1第五章 发电机非正常运行2第一节 汽轮发电机频率异常运行一、防止频率变化损坏发电设备大型机组对运行频率有着严格限制如果在运行时，汽轮机叶片自振频率与转速发生机械谐振，那么叶片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为了防止谐振，制造厂设计的汽轮机叶片，其自振频率都要躲开额定转速及其倍数(工频及其整数谐波)，并对汽轮机在偏离额定频率运行的情况下提出了允许运行的时间限制例如，美国某公司提出的运行建议定额，如表5—1所示3现代大机组为了自身的安全，都装设了频率保护，我国进口的一些大机组的频率保护整定如下1)宝钢进口日本的350MW·机组：48.5Hz 0s发信号47.5Hz 30s跳闸47.0Hz 0s 跳闸(2)元宝山电厂进口法国的600MW机组：47.5Hz 9s 跳闸52Hz 0.25s跳闸(3)姚孟电厂进口比利时的300MW机组：48Hz 5s 跳闸4二、防止频率变化引起连锁反应而导致电网瓦解频率降低，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；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如上述这些重要辅机的出力，将会以频率的二次方、三次方成反比而降低。
由于辅机出力剧降而受到限制，并使发电机出力进一步下降，继而又使系统频率进一步降低，如此造成恶性循环，严重时会导致电网瓦解5从确保电力系统安全的观点，电网运行频率严重下降时，必须有自动装置，能及时地相应切除相适应容量的负荷，即所谓按频率降低自动减负荷按频率降低自动减负荷，必须与机组低频保护的动作有选择性的配合，如果配合不当，使运行中的其他机组，在频率大幅度的快速变化过程中发生跳闸，则将使系统有功功率的缺额更为扩大；另一方面，还必须注意防止负荷容量的过切如果负荷容量过切很多，系统将产生过大的频率过调在水电比重较大的系统中，由于水轮机组调速系统反应慢，比较容易出现这样的过调现象6而频率超调的结果，又可能引起某些大型汽轮发电机组的误跳闸，因而导致系统频率的严重波动发电机低频保护：反应发电机低频运行现代大型电厂构成的大电网中，热控自动装置，如协调控制(CCS)、电液调节(DEH)、自动发电(AGC)等的大量投用，上述现象已可得到有效抑制7频 率 （Hz）允 许 时 间 每次（sec）累计（min） 51.0～51.5＞30＞30 48.5～51.0连续 运行 48.5～48＞300＞300 48.0～47.5＞60＞60 47.5～47＞20＞10 47.0～46.5＞5＞2我厂机组能安全连续地在48.5～51.0Hz频率范围内运行，当频率偏差大于上述频率值时，允许的时间不低于下述值：8电压 kV20.020.521.019.5 频率Hz47.547.551.551.5 有功功率MW535585600600 定子铁心温升K25.4625.5225.8025.49 转子绕组 最高温升K74.0073.7466.459.49 每次（s）20203030 寿命期内（次）30303030我厂电压和频率允许变化范围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-3％到+2%时，能连续输出额定功率。
当发电机电压变化为±5％，且频率变化为-5％到+3％的范围运行时，输出功率、温升值、允许的运行时间及允许发生的次数满足下表要求：9二、 汽轮发电机的不对称运行方式1、 概 述不对称运行，三相电流、电压大小不相等，相位不是120°在下列情况下可以形成不对称运行：(1)负荷不对称如冶金企业某些电炉、电气铁道上的电气机车均为单相负荷2)不对称短路3)输电线路的不对称，断线前二者为横向，第三者为纵向不对称，或称非全相运行 