同步发电机进相运行分析

同步发电机进相运行分析
摘要：本文主要阐述当发电机进相运行时，对发电机静态稳定的影响及稳定储
备系数的限制。

同时对发电机端部发热情况的分析，以及对厂用电电压的影响及
减少发电机端部漏磁的措施。

关键词：发电机；进相；迟相；无功功率；静态稳定；磁通
1.概述
随着电力系统的不断发展，高压输电线路和电缆长度不断增加，以及为弥补
高峰负荷时无功的不足，在电网中分散装设许多静电电容，这些都使系统的电容
性无功功率增加，因而在低负荷运行时，系统或系统的某部分，容性无功可能超
过负载感性无功和网络无功损耗之和，并在电网的某些枢纽点上会产生电压上升，以致超过容许范围。

例如元宝山发电责任公司三台600MW机组由于处在电网末端，发电机出口母线电压经常升高，造成发电机进相运行使其定子端部的压指、
压圈等部件产生过热而受到损坏，因此元电在500KV母线并联一组可调电抗器来
吸收多余的无功功率，但这总有一定限度，且增加了设备投资。

因此早在五十年代，国外就开始试验研究大容量发电机进相运行，以吸收无功功率进行电压调整。

近些年来我国也广泛开展了进相运行的研究工作。

实践表明，发电机进相运行是
切实可行的。

进相运行，实际就是发电机在欠激状态下运行。

发电机在过激时，会向系统
送出无功，这时定子电流落后于端电压。

而欠激磁时会吸收系统无功，或者说向
系统送出电容性无功，补偿系统电容性负荷，定子电流超前于端电压。

发电机这
种欠励磁进相运行方式，对发电机静态稳定和端部发热都产生不利的影响。

因此在《发电机运行规程》中不能不作出一定的限制，要求在有自动电压调
整器时，容许短时间在cosΦ＝﹙0.95～1﹚范围内运行。

对于进相运行时，容许
的有功和无功出力一般要通过试验，根据静态稳定和端部发热情况决定。

2.进相运行对静态稳定的限制
以隐极同步发电机与无穷大电网并联为例，若发电机直接与电网，其功角特
性为：Pdc=m（E0U/Xd）sinδ.
上式中：Pdc（发电机电磁功率）；E0（发电机空载电势）；U（发电机端电压）；Xd（发电机同步电抗）；δ（功角）。

由上式可知：当δ=900时，所对应
的电磁功率为静态稳定理论上的最大值。

发电机进相运行时，在输出一定有功功
率条件下，激磁电流减少，功角δ就要增大，从而使发电机静态稳定度降低。

发电机为了安全在进相范围运行，应按静态稳定极限留有适当裕度，也就是
保证一定的静态稳定储备系数，至于应取多大的静态稳定储备系数合理，实际上
难于做出统一规定，在没有励磁调节装置时，一般按发电机额定功率的10℅考虑，以保证发电机的稳定运行。

3.进相运行时对发电机定子端部发热的影响
发电机运行时，由于漏磁会引起端部发热，在进相运行时，随着进相功率增大，端部发热越来越为严重。

发电机端部的漏磁，是由定子绕组磁势和转子绕组磁势联合产生的，其大小
与定、转子电流大小及发电机功率因数有关，也与发电机端部型式和构件所用材
料有关。

因为发电机运行时，由定子绕组电流在端部产生的漏磁通以及转子绕组电流
产生的漏磁通，都将尽可能从磁阻最小的路径上通过，因此磁性材料制成的构件，
如定子端部铁芯，端部压板、压指、紧固端部线圈的支架以及转子护环等都将通过较多的漏磁通。

由于这些漏磁通在空间上和转子一样同速旋转，当它们穿过定子各部件时将产生磁滞和涡流损耗，而使这些部件发热。

特别是直接冷却的或者大型氢冷线负荷较大的发电机，发热更为显著。

在迟相运行时这种发热实在容许范围之内的。

而在进相运行时，随着进相功率的增大，发热越来越严重，这是因为端部合成磁通随功率因数的变化所致。

下边用汽轮发电机磁势电势向量图来分析发电机进相运行时功率因数变化对端部发热产生的影响。

如：图（1）。

图（1）简化磁势、电势向量图
图中：F0（发电机磁势）；Fa（电枢反应磁势）；F（合成磁势）；E0（发电机电势）；UF（发电机端电压）；I（发电机定子电流）；jIxd（发电机内部压降）；I（定子电流）；向量UF与向量I的夹角为功率因数角（φ）。

