发电机正常运行监控策略优化

教学目标

知识目标：

（1）熟悉发电机的额定运行方式和允许运行方式。

（2）熟悉发电机监测内容和方法。

能力目标：

能进行发电机运行监控。

素质目标：

（1）主动学习，在完成对发电机运行监控过程中发现问题、分析问题和解决问题。

（2）能与小组成员协商、交流配合，按标准化作业流程完成发电机的运行监控工作。

任务分析

发电机运行监视。

相关知识

一、发电机额定运行方式

发电机按制造厂铭牌额定参数运行的方式，称为额定运行方式。发电机的额定参数是制造厂对其在稳定、对称运行条件下规定的最合理的运行参数。当发电机在各相电压和电流都对称的稳态条件下运行时，具有损耗小、效率高、转矩均匀等优点。所以在一般情况下，发电机应尽量保持在额定或接近额定工作状态下运行。

二、发电机允许温度和温升

由于电网负荷的变化，不可能所有的发电机组都按铭牌额定参数运行，会出现某些机组偏离铭牌参数运行的情况。当发电机的运行参数偏离额定值，但在允许范围内时，这种运行方式为允许运行方式。

发电机运行时会产生各种损耗，这些损耗一方面使发电机的效率降低，另一方面会变成热量使发电机各部分的温度升高。温度过高及高温延续时间过长都会使绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至引起发电机事故。一般来说，发电机温度若超过额定允许温度6℃长期运行，其寿命会缩短一半（即6℃规则）。所以，发电机运行时，必须严格监视各部分的温度，使其在允许范围内。另外，由于发电机内部的散热能力与周围空气温度的变化成正比，当周围环境温度较低，温差增大时，为使发电机内各部位实际温度不超过允许值，还应监视其允许温升。

发电机的连续工作容量主要决定于定子绕组、转子绕组和定子铁芯的温度。这些部分的允许温度和允许温升，决定于发电机采用的绝缘材料等级和温度测量方法。通常容量较大的发电机，大多采用B 级绝缘材料，也有的采用F 级绝缘材料，绝缘材料不同则测温方法也不完全相同。因此，发电机运行时的温度和温升，应根据制造厂规定的允许值（或现场试验值）确定。若无厂家规定时，可按表1－1－1执行。

表1－1－1　发电机各主要部分的温度和温升允许值

表1－1－1中，发电机定子铁芯和定子绕组的允许温度同为105℃。因为一方面有部分定子铁芯直接与定子绕组接触，定子铁芯的温度超过105℃时会使定子绕组的绝缘遭受损坏，特别是采用纸绝缘时，若温度经常在100℃以上，由于绝缘纸的过分干燥而较绝缘漆更易损坏，所以发电机定子铁芯的允许温度不应超过定子绕组的允许温度。

发电机允许温度和温升（视频文件）

发电机转子绕组的允许温度为130℃，高于定子绕组的允许温度，其原因首先是转子绕组电压较低，且绕组温度分布均匀，不会像定子绕组因受定子铁芯温度的影响而可能出现局部过热；其次，定子、转子绝缘材料不同，测温方法也不同。

三、冷却介质的质量、温度和压力允许变化范围

发电机的冷却介质主要有氢气、水和空气。氢气冷却一般用在容量为50～600 MW 的汽轮发电机中。其中，50～100 MW 的汽轮发电机一般用氢表面冷却；100～250 MW 的汽轮发电机的转子一般用氢内冷，而定子用氢表面冷却；200～600 MW 的汽轮发电机采用定子、转子氢内冷。容量较大的发电机的定子绕组广泛采用水内冷。空气冷却一般用在50 MW以下的汽轮发电机中。目前，国内外大、中型水轮发电机主要采用空气冷却和水冷却。

为保证发电机能在其绝缘材料的允许温度下长期运行，必须使其冷却介质的温度、压力运行在规定的范围内，其冷却介质的质量也必须符合规定。

1.氢气的质量、压力和温度

机组运行时，为防止氢气爆炸，氢气质量必须达到规定标准：氢气纯度正常时应维持在98%或以上，其湿度不大于2 g／m3 （一个标准大气压下）。氢冷发电机氢气压力的大小，直接影响发电机各绕组的温度和温升。任何情况下，发电机的最高和最低运行氢压不得超过制造厂的规定。为保证机组额定出力和各部分温度、温升不超过允许值，发电机冷氢温度应不超过额定的冷氢温度。温度太低，机内容易结露；温度太高，影响发电机出力。

