运行范围和一、发电机的容许运行范围和pq图图 3 3）发电机的磁场和励磁机的最大励磁电流，通常由）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。转子发热决定。4 4）进相运行时的稳定度，当发电机功率因数小而转）进相运行时的稳定度，当发电机功率因数小而转 入进相运行时入进相运行时, eq和和u的夹角不断增大，此时，发的夹角不断增大，此时，发 电机有功功率输出受到静态稳定条件的限制。电机有功功率输出受到静态稳定条件的限制。1 1同步发电机

42、的运行同步发电机的运行 38 发电机的发电机的p pq q曲线曲线，就是表示其在各种功率因，就是表示其在各种功率因数下容许的有功功率输出数下容许的有功功率输出p p和容许的无功功率输出和容许的无功功率输出q q的关系曲线，又称为的关系曲线，又称为发电机的安全运行极限发电机的安全运行极限。 以汽轮发电机的曲线为例，可根据其相量图绘以汽轮发电机的曲线为例，可根据其相量图绘制，如图制，如图1-31-3所示。所示。 2. 发电机的容许运行范围和发电机的容许运行范围和pq图图 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 39 图图1-3 汽轮发电机的安全运行极限汽轮发电机的安全运行极限 apqbgcdefr

43、nuondi xqeqfndeixqdex0.1npncdukxairini1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 40 水轮发电机水轮发电机( (凸极机凸极机) )的安全运行极限和汽轮发电的安全运行极限和汽轮发电机机( (隐极机隐极机) )相类似。所不同者凸极机的电磁功率包括相类似。所不同者凸极机的电磁功率包括两项，如下式所示：两项，如下式所示：2sin)11(2sin2dqdqnxxuxuep（19） 第一项和不饱和的隐极机一样，称为基本分量，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，它是由第二项称为附加分量，它是由xdxq所引起的，所以所引起的，所以凸极机在无励磁电流

44、时凸极机在无励磁电流时（if=0）仍然有电磁功率。仍然有电磁功率。 说明：说明：1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 41 图图1-41-4表示凸极机和隐极机电磁功率和表示凸极机和隐极机电磁功率和的关系。的关系。从图上可见，凸极机和隐极机相比较，凸极机的最大从图上可见，凸极机和隐极机相比较，凸极机的最大电磁功率发生在电磁功率发生在90900 0时，而且其值要比隐极机大。时，而且其值要比隐极机大。 由于凸极机的第二项附由于凸极机的第二项附加分量电磁功率和励磁无关，加分量电磁功率和励磁无关，所以在无励磁时，差不多能所以在无励磁时，差不多能发出发出2525的额定功率，因此的额定功率，因此在进相运行

45、时，其安全运行在进相运行时，其安全运行极限面积要比隐极机大。极限面积要比隐极机大。图图1-4 1-4 凸极机和隐极机电磁凸极机和隐极机电磁功率与功角的关系曲线功率与功角的关系曲线 o90o180o90o180凸极机隐极机0p1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 42二、同步发电机的正常运行特性二、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：整过程中最常见的两种工作状态是：调整有功功率，维持励磁不变调整有功功率，维持励磁不变，即，即eq为为常数，常数，p为为变数；变数；调整励磁，维持有功功率不变调

46、整励磁，维持有功功率不变，即，即p为为常数，常数， eq为为变数。变数。 现分别讨论如下：现分别讨论如下： 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 43 1. 1. eq= =常数，常数，p= =变数变数 增加发电机有功负荷，通常采用加大汽轮机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，功角转矩增大，转子加速，功角因而增大。当原动机因而增大。当原动机转矩与发电机电磁转矩相互平衡时，转矩与发电机电磁转矩相互平衡时，角才能稳定；角才能稳定；反之，当有功功率减小时，反之，当有功功率减小时，角也相应减

47、小。角也相应减小。 假定电动势假定电动势eq是常数，有功功率是常数，有功功率p变化时，其变化时，其轨迹是一个以轨迹是一个以o为圆心，为圆心，eq为半径的圆弧，为半径的圆弧，如图如图1-51-5所示所示。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 44 图图1-5 eq =常数，常数，p=变数时同步发电机的工作状态变数时同步发电机的工作状态a)相量图b)变化曲线1a1b2bc112211i2i01qe1dji x2a2qeua1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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，下降，由于原

