大型发电机与变压器运行本 华北电力大学

大型发电机与变压器运行本华北电力大学第1页/共388页21.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。3.掌握同步发电机非正常运行的原因、现象及危害。4.掌握同步发电机的不对称运行、异步运行的分析方法。5.掌握同步发电机的进相运行、过励磁运行时的运行性能。本课程的教学内容第2页/共388页36.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。7.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。9.掌握自耦变压器的特点及运行方式。10.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。13.了解变压器的常见故障与故障检测技术。本课程的教学内容第3页/共388页4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，参数以及对系统运行的影响；2.

根据发热限度，通过P－Q图和相量图，分析发电机在不同情况下的容许负荷。3.

结合大系统、大机组的特点，分析发电机正常运行、非正常运行、特殊运行方式（包括进相运行、过励磁等）的性能。4.

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。§1同步发电机的运行

第4页/共388页5§1.1

同步发电机的参数及其额定值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；

一、同步发电机的结构图1-1QFSN—300—2型汽轮发电机组侧视图

§1同步发电机的运行

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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。转子结构：主要由转子铁心、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，以减少倍频振动。一、同步发电机的结构§1同步发电机的运行

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在发电机本体醒目的地方设有铭牌。铭牌上标有发电机的额定参数，这些参数是发电机正常运行的依据。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。我国国产300MW汽轮发电机主要铭牌参数列于表1－1。

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1.同步发电机的额定参数§1同步发电机的运行

第7页/共388页82.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，发电机的容许出力或容许电流。

规定的原则是：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。

§1同步发电机的运行

第8页/共388页91）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时，其容许负荷可随冷却介质温度变化而增减。在此情形下，决定容许负荷的原则是定子绕组和转子绕组温度都不超过容许值。

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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，由于铁耗引起的温升，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，铁耗与电压平方成正比，铜耗与电流平方成正比。用角注“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

分析：（1－1）§1同步发电机的运行

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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（1－2）

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，令式(1－1)中，，由式(1-2)减式(1-1)，则得发电机的电流容许倍数为（1－3）§1同步发电机的运行

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转子绕组的温度为（1－4）式中:－转子绕组的温度；－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容许负荷由下式决定，即（1－5）§1同步发电机的运行

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以某一台发电机为例，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℃，将上列数值代入式(1-3)和式(1-5)，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1-2。例：表1-2不同冷却介质温度时发电机定子和转子电流容许倍数（℃）20304050601.221.221.000.870.711.111.051.000.950.88§1同步发电机的运行

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将表1-2所示的数值画成曲线，如图1-2所示。图1-2冷却介质变化时的容许出力

§1同步发电机的运行

第14页/共388页15结论：（由图1-2中可见）1)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容许值；2)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。§1同步发电机的运行

第15页/共388页163)虽然各台发电机的温升数据不尽相同，但图1-2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)下的容许电流值。§1同步发电机的运行

第16页/共388页172)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±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容许值。§1同步发电机的运行

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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容许值。

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％。

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，铁芯内磁密度增加，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，就要增加励磁电流，致使转子绕组的温度超过容许限度。§1同步发电机的运行

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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。§1同步发电机的运行

第19页/共388页203)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。§1同步发电机的运行

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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，厂用电动机也可能由于频率下降，使厂用机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值的情况节运行。在系统运行频率变化±0.5Hz的容许范围内，由于设计有裕度，可不计上述影响，容许保持额定出力不变。§1同步发电机的运行

第21页/共388页224）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，但受下列条件的限制。1)高于额定功率因数时，定子电流不应超过容许值。2)低于额定功率因数时，转子电流不应超过容许值。3)在进相功率因数运行时，应受到稳定极限的限制。§1同步发电机的运行

第22页/共388页23三、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。这可解释如下:

从电机理论中可知

式中：A－线负荷；

τ－极距；

Bδ－气隙磁密；

δ－气隙长度。

（1－6）§1同步发电机的运行

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从式（1-6）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隙。§1同步发电机的运行

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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xd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，但它的线负荷和极距都较大，所以汽轮发电机的xd值(0.9～2.0)仍较水轮发电机的均值(0.7～1.6)大。§1同步发电机的运行

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暂态阻抗和次暂态阻抗值，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。大型机组中由于力值较大，漏磁通也较大，所以和值也要增大。同容量的汽轮发电机的漏磁系数和漏磁路径较水轮发电机小，但极距比水轮发电机大，所以汽轮发电机的值(0.14～0.34)较水轮发电机的值(0.2～0.5)小。§1同步发电机的运行

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同步电机定子非周期电流衰减时间常数由下式决定:

（1－7）式中，ra为定子绕组的有效电阻，x2为电机的负序电抗，ω为角频率。

同容量的汽轮发电机的、值较水轮发电机稍小，但它的ra值远较水轮发电机的值小，所以汽轮发电机的Ta值(0.02～0.5s)比水轮发电机的Ta值(0.03～0.35s)稍大。