2.冷却水的水质、温度和水压

冷却水的水质对发电机的运行有很大影响，如果电导率大于规定值，运行中会引起较大泄漏电流，使绝缘引水管老化，过大的泄漏电流还会引起相间闪络；水的硬度过大，则水中含钙、镁离子多，运行中易使管路结垢，影响冷却效果，甚至堵塞管道。为保证发电机的安全运行，对内冷水质有如下规定：电导率小于15 μΩ／cm （20℃）；硬度小于10 μg／L；酸碱度（pH 值）为7～9。

水内冷发电机的进水温度的高低对其运行有很大影响，定子内冷水进水温度过高，影响发电机出力，而水温过低，则会使机内结露。故发电机的进水温度变化时，应根据规程规定接带负荷。发电机内冷水进水温度一般规定为40～45℃，有的制造厂规定为45～50℃。同时发电机定子绕组和转子绕组中的出水温度也不得超过规定值，以防止出水温度过高，引起水汽化而使绕组过热烧坏。

定子内冷水水压的高低，会影响定子绕组的冷却效果，影响机组出力，故机组内冷水进水压力应符合制造厂规定。为防止定子绕组漏水，内冷水运行压力不得大于氢压。当发电机的氢压发生变化时，应相应调整水压。

3.冷却空气的温度

我国规定发电机进口风温不得高于40℃，出口风温一般不超过5℃，冷却气体的温升一般为25～30℃。在此风温下，发电机可以连续在定容量下运行。当进口风温高于规定值时，冷却条件变差，发电机的出力就要减少，否则发电机各部分的温度和温升就要超过其允许值。反之，当进口风温低于规定值时，冷却条件变好，发电机的出力允许适当增加。

采用开启式通风的发电机，其进口风温不应低于5℃，温度过低会使绝缘材料变脆。采用密封式通风的发电机，其进口风温一般不宜低于15～20℃，以免在空气冷却器上凝结水珠。

四、发电机电压的允许变化范围

发电机应运行在额定电压下。实际上，发电机的电压是根据电网的需要而变化的。发电机电压在额定值的±5%范围内变化时，允许长期按额定出力运行。当定子电压较额定值减小5%时，定子电流可较额定值增加5%，因为电压低时，铁芯中磁通密度降低，因而铁损也降低，此时稍增加定子电流，绕组温度也不会超过允许值。反之，当定子电压较额定值增加5%时，定子电流应减小5%。这样，如果功率因数为额定值时，发电机就可以连续地在额定出力下运行。发电机电压的最大变化范围不得超过额定值的10%。发电机电压偏离额定值超过±5%时，都会给发电机的运行带来不利影响。

1.电压低于额定值对发电机运行的主要影响

（1）降低发电机并列运行的稳定性和电压调节的稳定性。当电压降低时，功率极限降低，若保持输出功率不变，则势必增大功角运行，而功角越接近90°，并列运行的稳定性越差，容易引起发电机振荡或失步。另外，电压降低时发电机铁芯可能处于不饱和状态，其运行点可能落在空载特性的直线部分，励磁电流做小范围的调节都会造成发电机电压的大幅变动，且难以控制。这种情况还会影响并列运行的稳定性。

（2）使发电机定子绕组温度升高。在发电机电压降低的情况下，若保持出力不变，则定子电流增大，有可能使定子温度超过允许值。

（3）影响厂用电动机和整个电力系统的安全运行，反过来又影响发电机本身的运行。

2.电压高于额定值对发电机运行的主要影响

（1）转子绕组温度有可能超过允许值。保持发电机有功输出不变而提高电压时，转子绕组励磁电流就要增大，这会使转子绕组温度升高。当电压升高到1.3～1.4 倍额定电压运行时，转子表面脉动损耗增加（这些损耗与电压的二次方成正比），使转子绕组的温度有可能超过允许值。

（2）使定子铁芯温度升高。定子铁芯的温升一方面是定子绕组发热传递的；另一方面是定子铁芯本身的损耗发热引起的。当定子端电压升高时，定子铁芯的磁通密度增高，铁芯损耗明显上升，使定子铁芯的温度大大升高。过高的铁芯温度会使绝缘漆烧焦、起泡。

（3）可能使定子结构部件出现局部高温。由于定子电压升高过多，定子铁芯磁通密度增大，使定子铁芯过度饱和，会造成较多的磁通逸出轭部并穿过某些结构部件，如机座、支撑筋、齿压板等，形成另外的漏磁磁路。过多的漏磁会使结构部件产生较大涡流，可能引起局部高温。

