发电机正常运行

一、额定工况运行

汽轮发电机根据设计和制造所规定的条件长期连续工作，称为额定工况。这一运行工况的电压、电流、出力、功率因数、冷却介质温度和氢压等，称为发电机的额定参数。

发电机额定参数如下： 额定容量

667MVA

额定功率 600MW 最大连续输出容量 728MVA

（在额定氢压0.414MPa 和冷却水温度 33℃下，功率因数 0.9） 额定功率因数 额定电压 额定电流 额定转速 周波 相数 极数

0.9（滞后） 22kV

17495A

3000r/min

50Hz 3 2

YY 0.414MPa

≤10Nm3/24h（在额定氢压下，折算为标准气压下）

≥98.95% ≥0.58

定子线圈接法 额定氢压

漏氢（保证值） 效率（保证值）

短路比（保证值） 承担负序能力：

稳态I2（标么值） 暂态I2

≥10%

2 ≥10s

发电机在长期连续运行时的允许出力，主要受机组的允许发热条件限制。发电机带负荷运行时，其绕组和铁芯中都有能量损耗，引起各部分发热。在一定冷却条件下运行时，发电机各部分的温升与损耗及其所产生的热量有关。发电机负荷电流越大，损耗就越大，所产生的热量也越多，温升就越高。汽轮发电机的额

定容量，是在一定冷却介质的温度和氢压下，在定子绕组、转子绕组和定子铁芯的长期允许发热温度的范围内确定的。

发电机的绕组和铁芯的长期发热运行温度，与采用的绝缘等级有关。我公司的600MW汽轮发电机采用F/F级绝缘（温度按B级考核），发电机温度限额规定如下：

定子绕组出水温度： ≤85℃（埋设检温计） 定子绕组温度： ≤120℃（埋设检温计） 定子铁芯允许最高温度：≤120℃（埋置检温计） 转子绕组温度： ≤115℃（电阻法） 定子端部结构件温度： ≤120℃（埋置检温计） 集电环温度： ≤120℃（温度计法） 轴瓦温度： ≤90℃（检温计法） 轴承和轴封回油温度： ≤70℃（检温计法）

除了转子绕组的温度采用电阻法测量、集电环温度采用红外线温度计法测量外，其余的温度测量采用埋设检温计法。发电机绝缘在运行过程中会逐渐老化。对绝缘有重大影响的是其温度，温度越高、延续时间越长，老化就越快，使用期限就越短。因此，发电机运行时必须遵照制造厂家的规定，各部位最高温度均不得超过其容许限值，以确保正常使用寿命。 二 、非额定工况运行

1）冷却条件变化 ① 氢气

当氢气温度、压力变化时，都会对出力有很大的影响。当冷却器的进水温度高于制造厂的规定值时，应减小发电机出力，减小的原则是：使绕组和铁芯的温度不超过在额定方式运行时的最大监视温度。但氢气冷却器的进水温度应控制在小于43℃。当冷端氢温降低时，不允许提高出力，因为定子绕组是采用水内冷的。

氢气及其冷却水的温度限额如下： 冷氢温度： 35～46℃ 热氢温度： ≤65℃

氢气冷却器进水温度： 20～33℃ 氢气冷却器出水温度： ≤45℃

当氢气压力低于额定值时，由于氢气的传热能力减弱，必须根据制造厂提供的容量曲线来降低发电机的允许负荷。当氢压为0.2MPa时（COSΦ＝0.9），发电机出力为400MW；当氢压为0.3 MPa时（COSΦ＝0.9），发电机出力为500MW。

当氢气纯度变化时，由于氢气与空气混合时，若氢气含量降到4％～75％，便有爆炸的危险，所以在运行时，一般要求发电机运行时的氢气纯度保持在95％以上，低于此值应进行排污。另外，由于氢气纯度与通风摩擦损耗之间有密切的关联，氢气纯度每降低1％，通风摩擦损耗约增加11％，因此要保证使运行时的氢气纯度不低于97％～98％，当氢气纯度降低到90％时，发出纯度低报警信号。

发电机内装有4台氢气冷却器，当一台冷却器退出运行时，发电机单位的最大连续运行的容量为额定容量的80％。当有5％的冷却水管堵塞时，发电机可以在额定出力下连续运行。

②定子冷却水

当冷却水量在额定值的±10％范围内变化时，对定子绕组的温度影响不大，故不必提高冷却水的流量。但当冷却水量下降较多时，会导致绕组出口水温度增高，且会造成绕组温升不均匀。但水温也不可过低，以防止定子绕组和铁芯的温差过大，使两者之间的位移增大，或使汇水母管上出现结露现象。冷却水温允许在额定值±5℃的范围内变化，可保证发电机的出力不变。