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大型机组的，和值与阻抗及电阻有关，虽然阻抗值稍大，但由于加强冷却，采用的电流密度较大，所以电阻值远较一般机组大，

，和的数值显得较小。

机械时间常数Tm及转动惯量J与转速n的平方成正比，而与容量成反比。同容量水轮发电机的Jn值较汽轮发电机大，所以水轮发电机的Tm值(5~10s)较汽轮发电机的Tm值(3~4s)大。

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有多大变化。§1同步发电机的运行

第28页/共388页292.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，发电机的静稳定极限功率由下式决定:

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，对系统稳定造成不利影响。§1同步发电机的运行

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式中:U－系统母线电压；

xs－电网阻抗；

Eq－发电机电动势。

由上式可知，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。

（1－8）§1同步发电机的运行

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电力系统的暂态稳定和许多因素有关，其中主要有：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。系统中发生对称或非对称短路时，在暂态过程中，电机的最大电磁转矩几乎和发电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1/4。

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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（包括应用各种类型的自动电压调节器），来改善大型发电机参数所带来的不利影响。经验证明，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。在经济上显然要比前一种方法有利的多。

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第32页/共388页33思考题：

什么是同步发电机的三机同轴励磁系统？什么是同步发电机运行的额定工况？发电机的额定参数有哪些？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？大型同步发电机的参数有何特点？对系统运行有何影响？§1同步发电机的运行

第33页/共388页34§1.2

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行的工作状态，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，因而它是一种稳定的、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、冷却介质温度都是额定值。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，一般发电机都应尽量在接近额定工作状态下运行。§1同步发电机的运行

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发电机在运行中，有时需要调整各种参数，例如：要根据调度制定的负荷曲线来调整有功和无功负荷，用调速器调整有功功率，用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。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快，从空载到满负荷，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。本节主要叙述同步发电机的容许运行范围和运行特性。§1同步发电机的运行

第35页/共388页36

1.在稳态条件下，决定发电机容许运行范围的条件1）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。2）发电机的额定兆伏安数，即由定子发热决定的容许范围。一、发电机的容许运行范围和P—Q图

3）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。4）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,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。§1同步发电机的运行

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发电机的P－Q曲线，就是表示其在各种功率因数下容许的有功功率输出P和容许的无功功率输出Q的关系曲线，又称为发电机的安全运行极限。

以汽轮发电机的曲线为例，可根据其相量图绘制，如图1-3所示。2.发电机的容许运行范围和P－Q图

§1同步发电机的运行

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图1-3汽轮发电机的安全运行极限

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水轮发电机(凸极机)的安全运行极限和汽轮发电机(隐极机)相类似。所不同者凸极机的电磁功率包括两项，如下式所示：（1－9）

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xd≠xq所引起的，所以凸极机在无励磁电流时（if=0）仍然有电磁功率。

说明：§1同步发电机的运行

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图1-4表示凸极机和隐极机电磁功率和δ的关系。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δ＜900时，而且其值要比隐极机大。

由于凸极机的第二项附加分量电磁功率和励磁无关，所以在无励磁时，差不多能发出25％的额定功率，因此在进相运行时，其安全运行极限面积要比隐极机大。图1-4凸极机和隐极机电磁功率与功角的关系曲线§1同步发电机的运行

第40页/共388页41二、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，在正常调整过程中最常见的两种工作状态是：

①调整有功功率，维持励磁不变，即Eq为常数，P为变数；②调整励磁，维持有功功率不变，即P为常数，Eq为变数。现分别讨论如下：

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1.Eq=常数，P=变数

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，使原动机转矩增大，转子加速，功角δ因而增大。当原动机转矩与发电机电磁转矩相互平衡时，δ角才能稳定；反之，当有功功率减小时，δ角也相应减小。

假定电动势Eq是常数，有功功率P变化时，其轨迹是一个以O为圆心，Eq为半径的圆弧，如图1-5所示。§1同步发电机的运行

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图1-5

Eq=常数，P=变数时同步发电机的工作状态a)相量图b)变化曲线§1同步发电机的运行

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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，如图1-6所示。2.P=常数，Eq

=变数§1同步发电机的运行

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图1-6在各种励磁电流情况下发电机的工作状态

(a)相量图；

b)变化曲线

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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、暂态和动态划分阶段进行研究的，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。§1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，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问题。

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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的能力。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暂态稳定的影响。

1.暂态稳定性§1同步发电机的运行

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假设大扰动是由发电机双回线供电线路中的一条发生短路故障引起的。此时发电机功角特性曲线与功角的变化曲线如图l-7所示。

图1-7短路故障时功角特性曲线与功角的变化曲线(a)功角特性曲线(b)功角的变化曲线§1同步发电机的运行

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强励对暂态稳定性的影响图1-8强行励磁提高暂态稳定§1同步发电机的运行

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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，可持续几秒到几十秒的时间。2.动态稳定性§1同步发电机的运行

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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，以减小加速面积；发电机在减速时减弱励磁，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平息，此即为励磁调节对动态稳定的影响和作用原理。因此，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一个极为重要的措施。