10不对称运行有许多危害：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对于电力变压器，使各相绕组发热不一致对于电力用户，使电能质量变坏，可使异步电动机出力下降，寿命降低对通信线路的危害主要是零序电流，它可能在与输电线平行的通信线路上感生出危险的对地电压，危及通信设备和人身的安全，降低通信质量112、 负序电流对同步发电机的危害负序电流与正序电流叠加，使定子绕组相电流可能超过额定值，另一方面还会引起转子的附加发热和机械振动当定子绕组流过负序电流时，出现负序旋转磁场，此磁场以同步速度并与转子相反的方向旋转，在励磁绕组、阻尼绕组及转子本体中感应出两倍工频的电流，从而引起附加损耗与发热。
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12如图1—5—8所示，这些电流(A)不仅流过本体1，还流过护环2(B、C和D)及中心环(D)并流经槽和齿与护环的许多接触面，这些地方电阻较高，发热尤为严重，可能出现局部高温，破坏转子部件的机械强度和绕组绝缘，尤其以护环在转子本体上嵌装处特别危险，13除附加发热外，负序电流还会引起机械振动因为正序磁场对转子是相对静止的，而负序旋转磁场相对转子却是以两倍同步速度相对转子旋转的，与转子磁场相互作用，产生100Hz的交变电磁力矩，该交变电磁力矩同时作用在转子轴和定子机座上，使机组产生频率为100周／s的振动和噪声汽轮发电机的磁极与轴是一个整体，绕组置于槽内，散热条件不好，所以负序电流产生的附加发热要严重些143、对负序电流的限制(1)应尽可能保持三相平衡，如沿电气化铁道的各牵引变电站中的变压器接入110kV系统时，应注意轮流换相2)对电力系统而言，系统的零序阻抗对不对称运行的电流不对称度有直接影响因而运行中应适当地减小零序阻抗3)对电机制造厂而言，应在设计、制造工艺上尽可能减轻负序电流的危害目前各制造厂对大型汽轮发电机均在转子两端装设了梳齿型半阻尼系统，但对于大齿区域影响不大。
4)对运行而言，应注意不对称运行时，负荷最重的相电流不应超过汽轮发电机的额定值而且各相电流差与额定电流之比也不能超过10％，否则应降低发电机的出力15三、汽轮发电机不对称负荷的容许范围汽轮发电机不对称负荷容许范围的确定主要决定于下列三个条件1)负荷最重一相的电流，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3)不对称运行时的机械振动不应超过容许范围我国国家标准GB7064—86《汽轮发电机通用技术条件》，对汽轮发电机连续运行的和短时运行的负序电流允许值规定如表5—3所示16四、600MW级汽轮发电机的负序能力目前我国生产的QFSN—600—2型汽轮发电机的负序能力，与世界各国的相一致，其稳态负序能力I2(标么值)多数为8％，暂态负序能力I22t都等于10由下式决定：发电机三相电流不平衡，在最大相电流不大于额定电流的条件下，当负序电流超过8％的额定电流时，允许按表5—5的规定短时运行发电机运行时的负序能力，也应以制造厂提供的技术数据为依据 17当发电机不对称运行，负序电流超过允许值时，应尽力设法减小不平衡电流(如减小发电机出力等)至允许值，如不平衡电流所允许时间已到达，则应立即将发电机解列。
18第三节 汽轮发电机的失磁运行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，以低滑差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称为失磁，是较常见的故障之一引起发电机失磁的原因主要有以下几种1)励磁回路开路，如自动励磁开关误跳闸、励磁调节装置的自动开关误动、可控硅励磁装置中的元件损坏等2)励磁绕组短路3)运行人员误操作等19发电机失去励磁以后，由于转子励磁电流IF或发电机感应电动势Eq逐渐减小，使发电机电磁功率或电磁转矩相应减小而汽轮机输入转矩还未来得及减小，因而在剩余加速转矩的作用下，发电机进入失步状态当发电机超过同步转速时，发电机的转子与定子