（4）对定子绕组的绝缘造成威胁。正常情况下，定子绕组的绝缘材料能耐受1.3 倍额定电压。但对运行多年、绝缘材料已老化或本身有潜伏性绝缘缺陷的发电机，升高电压运行，定子绕组的绝缘材料可能被击穿。

五、发电机频率的允许变化范围

正常运行时，发电机的频率应经常保持在50 Hz。但是，因为电力系统负荷的增减频繁，而频率调整不能及时进行，因此频率不能始终保持在额定值上，可能稍有偏差。频率的正常变化范围应在额定值的±0.2 Hz 以内，最大偏差不应超过额定值的±0.5 Hz。频率超过额定值的±2.5 Hz 时，应立即停机。在允许变化范围内，发电机可按额定容量运行。频率变化过大将对用户和发电机带来有害的影响。

1.频率降低对发电机运行的影响

（1）频率降低时，发电机转子风扇的转速会随之下降，使通风量减少，造成发电机的冷却条件变坏，从而使绕组和铁芯的温度升高。

（2）频率降低时，定子电动势随之下降。若保持发电机出力不变，则定子电流会增加，使定子绕组的温度升高；若保持电动势不变，使出力也不变，则应增加转子的励磁电流，也会使转子绕组的温度升高。

（3）频率降低时，若用增加转子电流来保持机端电压不变，会使定子铁芯中的磁通增加，定子铁芯饱和程度加剧，磁通逸出磁轭，使机座上的某些部件产生局部高温，有的部位甚至冒火花。

（4）频率降低时，厂用电动机的转速会随之下降，厂用机械的出力降低，这将导致发电机的出力降低。而发电机出力下降又会加剧系统频率的再度降低，如此恶性循环，将影响系统稳定运行。

（5）频率降低，可能引起汽轮机叶片断裂。因为频率降低时，若出力不变，转矩应增加，这会使叶片过负荷而产生较大振动，叶片可能因共振而折断。

2.频率过高对发电机运行的影响

频率过高时，发电机的转速升高，转子上承受的离心力增大，可能使转子部件损坏，影响机组安全运行。当频率高至汽轮机危急保安器动作时，会使主汽门关闭，机组停止运行。

六、发电机功率因数的允许变化范围

发电机运行时的定子电流滞后于定子电压一个角度φ，同时向系统输出有功功率和无功功率，此工况为发电机的迟相运行，与此工况对应的cosφ 为迟相功率因数。当发电机运行时的定子电流超前于定子电压一个角度φ，发电机从系统吸取无功功率，用以建立机内磁场，并向系统输出有功功率，此工况为发电机的进相运行，与此工况对应的cosφ 为进相功率因数。发电机的额定功率因数，是指发电机在额定出力时的迟相功率因数cosφ，其值一般为0.8～0.9。(www.xing528.com)

发电机运行时，由于有功负荷和无功负荷的变化，其cosφ 也是变化的。为保持发电机的稳定运行，功率因数一般运行在迟相0.8～0.95 范围内。cosφ 也可以工作在迟相的0.95～1.0 或进相的0.95，但此种工况下发电机的静态稳定性差，容易引起振荡和失步。因为，迟相cosφ 值越高，输出的无功功率越小，转子励磁电流越小，定子、转子磁极间的吸力减小、攻角增大，定子的电动势降低，发电机的功率极限也降低，故发电机的静态稳定度降低。所以，通常规定cosφ 一般不得超过迟相0.95 运行，即无功功率不应低于有功功率的1／3。对于有自动调节励磁的发电机，在cosφ＝1 或cosφ 在进相0.95～1.0 范围内时，也只允许短时间运行。

cosφ 的低限值一般不做规定，因其不影响发电机运行的稳定性。

发电机在cosφ 变化情况下运行时，有功和无功出力一定不能超过发电机的允许运行范围。在静态稳定条件下，发电机的允许运行范围主要决定于下述4 个条件：

（1）原动机的额定功率。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）定子的发热温度。发热温度决定了发电机额定容量的安全运行极限。

（3）转子的发热温度。该温度决定了发电机转子绕组和励磁机的最大防磁电流。

（4）发电机进相运行时的静态稳定极限。发电机进相运行时，考虑到运行稳定，发电机的有功输出要受到静态稳定极限的限制。

七、定子不平衡电流的允许范围

在实际运行中，发电机可能处于不对称状态，如系统中有电炉、电焊等单相负荷存在，系统发生不对称短路、输电线路或其他电气设备一次回路一相断线、断路器或隔离开关一相未合上等原因，使发电机三相电流不相等（不平衡）。