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例：河南某电厂由于大部分发电机的自动励磁调节器(包括强励)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。§1同步发电机的运行

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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。

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，引起电网电压和频率发生变化。§1同步发电机的运行

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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合格范围，需要适时调整发电机的运行状态。§1同步发电机的运行

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思考题：1.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条件决定？4.发电机的P－Q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况。§1同步发电机的运行

第55页/共388页56§1.3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。

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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超过容许范围（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，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，发电机只容许短时过负荷。§1同步发电机的运行

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过负荷数值不仅和持续时间有关，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，所以过负荷容许值比间接冷却的要小。发电机定子和转子短时过负荷的容许值和容许时间由制造厂家规定。

发电机不容许经常过负荷，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，才容许发电机短时过负荷运行。

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二、失磁异步运行

同步发电机失磁异步运行，是指发电机失去励磁后，仍输出一定的有功功率，以低转差(转差率)与电网并联运行的一种特殊运行技术。§1同步发电机的运行

1.什么是同步发电机的失磁异步运行？

第59页/共388页60二、失磁异步运行2.失磁的原因§1同步发电机的运行

发电机突然地部分或全部失去励磁，是发电机励磁回路常见的故障之一。发电机失去励磁的原因，一般是由于励磁回路短路或开路所造成的。例如，主励磁机换向故障、副励磁机回路断线、励磁调节失误、励磁接触器开路、自动励磁调节器故障、集电环过热故障、转子绕组匝间(或相间)短路等，均可造成励磁回路失磁故障。

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当发电机失磁后，采取立即解列以致停机的措施，不是较好的方法。因为突然甩负荷，停机，对电力系统的稳定运行是不利的；而且机组起停次数多，也会降低其使用寿命。基于目前发电机励磁系统的可靠性还较低，失磁异步运行又具有许多优点，因此当发电机失磁时采用异步运行，就显得很有必要。当发电机出现失磁故障时，若能允许短时异步运行，电气人员便可借此机会寻找失磁原因，迅速消除失磁故障，恢复励磁实现再同步，恢复发电机正常运行。这对于减少对用户的停电、确保供电可靠、提高电力系统安全和稳定运行是具有重要意义的。§1同步发电机的运行

3.失磁异步运行的意义第61页/共388页62

1)系统储备容量小可提高供电的可靠性。目前我国电力系统的储备容量尚较小，应用发电机失磁异步运行技术，可以缩小停电面积，提高对用户供电的可靠性，并可减少停电损失。

2)节约能源消耗，延长发电机的使用寿命。应用发电机失磁异步运行后，可减少因失磁造成的解列或起停机的次数，节省起动消耗的能源，并可延长发电机的使用寿命。

§1同步发电机的运行

4.失磁异步运行的优点第62页/共388页63

3)有时间恢复励磁和减少因甩负荷可能引起的故障。若发电机失磁时允许异步运行一定的时间(一般为15～30min)，即可在此时间内查找失磁故障，恢复励磁。同时还可避免或减少因失磁突然甩负荷，可能引起的一些事故或故障。§1同步发电机的运行

第63页/共388页64

1）发电机失磁异步运行限制其输出功率的主要因素，是定子端部铁芯和金属结构件的发热(其发热增长很快)。按照原苏联所得的数据，300MW的发电机定子端部铁芯齿端的发热时间常数约为6min。按照英国在一台588MVA发电机上的实测数据，时间常数约为3min。在定子端部铁芯齿端允许温度为120℃的条件下，输出约40％额定有功功率异步运行的时间约为10～12min；§1同步发电机的运行

5.

失磁异步运行对发电机的影响第64页/共388页65

2）另一个限制发电机失磁异步运行的因素是定子过电流(一般在输出0.5倍额定有功功率下异步运行时，定子电流已达到甚至超过额定电流)。因此，发电机失磁异步运行时，要限制定子电流不得超过额定值。§1同步发电机的运行

发电机失磁异步运行时，转子的发热并不限制发电机的异步运行，而且通常将转于绕组与整流器连接在一起时，转子绕组可能出现的过电压，也不致成为限制异步运行的因素。

第65页/共388页66

发电机失磁异步运行技术早已引起电力工作者的重视，并作了大量的运行实践工作。其结果表明，发电机失去励磁后，将有功功率迅速减小到额定功率的40％～50％，就可能在甚低转差下进人稳态异步运行。目前许多国家都已采用。例如原苏联对于间接冷却50MW及以下的发电机，允许失磁异步运行的时间约为30min；对于直接冷却50～300MW的发电机，当输出功率不超过额定值的40％时，允许异步运行15min。在美国，高于同步转速允许运行的时间一般为2～3min。§1同步发电机的运行

6.失磁异步运行的实例1）国外第66页/共388页67

近10～15年来，捷克、法国、瑞士、英国、原苏联等许多国家，都很重视研究直接冷却大型汽轮发电机的失磁异步运行技术。例如，英国在588MVA、原苏联在200～300MW、法国在250MW、瑞士在169MVA的发电机以及其他的一些机型上，均作了失磁异步运行的试验研究。§1同步发电机的运行

