【正文】 下，常采用電動機拖動啟動或降壓啟動。電動機拖動啟動就是利用一臺小容量的電動機 (其容量約為發(fā)電機容量的3%～5%)拖動發(fā)電機，克服發(fā)電機的阻力，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時，再將發(fā)電機并入系統(tǒng)。降壓啟動就是將發(fā)電機經(jīng)電抗器接入電網(wǎng)，借助異步轉(zhuǎn)矩進行啟動，待升速至接近額轉(zhuǎn)速時，將電抗器短接，然后投入勵磁拖入同步。第六節(jié) 同步發(fā)電機的異常運行 發(fā)電機一般應(yīng)在其額定值范圍以內(nèi)運行，這種運行是安全的。但有時也可能遇到某些特殊情況，如定子或轉(zhuǎn)子電流超過額定值 (過負(fù)荷)、異步運行、不對稱負(fù)荷等等，這些都屬于同步發(fā)電機的異常運行或稱同步發(fā)電機的非正常工作狀態(tài)。研究這些運行情況對電機和電網(wǎng)的影響也是很重要的，由此可找出允許繼續(xù)運行的條件和要求，以提高電力系統(tǒng)運行的可靠性。 一、發(fā)電機的過負(fù)荷運行 前已述及，發(fā)電機的定子電流和轉(zhuǎn)子電流均不能超過由額定值所限定的范圍。但是，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障、發(fā)電機失步運行、成群電動機自啟動以及強行勵磁裝置動作等情況時，發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子都可能短時過負(fù)荷。電流超過額定值會使繞組溫度有超過允許限度的危險，嚴(yán)重時甚至還可能造成機械損壞。很顯然，過負(fù)荷數(shù)值越大，持續(xù)時間越長，上述危險性越嚴(yán)重。因此，發(fā)電機只允許短時過負(fù)荷。過負(fù)荷的允許數(shù)值不僅和持續(xù)時間有關(guān)，還和發(fā)電機的冷卻方式有關(guān)。直接冷卻的繞組在發(fā)熱時容易產(chǎn)生變形，所以過負(fù)荷允許值比間接冷卻的繞組要小。發(fā)電機過負(fù)荷的允許值和允許時間應(yīng)由制造廠規(guī)定。短時過負(fù)荷的允許時間，也可由下式計算 (717)式中 ——允許過負(fù)荷時間 (s)；——短時允許過負(fù)荷電流 (A)；——發(fā)電機額定電流(A)。發(fā)電機不允許經(jīng)常過負(fù)荷，只有在事故情況下，當(dāng)系統(tǒng)必須切除部分發(fā)電機或線路時，為防止系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定破壞，保證連續(xù)供電，才允許發(fā)電機作短時過負(fù)荷運行。二、發(fā)電機的異步運行同步發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)的原因很多，常見的有：勵磁系統(tǒng)故障，誤投發(fā)電機滅磁開關(guān)而失去勵磁，短路故障使發(fā)電機失步等等。下面僅就發(fā)電機失去勵磁后的異步運行狀態(tài)作簡要介紹?，F(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機無勵磁運行問題，已引起國內(nèi)外電力工作者的重視，并進行了大量的試驗、研究工作。目前研究結(jié)果表明，發(fā)電機失去勵磁后，如將有功負(fù)荷迅速減少到額定功率的40%～50%，就有可能在低轉(zhuǎn)差率下進入異步運行。這種異步運行受到時間的限制，在所限定的時間內(nèi)，運行人員可設(shè)法找出故障并盡快排除，使發(fā)電機通過適當(dāng)?shù)姆绞皆偻剑謴?fù)正常運行。失磁的發(fā)電機在一定的時間內(nèi)能夠以異步狀態(tài)運行，并繼續(xù)向系統(tǒng)輸送有功功率，這也是提高電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要措施，目前許多國家都已采用這一措施。在前蘇聯(lián)，對于間接冷卻的5萬kW及以下的發(fā)電機，允許異步運行的時間約為30min；對于直接冷卻的5～30萬kW的發(fā)電機，在負(fù)荷不超過額定功率的40%時，允許異步運行的時間為15min。在美國，高于同步轉(zhuǎn)速的允許運行時間一般為2～3min。我國近幾年在20萬kW的發(fā)電機組上均已進行了失磁后異步運行的試驗、研究工作，并取得一定的成果。眾所周知，在電力系統(tǒng)中，即使允許大型發(fā)電機組異步運行十幾分鐘，甚至幾分鐘，都是很難得的。允許發(fā)電機失磁異步運行的時間和輸送功率，受到多種因素的制約。