三相电流产生的旋转磁场之间有了相对运动，于是在转子绕组、阻尼绕组、转子本体及槽楔中，将感应出频率等于滑差频率的交变电动势和电流，并由这些电流与定子磁场相互作用而产生制动的异步转矩20当某一转差下产生的异步转矩与汽轮机输入转矩(其值因调速器在电机转速升高时会自动关小汽门而比原先数值小)重新平衡时，发电机就进入稳定的异步运行发电机失磁后，虽然能过渡到稳定的异步运行，能向系统输送一定的有功功率，并且在进入异步运行后，若能及时排除励磁故障，恢复正常励磁，亦能很快地自动进入同步运行，对系统的安全与稳定都有好处。
21但发电机失磁后，能否在短时间内无励磁运行，应受到多种因素限制发电机失磁后，从送出无功功率转变为大量吸收系统无功功率，这样在系统无功功率不足时，将造成系统电压显著下降从国内外试验资料表明，发电机失磁后吸收的无功功率，相当于失磁前它所发出的有功功率的数量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22发电机失磁异步运行时，转子温升一般不是限制异步运行的主要因素此外，由于转子的电磁不对称所产生的脉动转矩，将引起机组和基础振动因此，某一台发电机能否失磁运行、异步运行时间的长短和送出功率的多少，只能根据发电机的型式、参数、转子回路连接方式(与失磁状态有关)以及系统情况等进行具体分析，并经过试验后才能确定对于大容量发电机，由于其满负荷运行失磁后，从系统吸收较大的无功功率，往往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发电机失磁保护：反应发电机全失磁或部分失磁，231．发电机失磁后观察到的现象主要有：(1)转子电流表的指示降为零或降到接近于零；(2)定子电流表摆动且指示增大；(3)有功功率表指示减小且也发生摆动；(4)无功功率表指示负值，功率因数表指示进相，发电机母线电压表指示值下降并摆动；(5)转子各部分温度升高。
24四、对失磁故障的处理(1)对于未作出允许失磁的发电机，应作为不允许失磁运行处理处理方法是利用失磁保护将严重失磁的发电机出口断路器跳闸、解列，若失磁保护未动作，应立即手动解列停机，查明原因并加以消除2)对于已确认可以失磁运行的发电机，应作如下处理：1)出现失磁异步运行时，在3min内，将负荷减至40％，允许继续运行10min2)监视发电机定子电流不应超过额定值的110％，同时监视发电机定子端部温度不应超过允许值3)设法迅速恢复励磁电流如励磁调节器不能正常工作，应转换至感应调压器电源提供励磁，如仍不行，则应启用备用励磁电源4)异步运行中，监视发电机端电压应不低于额定电压的90％25我厂发电机具有失磁异步运行能力如得到汽轮机、锅炉的配合，发电机失磁后在60s内，将负荷减至0.6倍额定有功功率；在90s内减至0.4倍额定有功功率，定子电流1.0～1.1倍IN的允许运行时间为15min26进相运行的基本概念随着电力系统不断发展，输电线路电压等级越来越高，输电距离越来越长，因而线间及线对地的电容加大，对于500KV每100公里线路大约可产生120Mvar的无功功率加之有的配电网络使用了电缆线路，从而引起了电力系统电容电流以及容性无功功率的增长。
尤其在节假日、午夜等低负荷期间，线路所产生的无功功率过剩，使得电力系统的电压上升，以致超过容许范围曾考虑采用并联电抗器或同步调相机来吸收这部分剩余无功功率，但有一定限度，且增加了设备投资因此早在50年代，国外就开始试验研究大容量发电机的进相运行，用以吸收过剩的无功功率并进行电压调整27图1—4—1(a)表示发电机直接接于无限大容量系统的情况设其端电压UG恒定，并设发电机电势为Eq，负荷电流为Ⅰ，功率因数角为φ，这时调节励磁电流iF，Eq随之变化，功率因数角φ也在变化如增加励磁电流，Eq变大，此时负荷电流Ⅰ产生去磁电枢反应，功率因数角φ是滞后的，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。