第67页/共388页68

我国1982年在福州召开的第三次全国电机专业会上，将发电机失磁异步运行，列为运行技术攻关项目之一。此后，在TQN100-2型、QFS-125-2型和QFSS-200-2型，即100、125MW和200MW等的大型汽轮发电机上，作了多台次的失磁异步运行试验研究。§1同步发电机的运行

2）我国对发电机失磁异步运行的研究与实践

研究结果表明，就上列三种机型而言，在失磁情况下，输出40％～50％额定有功功率时，可允许运行30～10min。我国国标GB/T7064－1996透平型同步电机技术要求中规定：：300MW及以下的发电机失磁后应在60s内将负荷降至60％，90s内降至40％，总的失磁运行时间不超过15min。600MW及以上的发电机由制造厂与用户协商解决。第68页/共388页69

发电机失磁异步运行的功率和时间，要受到定子端部发热、定子过电流、振动和系统无功功率储备等的限制。因此，要采用失磁异步运行的大型发电机，一般需要经过试验或参照同型发电机的试验结果来确定。§1同步发电机的运行

3)

小结第69页/共388页70

发电机失磁异步运行时，转子的转速高于定子旋转磁场的同步速、有转差s存在，并且为负值；而发电机同步运行时，转于的转速与定子旋转磁场的同步速相等。即s=0，无转差。b)发电机失磁异步运行时，因有转差，在转子各部件要产生感应电流；而同步运行时，因无转差，无感应电流。

§1同步发电机的运行

7.失磁异步运行的过程分析1）发电机失磁异步运行与同步运行的主要区别第70页/共388页71

c)发电机失磁异步运行时，转子绕组中无直流励磁电流，此时的励磁电流为转子中感应的低频电流；而同步运行时转子绕组中为直流励磁电流。§1同步发电机的运行

e)发电机失磁异步运行时．定子和转子的电气量有周期性的摆动；而同步运行时定子和转子的电气量稳定。d)

发电机失磁异步运行时，向电力系统输送有功功率，吸收无功功率；而同步运行时可向系统输送有功功率和无功功率，或输送有功功率，吸收无功功率(进相运行时)。第71页/共388页72

发电机失去励磁后，电磁功率减小，在转子上出现转矩不平衡，促使发电机加速，转子被加速至超出同步转速运行，以致最后失步。当发电机超出同步转速运行时，发电机转子和定子旋转磁场之间有了相对运动，于是在转子绕组、阻尼绕组以及转子的齿与槽楔中，将分别感应出滑差频率的交流电流，这些电流产生制动的异步转矩，发电机开始向电力系统送出有功功率。转速的增大一直继续到出现的制动异步转矩与汽轮机的旋转转矩相等为止。

§1同步发电机的运行

2）发电机失磁异步运行分析第72页/共388页73

图1-9表示发电机的平均异步转矩特性曲线，其中曲线4表示原动机的转矩特性。随着转速升高，调速器动作，减小进汽或进水，因此原动机的输入转矩即由Mm0下降，此时与汽轮发电机的转矩特性1相交于A1点，与有阻尼绕组的水轮发电机的转矩特性2相交于A2点，与无阻尼绕组的水轮发电机的转矩特性3交于A3点。Al、A2、A3即转矩平衡点，这些点决定了稳态异步运行时，有功功率的大小和转差率。§1同步发电机的运行

第73页/共388页74

图1-9发电机平均异步转矩特性

1一汽轮发电机，2一有阻尼绕组水轮发电机3一无阻尼绕组水轮发电机，

4一原动机转矩特性，Mm0－原动机输入转矩

§1同步发电机的运行

第74页/共388页75

如图1-9所示，汽轮发电机具有良好的平均异步转矩特性，因而在千分之几的滑差下，就能达到稳态运行点Al。此时，由于调速器使汽门关闭的幅度很小，因而输出的有功功率仍相当高。

§1同步发电机的运行

在异步运行时，发电机需从系统吸收大量的无功功率，所以，发电机的电压以及附近用户处的电压将要下降。所需无功功率的大小，与发电机的xd以及转差率s相关，xd小，s越小，所需的无功功率也越小。第75页/共388页76

汽轮发电机的xd较大，而s甚小，所需的无功功率也较小，电力系统电压降低很小。所以，汽轮发电机短时内处在这种情况下(有功功率大，转差率小，电压降低不多)作异步运行是容许的，不会出现转子损耗过大，而使电机受到损伤。当励磁恢复后，汽轮发电机又可平稳拉入同步。但是长时间的异步运行也是不容许的，因为会引起发电机定子和铁芯端部过热，转子绕组也由于感应电流产生相当大的热量，引起发热和损伤，所以汽轮发电机的异步运行受到时间限制。一般规定，汽轮发电机的异步运行时间为15～30min。

§1同步发电机的运行

a)