48、动机转矩未变，所以电机加速，如如图图1-6所示所示。2. 2. p= =常数，常数，eq = =变数变数1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 46 1qe2qe1a2a1b2bcu11221dxi j11i2io图图1-6 在各种励磁电流情况下发电机的工作状态在各种励磁电流情况下发电机的工作状态 (a)相量图；相量图； b)变化曲线变化曲线 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 47 三、发电机的暂态和动态稳定概念三、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和动态划分阶段进

49、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。概念及励磁调节对其影响作一简要介绍。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 运行中发电机的负荷除有缓慢或微小的变化外，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。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发电机能否保持同步运行就是属于暂态和动态稳定的问

50、题。问题。 48 暂态稳定性主要指发电机在各种短路、接地、线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。的能力。 发生暂态不稳定过程的时间较短，主要发生在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事故后发电机转子第一摆动周期内。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下面说明励磁调节对运行发电机在大扰动中暂态暂态稳定的影响。稳定的影响。 1.1.暂态稳定性暂态稳定性 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 49 假设大扰假设大扰动是由发电机动是由发电机双回线供电线双回

51、线供电线路中的一条发路中的一条发生短路故障引生短路故障引起的。此时发起的。此时发电机功角特性电机功角特性曲线与功角的曲线与功角的变化曲线变化曲线如图如图l- -7所示所示。 pt0iiiiiiabcdefghkr123max1p0t1t2t3t)(a)(b图图1-7 短路故障时功短路故障时功角特性曲线与功角的角特性曲线与功角的变化曲线变化曲线(a) 功角特性曲线功角特性曲线 (b) 功角的变化曲线功角的变化曲线1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 50 强励对暂态稳定性的影响强励对暂态稳定性的影响 图图1-8 强行励磁提高暂态稳定强行励磁提高暂态稳定1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 5

52、1 动态稳定性主要指遭受大扰动后发电机恢复和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。秒到几十秒的时间。2.2.动态稳定性动态稳定性 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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，提高趋向于逐渐增大或

53、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面积；发电机在减速时减弱励磁，减小减速面积。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平息，此即为励磁调节对动态稳定的影响和作用原理。因此，理。因此，自动励磁调节装置保持投人和良好运行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

54、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。一个极为重要的措施。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 53 例：河南某电厂由于大部分发电机的自动励磁例：河南某电厂由于大部分发电机的自动励磁调节器调节器( (包括强励包括强励) )退出了运行，因母线联络断路器退出了运行，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。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

55、强行励磁，就能够使电系统，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。压迅速恢复，保持稳定运行。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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。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，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

56、调节单机有功功率或无功功由于负荷有限，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，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。引起电网电压和频率发生变化。1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 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行的各台发电机的转子加速。随之提高供电

57、频率和电压，直到电网有功功率和无功功率达到供求平衡，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供电频率和电压始终在合格范围，需要适时调整发合格范围，需要适时调整发电机的运行状态。电机的运行状态。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 56 思考题：思考题：1. 同步发电机的正常运行工作状态的特点是什么？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？在调整过程如何

58、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？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在稳态条件下，发电机的容许运行范围由哪几个 条件决定？条件决定？4. 发电机的发电机的pq曲线表示什么？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 行的变化情行的变化情 况。况。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 571.31.3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只容许短时运行的同

59、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，工作状态。此时，发电机的部分参量可能出现异常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。生某种频率的感应电流，引起局部过热等等。最常见最常见的非正常工作状态有过负荷、异步运行、不对称运行的非正常工作状态有过负荷、异步运行、不对称运行等。等。 1 1同步发电机的运行同步发电机的运行 58 一、发电机的容许过负荷一、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前已述及，发电机的定子电流和转子电流均不得超过容许

60、范围超过容许范围（即额定值即额定值）。但在系统发生短路故障，。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，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，发电机只容许短间越长，上述危险性越严重。因此，发电机只容许短时过负荷。时过负荷。1 1同步发电机的运行同步发电机的运