图（a）所示气隙磁通关系中，各磁通全都通过气隙，其磁阻与图（1）中各磁势作用的磁通磁阻相同。

因此，图（a）与图（1）相似。

但是定子端部漏磁通的路径很复杂，定子端部漏磁通与转子端部漏磁通不取共同的途径。

某一点的磁通量取决于该点的磁阻，故此磁通量因地而异。

定子铁芯端部中，由定子磁势引起的漏磁通φea易于通过，在图（b）中以AC表示。

转子磁势引起的漏磁通φeo 经过气隙进入定子铁芯端部的部分则较小，假设它为励磁磁通量向量φo的λ倍（λ＜1，随铁芯端部的位置而异），在图（b）中以向量AD表示，其值为a，AD=λ×AB。

此时定子端部的合成漏磁通φe等于CD。

在保持定子电流不变的情况下（即图中AC不变），当功率因数由迟相转为进相运行时，则定子端部的合成漏磁通φe增大，φe=CD。

从而使定子端部感应出较大的涡流造成端部发热。

综上所述可以了解，当发电机迟相运行cosφ=0时，合成漏磁通为最小，当功率因数从迟相往进相变化时，在功率因数cosφ=1附近合成漏磁通的变化最为显著，随着进相功率因数cosφ从1再降到0的过程中，所吸收的无功功率逐步增加，合成漏磁通越来越大，发电机端部发热也就越来越严重，因此进相深度要有严格的规定。

如果在功率因数不变的情况下运行，则端部漏磁通的大小与发电机输出的视在功率成正比。

因此欲保持发电机端部发热不过于严重而保持端部漏磁通不致过大，随着进相程度的增加，应降低发电机的出力。

发电机定子端部的漏磁通实际分布是非常复杂的，但通过试验表明，一般在铁芯叠片靠近槽底部位的磁通密度最大，而随着沿着定子径向距离的增大，磁通的密度逐渐减少，由此可知，靠近槽底部的齿压板的温度将比轭部要高，所以，在同样的定子电压和电流的条件下，随着功率因数从发电机迟相向进相运行的转移，由于端部漏磁的增大，定子端部发热越为严重。

另外，由于发电机转子护环位于定子端部线圈与转子端部线圈之间，如果所用的材料是导磁材料，将使端部漏磁通显著增大。

在发电机迟相运行时，定子电流与转子电流在转子护环所产生的磁通方向相同，并且定子磁通和转子磁通在护环上叠加，从而使护环磁路处于饱和状态，磁阻增大，使端部漏磁相对减少，如果励磁电流的增加与减少，那麽护环的饱和程度也随之增加与减少。

在发电机进相运行时，定子电流与转子电流在转子护环所产生的磁通方向相
反，并且定子磁通和转子磁通在护环上叠加，从而使护环磁路饱和程度进一步降低，使磁阻减小，漏磁通相对增加，随着发电机功率因数往进相变化的过程，端部合成漏磁通也随之增加，磁性护环会使端部漏磁的增加趋势进一步加强。

4.进相运行对厂用电电压的影响及减少发电机端部漏磁的措施
（1）进相运行对厂用电电压的影响
进相运行除了考虑发电机静态稳定极限的限制和发电机端部发热的影响外，还应考虑到对厂用电电压降低的影响。

通常，大多数发电厂的厂用电都引自发电机出口或发电机电压母线。

在进相运行时，随着发电机励磁电流的减小，发电机出口电压的降低，厂用电电压也随之降低。

一般情况下，当发电机出口电压不低于其额定值的5％时厂用电电压不低于其额定值的10％的条件下，应能保证厂用大型电动机的正常连续运行。

对于一个发电厂来说，通常选作进相运行的发电机只是某一、两台，所以可以保持发电机出口端电压在额定值的95％以上。

需要特别注意的是在进相运行时，厂用电支路又发生故障，此时应能保证大型厂用电动机（例如给水泵电动机）的自启动。

此外也要考虑厂用低压电动机由于过电流而引起的过热问题。

为了顺利地实行进相运行，可考虑厂用变压器采用带负荷调压的变压器，或者把进相运行机组的厂用电转至厂用高压备用变压器供给。

（2）减少发电机端部漏磁的措施
最后简单谈一下一般汽轮发电机，为减少定子端部漏磁而采取的几项措施。

A 定子铁芯端部的压指，压板等采用非磁性钢制作。

B 在铁芯端部齿上开槽，以限制齿上的漏磁通路，减少齿上的漏磁损耗。

C 在铁芯压板上装设铜板屏蔽以减少涡流损耗。

D 转子护环采用非磁性材料制作。

E 定子铁芯端部制成阶梯形，以改善定子铁芯端部漏磁分布，减少铁芯端部外侧的漏磁，降低齿端磁通密度。

上述措施，可使发电机端部损耗减少，从而降低了发电机进相运行时定子端部的温升。

参考文献：
[1]电机学，汪国梁.北京机械工业出版社.1987.
[2]华北电力学院动力工程系培训教材.1994.
[3]电机学，阎治安，崔新艺.西安交通大学出版社.2005.。