汽轮发电机允许短时异步运行第76页/共388页77

水轮发电机和汽轮发电机不同，异步转矩特性差，当滑差变化很大时，平均异步转矩变化不大，最大平均异步转矩也小于失磁前的原动机转矩，因而只能在滑差相当大时，才能达到稳定运行点A2和A3，如图1-9所示。在这样大的滑差下运行，转子有过热的危险，所以一般是不容许的。§1同步发电机的运行

b)

水轮发电机不允许异步运行及其原因第77页/共388页78

除上述原因外，水轮发电机的同步电抗较小，异步运行时，定子电流很大，所以也应限制其异步运行。当发电机失去励磁后，特别是无阻尼绕组的水轮发电机，转速迅速增加，负荷差不多可以减小到零，所以必须从电力系统中断开。有阻尼绕组的水轮发电机，情况要好一些。但在滑差为3％～5％时，才出现转矩的平衡(图1-9中A2点)，对阻尼绕组有过热的危险，所以只容许运行几秒钟，必须迅速恢复励磁。

§1同步发电机的运行

第78页/共388页79

异步运行是发电机的一种不正常工作状态，但这种非正常工作状态应受到时间的限制。水轮发电机一般不容许异步运行，汽轮发电机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。

§1同步发电机的运行

结论：第79页/共388页80

a)转子电流表指示值为零或接近于零当发电机失去励磁后，转子电流迅速按指数规律衰减，其减小的程度与失磁原因、失磁程度有关。当励磁回路开路失磁时，转子电流表的指示值为零；当励磁回路直接短路或经小电阻短路失磁时，转子回路有交流电流通过，直流电流表有指示，但数值很小，或接近于零。若是由于转子绕组极间(匝间)短路引起的失磁，则转子电流就不为零(或接近于零)了。§1同步发电机的运行

2）发电机失磁异步运行时出现的现象

第80页/共388页81

b)定子电流表的指示值增大和摆动发电机失磁异步运行时，由于需要建立工作磁通(磁化电流)和漏磁通，故使无功功率的分量增大。同时，定子电流以及从电网吸收的无功功率，均随转差s的增大而增加，因而使定子电流明显增大。§1同步发电机的运行

c)有功功率表的指示值减小和摆动

在发电机从失磁转入异步运行的过程中，由于转矩不平衡，引起转子的转速升高，故在调速器失灵区范围以外，调速器自动关小汽门(或导水叶)，使原动机的输人功率减小。此时发电机输出的功率也相应减小，直到原动机的转矩与发电机的异步转矩相平衡时，调速器才停止动作。因此，有功功率表的指示值必然小于失磁前的数值。

第81页/共388页82

d)无功功率表指示负值，发电机端电压降低

发电机失磁转入异步运行后，即成了一台转差为s的异步发电机。此时，一方面向系统输送有功功率，另一方面也从系统吸收无功功率以磁化转子。因此，无功功率指示为负值，功率因数表则指示进相。同时，由于定子电流增大，使线路压降较大，故导致母线电压降低，并随定子电流的摆动而摆动。严重时，将使系统电压大幅度下降，甚至有发生电压崩溃的危险。§1同步发电机的运行

第82页/共388页83

某厂一台SF65-24/6440型水轮发电机，定子额定电压10.5kV，额定电流4205A，额定功率65MW，额定功率因数0.85，转子额定电压198V，额定励磁电流1021A。2000年6月13日停机处理尾水锥管漏水，检修工作结束后，机组于20日起动并入系统运行。

21日事故发生前，全厂发电机带有功功率262MW，无功功率42MVar。其中1号机带有功66MW，无功10MVar；2号机有功64MW，无功11Mvar；3号机有功66MW，无功l0Mvar；4号机有功66MW，无功11Mvar，全厂运行正常。事故简要经过

§1同步发电机的运行

8.一台水轮发电机失磁异步运行事故分析

第83页/共388页84

当日22时34分，运行人员按照l号机停机检修需要作安全措施。操作人、监护人到厂用电400V配电室，将厂用电400V由I段倒为Ⅲ段联络供电运行。厂用电400V备用自投装置不能正常动作，操作人手动合上联络断路器，动作正常。§1同步发电机的运行

运行主值监视厂用机旁盘备用自投装置动作情况。检查到1号机旁盘备用自投装置，动作正常；2号机旁盘备用自投装置，自动动作不正常，手动台上联络断路器，动作正常，继续到3、4号检查，当到2、3号机之间时，听到2号机声音异常，跑回2号机旁盘。看见灭磁开关柜冒烟，立即手动跳开灭磁开关。第84页/共388页85

值班员在中控室监视直流浮充电机情况，在倒厂用电时，发现两套浮充电装置均停运，立即到继保室将其恢复运行，正常。

22时35分2号机比率差动保护、横差保护动作2号油开关跳闸，2号机组事故停机。

§1同步发电机的运行

运行人员检查灭磁电阻烧红，二次接线烤焦。发电机风洞内有焦臭气味，2号油开关有喷油现象。值长立即报告生产部、总工程师、安监人员等。22时50分，有关人员立即到现场进行检查，检测2号机定子绝缘电阻为零，转子绝缘电阻为0.1MΩ。第85页/共388页86