另外，冷却水的电导值不可过高，过高会导致水管内壁发生闪络；且较低的电导值，也可在发电机冷却水停止循环的时候维持更长的时间。

定冷水的参数限额如下：

定子绕组进水温度： 40～50℃ 定子绕组出水温度： ≤85℃ 水量： 91.5t/h

导电率（20℃）： ≤0.5～1.5μs/cm ③定子绕组允许断水时间：

当发生定子绕组断水事故时，可采取以下两种不同的处理方式：

第一种：可带额定负荷运行30s，若30s后备用定冷水泵不能投入，则应解

列发电机，并使发电机端电压降为零。

第二种：断水5s后开始减负荷，2min内降到26％额定负荷，此后，根据线圈入口、线圈出口计离子交换器出口共3个水导电率选择运行方式：如三个点均≤0.5μs/cm，运行1小时；如其中一个点≥0.5μs/cm，运行3分钟；如三个点≥0.5μs/cm，立即停机。

2）频率变化

①当运行频率比额定值偏高较多时，发电机的转速升高，转子上承受的离心力增大，可能使转子某些部件损坏。同时，频率增高，转速增加，通风摩擦损耗也要增多，虽然此时的磁通可以小些，铁耗有所下降，但总的发电机效率是下降的。

②当运行频率比额定值偏低时，发电机的转速下降，时两端风扇的送风量降低时发电机的冷却条件变坏，各部分的温升升高。频率降低时，为维持额定电压不变，就得增加磁通，导致漏磁增加而产生局部过热。频率降低，还有可能损坏汽轮机叶片，厂用电动机也可能由于频率得下降，而使厂用机械出力受到严重影响。

机组能安全连续地在48.5-50.5HZ频率范围内运行，当频率偏差大于上述频率值时，不得低于下述值：

表2－1 机组安全运行频率允许范围

允许时间 频率（Hz） 每次（sec） 51.0～51.5 50.5～51.0 48.5～50.5 48.5～48 48.0～47.5 47.5～47 47.0～46.5 >30 >180 连续运行 >300 >60 >20 >5 300 >60 >10 >2 累计（min） >30 >180 3）端电压变化

①发电机运行电压的下限，根据稳定的要求，一般不应低于额定值的90％，

因为电压过低，会使发电厂厂用电动机的运行情况恶化、转矩降低，从而使机炉的正常运行受到影响。

②发电机运行电压高于额定值，当升高到105％以上时，其出力必须降低，因为电压升高铁芯内的磁通密度增加，铁耗增加，引起铁芯的温度和定子、转子绕组温度增高。

发电机在额定功率因数下，电压变化范围为±5%，频率变化范围为±2%时，能连续输出额定功率。当发电机电压变化为±5%，频率变化为-5%到+3%的范围运行时，其输出功率见下表：

表2－2 机组安全运行电压/频率允许范围

工况偏差（％） 输出功率 100UN，95fN 95UN，95fN 95UN，100fN 95UN，103fN 600MW 600MW 600MW 600MW 定子线圈出水温升 27.8K 30.7K 31.3K 31.7K 26.1K 25.8K 25.3K 28.3K 定子铁芯温升 27.0K（平均） 6.30K（平均） 26.2K（平均） 26.3K（平均） 27.1K（平均） 27.4K（平均） 28.4K（平均） 26.6K（平均） 转子线圈平均温升 54.9K 50.3K 46.7K 43.9K 45.1K 49.2K 59.4K 47.4K 105UN，103fN 600MW 105UN，100fN 600MW 105UN，95fN 600MW 额定工况计算值 600MW 三 、发电机有功调节和静态稳定

1）有功功率调节

隐极发电机的电磁功率为

PemEqUXdsin

其中m为定子的相数，Eq为励磁电势，U为机端电压，δ为

Eq和

U的夹角。

Pe如果用标么值表示，

EqUXdsin

当发电机不输出有功功率时，由原动机输入的功率恰好补偿各种损耗，因此δ＝0，Pem＝0。当原动机增加输入功率P1，亦即增大输入转矩T1，当T1>Tp（损耗转矩，包括机械损耗、铁耗和附加损耗），这时出现剩余转矩使转子加速，相

UE0应地电势相量超前于端电压相量一个相角， δ>0且Pem>0，发电机开始向

外发出有功电流，并同时出现和Pem相对应的制动电磁转矩Tem，当δ增到某一数值使电磁转矩与剩余转矩（T1－Tp）正好相等，发电机转子就不再加速，而平衡在这个δ值处。