不平衡电流对发电机的运行有如下不良影响。

1.使转子表面温度升高或局部损坏

不平衡电流中含有的负序电流所产生的负序旋转磁场，其旋转方向与转子转向相反，对转子的相对速度是同步转速的2 倍，它将在转子绕组、阻尼绕组、转子铁芯表面及其他金属结构部件中感应出倍频（100 Hz）电流。倍频电流因趋肤效应在转子铁芯表面流通，引起损耗使转子铁芯表面发热，温度升高。倍频电流在转子绕组、阻尼绕组中流过时，引起绕组附加铜损，使转子绕组温度升高。

转子铁芯中的倍频电流在铁芯中环流时，大部分通过转子本体，也越过许多转子金件的接触面，如槽、套、中心环等，因接触面的接触电阻大，在一些接触面会产生局部高温，造成转子局部损坏，如套箍与齿的接触被烧伤。

发热对汽轮发电机转子的影响尤为显著，因为汽轮发电机为隐极式转子，铁芯为圆形且用整个钢锭整体锻制而成，转子绕组放在槽中不易散热。

2.引起发电机振动

由于定子三相电流不对称，定子负序电流产生的负序磁场相对转子以2 倍同步转速旋转，它与转子磁场相互作用，产生100 Hz 的交变转矩，该转矩作用在转子及定子机座上，产生100 Hz 的振动。由于水轮发电机为凸极式转子，沿圆周气隙不均匀，磁阻不等、磁场不均匀，而汽轮发电机为隐极式转子，沿圆周气隙较均匀、磁阻相差不大、磁场比较均匀，故三相电流不平衡运行时，负序磁场引起的机组振动，水轮发电机比汽轮发电机严重。因此，水轮发电机常设置阻尼绕组，利用其对负序磁场的去磁作用，可以减小负序电抗，同时可以降低负序磁场对转子造成的过热，以及减小附加振动转矩。

为此，对发电机三相不平衡电流的允许范围做如下规定：

（1）正常运行时，汽轮发电机在额定负荷下的持续不平衡电流（定子各相电流之差）不应超过额定值的10%，对水轮发电机和调相机来讲，则不应超过额定值的20%，且最大相的电流不大于额定值。在低于额定负荷下连续运行时，不平衡电流可大于上述值，但不得超过额定值的20%，其具体数据应根据试验确定。

（2）长期稳定运行，每项电流均不大于额定值时，其负序电流分量不大于额定值的8%～10%。水轮发电机允许担负的负序电流，不大于额定电流的12%。

（3）短时耐负序电流的能力应满足I22t≤10。

八、发电机组绝缘电阻的允许范围

在发电机启动前或停机备用期间，应对其绝缘电阻进行监测，以保证发电机能安全运行。测量对象为发电机定子绕组、转子绕组、励磁回路、励磁机轴承绝缘垫、主励定子绕组、转子绕组、副励定子绕组以及各测温元件。

1.发电机定子绝缘电阻的规定

300 MW 及以上的火电机组，一般接成发变组（即发电机变压器的简称）单元接线，测量发电机定子回路的绝缘电阻（包括发电机出口封闭母线、主变低压侧绕组、厂变高压绕组），一般用专用发电机绝缘测试仪进行测量。测量时，定子绕组水路系统内应通入合格的内冷水，不同条件下的测量值换算至同温度下的绝缘电阻（一般换算至75℃下），不得低于前一次测量结果的1／3～1／5，但最低不能低于20 MΩ，吸收比不得低于1.3。发电机的定子出口与封闭母线断开时，定子绝缘电阻值不应低于200 MΩ。绝缘电阻不符合上述要求时，应查明原因并处理。

在任意温度下测得的定子绕组绝缘电阻值，也可直接用温度系数K 将其换算为75℃下的绝缘电阻值，定子绕组不同温度下绝缘电阻温度系数见表1－1－2。

表1－1－2　定子绕组不同温度下的绝缘电阻温度系数Kt

测量发电机定子回路绝缘电阻也可用1 000～2 500 V 绝缘电阻表进行。

2.发电机转子绕组及励磁回路绝缘电阻值的规定

用500 V 绝缘电阻表测量转子绕组绝缘电阻值，不得低于5 MΩ，包括转子绕组在内的励磁回路绝缘电阻值不得低于1 MΩ。

3.主、副励磁机绝缘电阻值的规定

主、副励磁机定子绕组和主励磁机转子绕组的绝缘电阻值，应用500 V 绝缘电阻表测量，其值不得低于1 MΩ。

4.轴承和测温元件绝缘电阻值的规定

发电机和励磁机轴承的绝缘电阻值，应用1 000 V 绝缘电阻表测量，其值不得低于1 MΩ；发电机内所有测温元件的对地绝缘电阻值在冷态下应用250 V 绝缘电阻表测量，其值不得低于1 MΩ。