首先，受到定子和轉(zhuǎn)子發(fā)熱的限制；其次，由于轉(zhuǎn)子的電磁不對稱所產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩將引起機組和基礎(chǔ)的振動，也應(yīng)有所限制；另外還有一個重要的約束因素，就是要考慮電力系統(tǒng)是否能供給足夠的無功功率，因為失磁的發(fā)電機要從原來輸送無功功率轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅课障到y(tǒng)的無功功率，這樣在系統(tǒng)無功功率不足時，將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的大幅度下降。這些因素很可能危及機組和整個系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。因此，某一臺發(fā)電機能否失磁異步運行，以及允許異步運行時間的長短和輸送功率的多少，必須根據(jù)發(fā)電機的型式、參數(shù)、轉(zhuǎn)子回路連接方式以及外接電力系統(tǒng)的性質(zhì)等條件，進行具體分析，必要時尚需經(jīng)過試驗，才能最后確定。發(fā)電機失磁后觀察到的現(xiàn)象失磁后的異步運行狀態(tài)與原先的同步運行狀態(tài)相比，有許多不同之處，其現(xiàn)象可由表計的變化看出，主要有：⑴轉(zhuǎn)子電流表的指示降為零或降到接近于零；⑵定子電流表擺動且指示增大；⑶有功功率表指示減小且也發(fā)生擺動；⑷無功功率表指示負(fù)值，功率因數(shù)表指示進相，發(fā)電機母線電壓表指示值下降并擺動；⑸轉(zhuǎn)子各部分溫度升高。發(fā)電機失磁后的異步運行過程發(fā)電機失去勵磁后，其電磁功率減小，在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不平衡狀況，過剩的機械轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使同步發(fā)電機加速，轉(zhuǎn)子被加速后，超出同步轉(zhuǎn)速運行，這個過程通常要經(jīng)過2～6s，以致最后失去同步。當(dāng)發(fā)電機超出同步轉(zhuǎn)速運行時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)磁場之間有了相對運動，于是在轉(zhuǎn)子勵磁繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子的齒與槽楔中，將分別感應(yīng)出頻率為轉(zhuǎn)差頻率的交流電流，這些電流產(chǎn)生制動的異步轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機開始向系統(tǒng)輸送有功功率。轉(zhuǎn)速的升高一直繼續(xù)到發(fā)電機出現(xiàn)的制動異步轉(zhuǎn)矩和原動機的輸入轉(zhuǎn)矩相等為止。實際上，這時發(fā)電機處于異步運行狀態(tài)。圖725所示為發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩特性曲線，圖中的曲線4表示原動機的轉(zhuǎn)矩特性，隨著轉(zhuǎn)速的升高，即轉(zhuǎn)差率增大，將引起調(diào)速器動作，關(guān)小汽門(或?qū)?，減少進汽 (或進水)量，減小原動機的輸入轉(zhuǎn)矩，因此原動機的輸入轉(zhuǎn)矩即由下降，保證異步運行的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不會無限升高。曲線4與汽輪發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩特性曲線1相交于A1點，與有阻尼繞組水輪發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩特性曲線2相交于A2點，與無阻尼繞組水輪發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩特性曲線3相交于A3點，這些點為轉(zhuǎn)矩平衡點，即平均異步轉(zhuǎn)矩相平衡的點，此時出現(xiàn)了新的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不再升高，發(fā)電機在某一轉(zhuǎn)差率下維持穩(wěn)定運行，故稱這種運行狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)異步運行。AAA3稱為穩(wěn)態(tài)異步運行點，很明顯，這些點決定了穩(wěn)態(tài)異運行時，發(fā)電機輸出有功功率的大小和運行的轉(zhuǎn)差率。