由以上分析表明，当要增加发电机的输出功率时，就必须增加原动机的输入功率，而随着输出功率的增大，当励磁不作调节时，发电机的功率角δ就必然增大。

2）静态稳定

在电网或原动机偶然发生微小的扰动，当扰动消失后，发电机能复原继续同步运行就称为发电机是静态稳定的。

图2－22 汽轮发电机功角特性

发电机的功角特性曲线如图2－22所示，发电机可能向系统输出的最大功率

为

PmaxEqUXddP0d。由于判断发电机是否处于稳定运行的条件是：，因此，

当发电机的δ处于0°～90°的范围内，是可以稳定运行，如处于90°～180°这一范围则无法稳定运行。但在实际运行中为了供电的可靠性，发电机的额定运行点应当离稳定极限有一定的距离，使极限功率保持比额定功率大一定的倍数，正常运行的功率角δ一般是30°～45°。 四、发电机安全运行极限

1）发电机安全运行极限

在稳定运行条件下，发电机的安全运行极限决定于下列四个条件： ①原动机输出功率极限。

②发电机的额定容量，即由定子绕组和铁芯发热决定的安全运行极限。在一

定电压下，决定了定子电流的允许值。

③发电机的最大励磁电流，通常由转子的发热决定。

④进相运行时的稳定度。当发电机功率因数小于零（电流超前于电压）而转入进相运行时，磁势发电机的有功功率输出收到静稳定条件的限制。此外，对内冷发电机还可能受到端部发热限制。

上述条件，决定了发电机工作的允许范围。 2）发电机P－Q曲线

在电力系统中运行的发电机，在一定的电压和电流下，当功率因数下降时，发电机的无功功率增大，有功功率相应减小；而当功率因数上升时，则要减少无功功率、增大有功功率，以达到输出容量不超过允许值。发电机P－Q曲线图就是表示其在各种功率因数下，容许的有功功率P和无功功率Q的关系曲线，又称为发电机的安全运行极限。

图2－23 汽轮发电机的P－Q曲线

发电机的P－Q曲线，是在发电机端电压一定、冷却介质温度一定、不同氢压条件下绘制的，如上图所示。电压、电动势、功率都以标么值表示的，其绘制基本步骤：

①以O为圆心，以定子额定电流IN为半径，画出圆弧。

U②在横轴O点左侧，取线段OM等于N，它近似等于发电机的短路比KC，

Xd正比于空载励磁电流。

③以M点为圆心，以

EqXd为半径（即图1－23中的MC线段，它正比于额定

励磁电流）画出圆弧。

④以汽轮机额定功率画一平行于横坐标的水平线HBG，表示原动机输出限制。

⑤从M点画一垂直于横坐标的直线MH，相应δ＝90°，表示理论上的静稳定极限。

考虑到发电机有突然过负荷的可能，实际静稳定限制，应留有适当储备，以便在不改变励磁电流的情况下，能承受突然性的过负荷。（图中的BF曲线）由上述各曲线或直线段所围成的DCGBFD区域，就叫汽轮发电机的安全运行范围或叫安全运行区。发电机的运行点处于这区域或边界上，均能长期安全稳定运行。

图2－24 我公司发电机P－Q图

五、发电机无功调节

当发电机与无限大容量系统并联运行时，如有功功率输出不变，只要调节励磁电流，就可达到调节无功功率的目的。

1）空载特性

当调节励磁电流时，发电机的电动势将按其空载特性发生相应的变化。 当进行空载特性曲线的测定时，由于转子磁路中剩磁情况的不同，改变励磁电流If从零到某一最大值，再由此值减小到零时，将得到上升的和下降的两条不同的曲线，他反映铁磁材料中的磁滞现象。图中If＝0时的电势Es1和Es2分别代表两种情况下的剩磁电势。空载特性可以用实际值绘，也可以用标么值绘（电势取额定电压UN作为电势的基值，励磁电流If0作为励磁电流的基值）。

2）短路特性

图2－25不同剩磁下的空载特性

图2－26 同步发电机稳态短路的分析

短路特性是发电机三相稳态短路时，短路电流Ik与励磁电流If的关系。上图为短路时发电机的矢量图，因为短路时，U＝0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。同步发电机的电枢电阻远小于同步电抗，短路电流可认为是纯感性的，即ψ≈90°。于是此时的电枢磁势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁势，即Fa