22日上午某电厂机电检修厂，解开该机定子出口和中性点接线，测试其定子绝缘为：A相对地0MΩ，B相对地1800MΩ，c相对地200MΩ。转子绝缘0.1MΩ。拆下发电机上盖板，发现转子上端部阻尼环断裂，定子上端部绝缘损坏。从事故录波图看，发电机无功进相104Mvar，定子电流上升至11008A。

§1同步发电机的运行

第86页/共388页87

1.定子部分

1)定子线圈：定子线圈被异物机械损坏断股、露铜的，上、下两端共计有24只线圈。此外，绝缘损伤深度大于3mm的有79根；2～3mm的有285根；小于2mm的有97根；轻微损伤的有7根；完好无损的仅一根。

2)定子铁芯：定子铁芯7处有不同程度的机械损坏，有一处损坏最严重。

§1同步发电机的运行

事故现场检查结果26日发电机转子吊出机坑，检查结果如下:第87页/共388页88

2.转子部分

1)阻尼环变形损坏，极间连接铜片熔断：转子磁极上、下阻尼铜环变形损坏；磁极中阻尼铜条变形；阻尼铜环极间连接铜片多处变形、过热、有的熔断；

2)转子磁极中阻尼铜条过热：转子磁极中纵向阻尼铜条过热，在磁极铁芯面上，可见沿纵向多处被烧焦的过热点。§1同步发电机的运行

3.其他部分：在灭磁柜中有一只非线性电阻烧坏；二次线烧坏9根；下导轴瓦有擦伤。

第88页/共388页89

事故原因

经过事故调研组、有关制造厂和专业人员，现场共同调研、检查、测试、分析之后认为，造成本次事故的基本原因如下：

§1同步发电机的运行

1.

励磁装置失去电源使转子失磁

21日22时，在切换厂用交流电源时，34分02秒，该机励磁装置的交流电源终断，脉冲源的脉冲消失，励磁装置停止运行，不能供给转子励磁电流；同时全厂直流浮充电机失去交流电源后，蓄电池电压降到了180V，励磁装置24V开关电源不能起振，触发整流柜可控硅的脉冲消失，励磁装置失控，不能工作，供给转子励磁，也致使转子失磁。从失磁到失步历时10s，34分12秒，转子绕组录波图上，出现滑频电流，发电机转入异步运行，转子超速，直至35分32秒，发电机差动保护动作跳主断路器，停机。第89页/共388页90

2.机组失磁保护拒动使事故延续、扩大

分析认为，因静态失磁保护，失磁阻抗继电器的失磁阻抗判据，与动态失磁保护继电器，反应机组补偿电势变化率、定子电流变化率的动态失磁判据，在3s内不能动作，是该保护原理设计的不佳，导致机组失磁保护拒动，使事故延续、扩大。今后需作改进，确保该保护当机组失磁时，要正确动作。§1同步发电机的运行

3.机组过速保护拒动也使事故延续、扩大发电机转子失磁转入异步运行后，转子过速，但因电脑转速测控仪，接入的电源电压不能反应转子超速，所以，过速保护拒动，未能紧急停机，也使事故延续、扩大。

第90页/共388页91

通常都认为，水轮发电机失磁异步运行时，因异步转矩要比汽轮发电机小许多，输出功率小，故一般不应用水轮发电机的异步运行方式。但迄今尚未见到有关水轮发电机，失磁异步运行试验研究的成果，或事故失磁异步运行状态的实录(测)数据。§1同步发电机的运行

本次这台SF65－24／2440型水轮发电机失磁异步运行事故，获取了该机在异步状态下的参数，为水轮发电机在重负荷下失磁异步运行，提供了可靠的分析依据。对分析与能否应用这种机型的异步运行方式，具有很高的参考价值。现将有关的参数论述、估算于下:

事故分析第91页/共388页92

1.

转子转差率与转速

该机转子从失磁到失步转入异步运行时刻，转子绕组录波图上出现了滑频电流，如图1-10和图1-11实录波形对比所示，该电流的频率随转子转速的升高而增加，根据转子绕组滑频电流，在不同时刻的频率，即可求得对应时刻的转速增量及对应的转速。§1同步发电机的运行

第92页/共388页93

§1同步发电机的运行

第93页/共388页94

从34分12秒到35分23秒不同时刻求得的转子参数，列于表1-2。35分13秒起动录波器实录的定子电压、转子电压、电流波形如图1-12所示。由表1-2中的数据，绘制该机失磁异步运行时，转子转速、滑频电流、和转差率随时间t的变化关系。如图1-13所示。§1同步发电机的运行

第94页/共388页95

§1同步发电机的运行

第95页/共388页96

§1同步发电机的运行

第96页/共388页97

由该图直观的可见，该机在有功功率64MW（接近额定定功率65MW)负荷下，失磁异步运行时，转子的转差率从21.6％(滑极失步时刻34分12秒)陡升至68.96％(34分47秒)，之后渐趋于稳定，在66.64％与67.98％之间变化，相应的转子转速从304r/min(1.22nN)，增高至422.4r/min，为额定转速的1.69倍，然后回落稳定在1.667至1.678倍之间运行。§1同步发电机的运行