九、发电机组运行中监测的内容及方法

发电机运行时，运行值班人员应对发电机的运行工况进行严密监测，要有严格的制度。运行工况的监测和巡检包括对有关表计的监视和通过切换装置对运行参数的测量，对监测的参数进行分析，以确定发电机的运行工况是否正常，并进行相应的调节。

1.通过测量仪表及画面显示进行监测

发电机装有各种测量表计，如有功功率表（简称有功表）、无功功率表（简称无功表）、定子电压表、定子电流表、转子电压表、转子电流表、频率表、主励磁机转子电压表和电流表、副励磁机交流电压表、AVR （自动励磁调节器）的输出电压表和电流表、AVR 自动励磁与手动励磁输出的平衡电压表、50 Hz 手动励磁输出电压表等。此外，还有温度检测装置、自动记录装置和计算机CRT （阴极射线管）画面显示等。

发电机运行过程中，值班人员应严密监视发电机各表计、自动记录装置的工作情况，各仪表显示应与计算机CRT 画面显示相符，各表计指示应不超过额定值，平衡电压表正常。监盘过程中，应根据有功负荷、电网电压等情况，及时做好无功负荷、发电机电压流及励磁系统参数的调整，使机组在安全、经济的最佳状态下运行。同时，应针对各表计图指示值，结合运行资料，及时分析、判断有无异常。

另外，发电机运行中，运行值班人员应每小时记录一次发电机盘上各表计的指示值，发电机各部位的温度，应与计算机打印结果相符。通过定时抄录和打印，积累运行资料，要运行分析数据，以便监视和掌握发电机运行工况，及时发现异常和采取相应措施，保证发电机正常运行。

2.通过检测装置进行监测

发电机运行时，通过检测装置进行的监测有以下几方面。

1.转子绕组及励磁回路绝缘监测

发电机运行时，转子绕组的绝缘是最薄弱的部分。因转子高速运转，离心力大，温度最高，且转子运转时，其通风孔可能被冷却气体中的灰尘和杂物堵塞，这样长期运行会使转子绕组的绝缘降低，故运行中需用转子绝缘监测装置定期（每班一次）对转子绕组回路的绝缘电阻进行测量，其方法有：

（1）用电压表测量。测量时，切换转子电压表控制开关，分别测量出转子正、负极之间的电压U，转子正极对地电压U1，转子负极对地电压U2，再通过公式计算出转子绕组的绝缘电阻。

（2）用磁场接地检测装置测量发电机转子和励磁机转子的绝缘电阻。

2.定子绕组绝缘监测

定子绝缘监测装置由电压表和切换开关组成，通过测量各相对地电压判断定子绕组的绝缘情况。绝缘正常时，各相对地电压相等且平衡。当测量发现一相对地电压降低（或为零），而另两相电压升高时，则说明电压降低的一相对地绝缘电阻下降（或发生金属性接地）。也可通过测量定子回路零序电压（发电机电压互感器二次侧开口三角形绕组两端电压）来监测定子绕组的绝缘。零序电压除在交接班时进行测量外，值班时间内至少还应测量一次。

3.转子绕组运行温度的监测

转子绕组的运行温度用电阻法进行监测。

4.定子各部位运行温度的监测

通过发电机温度巡检装置的切换测量或计算机CRT 画面显示，可监测发电机定子绕组、定子铁芯、冷风区、热风区、氢气冷却器、密封油及轴承等不同部位的运行温度。需要指出的是在任何情况下均应防止冷氢温度高于内冷水入口温度。

发电机巡查（视频）

任务实施

（1）对发电厂的1 号发电机进行正常运行方式下的监测，填写监测数据。

（2）调整1 号发电机发出的有功功率，监测发电机发出的无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流的变化情况。制作表格，填写监测数据。

（3）调整1 号发电机发出的无功功率，监测发电机发出的有功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流的变化情况。制作表格，填写监测数据。