''FFFf＝Fad，各磁势矢量都在一条直线上，合成磁势是=－ad，利用空载特性即

可求出气隙的合成电势E。



由于U＝0，所以 E＝U+IRa+jIX≈jIX

从上式可见，短路时合成电势只等于漏抗压降，其对应的气隙合成磁通很小，

'F电机的磁路处于不饱和状态，相当于上图中的C点，因此合成磁势∝E∝I。

因此励磁磁势

Ff与I成正比，故短路特性是一条直线。

3）短路比

在同步发电机中的设计中，短路比是一个经常用到的数据。短路比的原来意义是在对应于空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比。由于短路特性是一条直线，这个定义就转化为产生空载额定电压和产生额定短路电流所需励磁电流之比。

上式说明短路比就是用标么值表示的直轴同步电抗不饱和值的倒数再乘上空载额定电压时的饱和系数kμ（通常kμ＝1.1～1.25）。

短路比的数值对电机影响很大。短路比小则负载变化时发电机的电压变化较大且并联运行时发电机的稳定度较差，但电机的造价较便宜；增大气隙可减小Xd使短路比增大，电机性能变好，但造价也会相应地增高，因为励磁磁势和转子的用铜量增大。一般随着单机容量的增长，为了提高材料的利用率，短路比的要求值是有所降低的。

Ik0If0(UUN)1Kck*INIfk(IkIn)Xd(不饱和）

图2－27我公司发电机的短路电流和空载特性曲线

4）同步发电机外特性

图2－28不同功率因数时发电机的外特性

外特性表示发电机在n＝nN，If＝常数，COSΦ＝常数的条件下，端电压U和

负载电流I的关系曲线。在感性负载和纯电阻负载是，外特性是下降的，在容性负载时，外特性是上升的。由此可见，为了使不同功率因数下I＝IN时均能得到U＝UN，在感性负载下要供给较大的励磁电流，称发电机在过励磁状态下运行，而在容性负载下可供给较小的励磁电流，此时称发电机在欠励状态下运行。

5）V形曲线

当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，这时为了维持发电机的端电压不变，必须增大励磁电流。因此，无功功率的改变，必须依靠调节励磁电流。下面我们研究在一定的输出功率P下，调节励磁电流时定子电流时如何变化的。

图2－29 同步发电机相量图

①当E01较高时，定子电流滞后于端电压，向系统输出无功功率，这时的励磁电流较大，称为“过励”状态。

②当逐渐减小励磁电流，则E0跟着减小，功角θ和功率因数COSΦ提高，而发电机的定子电流随着无功电流的减小而减小。当励磁电势减至E02时，此时COSΦ＝1，定子电流达最小值，这种情况称为“正常励磁”。

③继续减小励磁电流，定子电流又开始变大，并且超前于端电压，发电机开始从系统吸取无功功率，这时发电机处于“欠励”状态。

④如进一步减小励磁电流，则电势E0更加减小，并且功角θ和功率因数角Φ也将继续增大，当θ＝90°，发电机达到稳定运行的极限状态。

图2－30 同步发电机的V型曲线

我们用实验的方法，在保持电网电压和发电机输出有功功率不变的条件下，改变励磁电流If，测定对应的定子电流I，而得两者之间的关系曲线I＝f（If）。由于这条曲线呈“V”字型，所以称为同步发电机的V型曲线。对于每一个有功功率值都可做出一条V型曲线，功率值越大，曲线越往上移。每条曲线的最低点，表示COSΦ＝1。将各曲线的最低点连接起来得到一条COSΦ＝1的曲线，在这条曲线的右方，发电机处于过励状态，而在其左方，发电机处于欠励磁状态。在V型曲线的左侧又一个不稳定区（对应于θ>90°）。

图2－31我公司发电机的V形曲线

六 、发电机正常运行和监视

1）额定运行方式

正常运行中，发电机应按铭牌规定数据运行（即额定运行方式）或在容量限制曲线（即P－Q曲线）的范围内长期连续运行。

由于发电机的长期运行出力主要受机组的发热情况限制，因此要记录监视发电机的有功功率、无功功率、定子电流、定子电压、氢气压力、纯度、冷氢和热氢温度、定子绕组温度、铁芯温度、定子进出水温度、转子绕组温度等参数。

2）带负荷速度

发电机在容量曲线范围内的任何负荷下运行都是允许的，其负荷变化速度原则上按照汽机负荷曲线。

3）电压、频率允许的变动范围

在额定负荷状况下，发电机允许的电压频率变动范围参见上文所述的规定。 4）发电机轴中心标高变化

由于发电机与汽轮机的联接是采用刚性联轴器，因此轴与轴之间必须正确对中。在运行期间，如对中不良，将引起联接应力增加、轴承载荷的不合理分配和振动增加，从而导致机械事故。而发电机轴的标高变化量是其支承部件温度的函数，而支承部件的温度是直接随冷氢温度的变化而变化。所以，在发电机正常运行期间，应尽量维持冷氢温度的稳定。