由此可见，水轮发电机在额定(或接近)有功功率下，失磁异步运行时，其转差率远远大于汽轮发电的转差率，转子转速会大大超过其额定值，严重者会给系统或机组造成巨大的损害。第97页/共388页98

据此，分析认为：为了确保水轮发电机组安全，当有功功率P在0.1PN以上失磁时，必须停机，不允许异步运行。但若在节假日负荷处于低谷，系统电压因电容效应增高，甚至超运行电压上限值时，可利用这种发电机，将输出功率P调节在0～0.1PN，利用其反应转矩，低励磁或无励磁运行，而不会失去同步，吸收的无功功率最多，得到降压节能，改善系统电压的目的。§1同步发电机的运行

第98页/共388页99

2.定子、转子电量的变化

该机在带有功功率64MW下，转子失磁转入异步运行时，定子、转子电量的变化，如图1-13、1-14所示。由图可见：定子电压由10.4kV急降至5.5kV，下降达47.1％；定子电流由3576A陡升至11008A，增长3.078倍，为额定电流4205A的2.62倍；无功功率由发出6.7Mvar，变为吸收104Mvar，是6.7Mvar的15.52倍，为额定无功功率40Mvar的2.6倍，为有功功率64MW的1.63倍，有功功率的变化应按粗虚线所示。§1同步发电机的运行

第99页/共388页100

§1同步发电机的运行

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2.定子、转子电量的变化

转子绕组中滑频电流正负绝对值之和，在暂态34分12秒～34分38秒)异步运行时，随转差率(负值)增加而增大；达稳态(34分38秒～35分23秒)异步运行时，趋于稳定，约在1050A运行，为额定转子电流的1.03倍。滑频电流中，刚失步时正负值变化范围最大，从+891A至一53A；达稳态时变化范围较小，约在+520A～-528A之间变化(见表1－2)。§1同步发电机的运行

第101页/共388页102

3.阻尼绕组产生的电流

水轮发电机失磁异步运行时，阻尼绕组产生电流的大小，迄今尚未见到有关文献试验研究的结果，或失磁事故烧坏的计算数据。根据多台水轮发电机不对称运行时，阻尼绕组涡流分布的实测结果应用到该机的失磁异步运行，并将定子电流作转差校正后，进行估算与分析，以供参考。§1同步发电机的运行

第102页/共388页103

1)阻尼绕组端环极间连接铜片的电流阻尼绕组端环极间连接铜片的电流IK，用下列公式估算

IK=K·If

式中：K为实测系数，通常在0.8～1.0之间

If为定子校正转差电流，其值为11008为失磁异步运行时的定子最大电流。§1同步发电机的运行

电流密度jK=IK/S=30.29～37.88(A/mm2)

式中S为极间连接铜片的截面积。因此，极间连接铜片，在大电流密度30.29～37.88A/mm2

的过流下，持续运行了1min多，必将该处过热最严重处熔断。第103页/共388页104

2）磁极上阻尼铜条的电流电流密度js=Is/Ss=21.22～24.12(A/mm2)

由此可见，阻尼铜条的电流密度也较大，局部过热，高温将磁极烧损，在表面可见到明显的烧焦点。§1同步发电机的运行

磁极上阻尼铜条的电流Is，用下列公式估算：

Is=KsIf

式中：Ks为实测系数，通常在0.22～0.25之间；则Is

=(0.22～0.25)×7573.5=1666.17～1893.98A。由此可见，阻尼铜条的电流密度也较大，局部过热，高温将磁极烧损，在表面可见到明显的烧焦点。第104页/共388页105

3）端环极间连接铜片的离心力

端环板间连接铜片的离心力，用下式计算：

nr为转子失磁异步运行时的最高转速，取422r/min；

W为铜片的总质量，13kg；

R为铜片处的旋转半径，3.3m。

§1同步发电机的运行

因此，该机失磁异步运行时，极间连接铜片，在大电流下由过热软化发展到熔断，并在离心力的作用下，径向甩出(或伸长)损坏定子线圈端部，造成短路，致使定子比率差动保护、横差保护动作时(22时35分32秒)，才事故跳闸停机。

第105页/共388页106

三、发电机的不对称运行

发电机的不对称运行属于一种非正常工作状态。不对称的原因可能是负荷不对称(电气机车、电炉等)，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两倍额定频率(100Hz)的电流，引起转子过热和振动。§1同步发电机的运行

1.不对称运行的原因及危害第106页/共388页107

两倍频率电流引起转子发热，对汽轮机特别危险，因为汽轮发电机是隐极式的，磁极和轴是一个整体，感应电流频率高(100Hz)，集肤效应大，使电流集中在表面很浅的薄层内，这就增大了电流回路的电阻，加之这些电流不仅流过转子的本体，还流过护环、槽楔与齿，并流经槽楔和齿以及套箍的许多接触面，这些地方电阻大，发热尤为严重，可能产生局部高温，破坏转子部件的机械强度和绕组绝缘。负序电流在汽轮发电机中引起的机械振动较小，因为汽轮发电机转子是个圆柱体，纵轴和横轴的磁导相差不大，引起的附加振动也不大，对机械强度危害性甚小。§1同步发电机的运行

2.不对称运行对汽轮发电机的危害第107页/共388页108

对于水轮发电机，转子是凸极式的，冷却条件较好，两倍频率的感应电流以及所引起的转子附加发热，都较汽轮发电机小，如有阻尼绕组，虽可引起阻尼绕组的附加发热，但阻尼绕组可削弱负序磁场的影响，能减轻转子的发热程度。水轮发电机的直径较大，纵轴和横轴磁导相差较大，所引起的振动也较大。§1同步发电机的运行

3.不对称运行对水轮发电机的危害第108页/共388页109

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，不对称运行的容许负荷，也有长时间和短时间之分。§1同步发电机的运行

4.不对称运行时的允许负荷第109页/共388页110

1）长时间容许负荷的决定条件

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，不应超过容许温度。为此，在持续运行时，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，不应超过容许范围。机械振动的容许值，应按制造厂家推荐的标准确定。§1同步发电机的运行

第110页/共388页111

短时容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，容许的负序电流和持续时间决定于下式，即

（1－12）式中:－负序电流瞬时值对额定电流的比值；－等值负序电流对额定电流的比值；－常数。对于空气或氢外冷发电机，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值，约在6～10之间，60万kW汽轮发电机的设计值为4。

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2）短时间容许负荷的决定条件第111页/共388页112

我国规定的发电机不对称运行时的容许电流和持续时间示于表1-4。

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思考题：§1同步发电机的运行

1.什么是发电机的暂态稳定性？什么是发电机的动态稳定性？2.发电机常见的非正常运行状态有哪些？3.发电机过负荷运行有何危害？什么情况下允许发电机短时过负荷运行？4.引起发电机异步运行的原因有哪些？5.发电机失磁后的物理情况如何？6.为什么汽轮发电机允许短时异步运行？水轮发电机不允许失磁异步运行？7.发电机失磁后异步运行有何实际意义？引起发电机不对称运行的原因是什么？不对称运行对发电机有哪些影响？第113页/共388页114§1.4同步发电机的特殊运行方式

一、发电机的进相运行的必要性

随着电力系统的不断发展，大型发电机组日益增多，同时输电线路的电压等级越来越高，输电距离越来越长，加之许多配电网络使用了电缆线路，从而引起了电力系统电容电流的增加，增大了剩余无功功率。尤其是在节假日、午夜等低负荷情况下，由线路引起的剩余无功功率，就会使电网的电压上升，以致超过容许的范围。过去一般是采用并联电抗器或利用调相机来吸收此部分剩余无功功率，但有一定的限度，且增加了设备投资。近些年我国也广泛地开展了进相运行的试验研究。实践说明，进相运行是一项切实可行的办法，不需要额外增加设备投资，就可吸收无功功率，进行电压调整。

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二、发电机进相运行的分析1.什么是同步发电机的进相运行状态？

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。

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2.发电机进相运行的相量关系

实际并入电网的同步发电机是通过变压器、线路与电网相联的。发电机进相运行的相量关系如图1-15所示。此时发电机的功角为δG，发电机电势与电网电压相量之间的夹角为δs。

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图1-15

发电机进相运行相量图

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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，故可以说此时从系统吸收感性无功功率。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，只要电网需要是可以长时间运行的。§1同步发电机的运行

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3.发电机进相运行特点

发电机进相稳定运行是电网需要时采用的运行技术，其运行能力主要是由电机本体的条件确定。我国1989年颁布的《发电机运行规则》第47条指出：“发电机是否能进相运行应遵守制造厂的规定。制造厂无规定的应通过试验确定。进相运行的可能性决定于发电机端部结构件的发热和在电网中运行的稳定性。”§1同步发电机的运行

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发电机进相运行时就其本体而言有两个特点：1）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；2）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。因此，发电机进相运行时容许承担的电网有功功率和相应允许吸收的无功功率值是有限制的。§1同步发电机的运行

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4.发电机进相运行所导致问题分析

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、结构、冷却方式及容量有很大的差异，发电厂的电气主接线各异，发电厂和系统连接的紧密程度不同等原因，在进相运行是容许发出多少有功功率和吸收多少无功功率，理论上的计算由于不考虑电机的饱和及励磁方式的影响等，其结果是近似的，一般要通过运行试验来决定。运行和试验时应注意的问题如下：

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当同步发电机的输入功率受到一些微小的扰动，发生瞬时的增大或减小时，如果不考虑调节器的作用，发电机能在这种瞬时扰动后很快恢复到原来的平衡运动状态，这称为发电机的静态稳定。反之，称为静态不稳定。§1同步发电机的运行

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δ