由圖725可見，汽輪發(fā)電機具有良好的平均異步轉(zhuǎn)矩特性，因而在較小的 (約千分之幾)轉(zhuǎn)差率下，就能達(dá)到穩(wěn)定運行點A1，此時由于調(diào)速器使汽門關(guān)閉的幅度很小，故輸出的有功功率仍相當(dāng)大。在異步運行時，發(fā)電機需從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，以建立內(nèi)部磁場，所以發(fā)電機的電壓以及附近用戶的電壓將下降。所需無功功率的大小和發(fā)電機的同步電抗以及轉(zhuǎn)差率有關(guān)，越大，越小，所需的無功功率也越小。汽輪發(fā)電機的較大，甚小，所需無功功率也較小，網(wǎng)絡(luò)電壓降低不多。所以汽輪發(fā)電機短時間異步運行是允許的，可輸出的有功功率大，轉(zhuǎn)差率甚小，電壓降低也很小，不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子損耗過大而使電機受到損傷的現(xiàn)象。當(dāng)勵磁恢復(fù)后，電磁轉(zhuǎn)矩又將汽輪發(fā)電機平穩(wěn)地拉入同步。但是，長時間的異步運行也是不允許的，因會為引起發(fā)電機和鐵芯端部過熱，轉(zhuǎn)子繞組也由于感應(yīng)電流產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，引起發(fā)熱和損傷，所以汽輪發(fā)電機的異步運行受到時間限制，一般規(guī)定汽輪發(fā)電機的異步運行時為15～30min，不宜過長。 水輪發(fā)電機和汽輪發(fā)電機不同，平均異步轉(zhuǎn)矩特性較差，當(dāng)變化很大時，平均異步轉(zhuǎn)矩變化不大，最大平均異步轉(zhuǎn)矩也小于失磁前的原動機轉(zhuǎn)矩；因而只能在滑差相當(dāng)大時才能達(dá)到穩(wěn)定運行點AA3，如圖725所示。在這樣大的下運行，轉(zhuǎn)子有過熱的危險，所以一般是不允許的。除此之外，水輪發(fā)電機的同步電抗較小，異步運行時定子電流很大，所以也應(yīng)限制其異步運行。當(dāng)水輪發(fā)電機失去勵磁后，特別是無阻尼繞組的水輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)速迅速增加，負(fù)荷減小到接近于零，所以必須將它從電網(wǎng)中切除。對有阻尼繞組的水輪發(fā)電機，情況略好一些，但一般約在滑差為3%～5%時。才出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平衡 (圖725中的也點)，對阻尼繞組有過熱的危險，所以一般只允許運行很短的時間 (約幾秒)，必須設(shè)法迅速恢復(fù)勵磁或切除發(fā)電機。 三、發(fā)電機的不對稱運行 發(fā)電機的不對稱運行也是屬于非正常工作狀態(tài)。在實際運行中，引起發(fā)電機不對稱運行的原因可能是多種多樣的，如不對稱負(fù)荷 (電氣機車、電爐等)、輸電線路不對稱 (低壓網(wǎng)中采用的“兩線一地”接線方式)以及非全相運行狀態(tài)等。當(dāng)同步發(fā)電機不對稱運行時，由對稱分量法可知，定子繞組中除了有正序電流外，還有負(fù)序電流。所以，發(fā)電機三相不對稱運行的特點就是伴隨著出現(xiàn)負(fù)序電流。 正序電流是由發(fā)電機電動勢產(chǎn)生的，正序電流所形成的正序磁場與轉(zhuǎn)子保持同步，對轉(zhuǎn)子而言是相對靜止的，在轉(zhuǎn)子繞組里不感應(yīng)電流，這種情況下，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱由勵磁電流來決定。而當(dāng)負(fù)序電流出現(xiàn)后，它除了和正序電流疊加使定子相電流可能超過額定值致使繞組過熱之外，還會引起轉(zhuǎn)子的附加發(fā)熱和機械振動，因為當(dāng)定子三相繞組中流過負(fù)序電流時，所產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場將以同步速度向轉(zhuǎn)子運動的反方向旋轉(zhuǎn)，在勵磁繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出兩倍額定頻率 (100Hz)的電流，從而引起附加發(fā)熱。由于該感應(yīng)電流的頻率較高，集膚效應(yīng)較大，不容易穿入轉(zhuǎn)子深處，所以這些電流只在轉(zhuǎn)子表面的薄層中流過。對汽輪發(fā)電機，通常齒部的穿透深度為幾毫米，槽楔處約為1～。因此，感應(yīng)電流在轉(zhuǎn)子各部分造成的附加發(fā)熱集中于表面層。而此電流在轉(zhuǎn)子表面的分布與鼠籠式電動機的轉(zhuǎn)子電流分布相似，在轉(zhuǎn)子表面沿軸向流動，在轉(zhuǎn)子端部沿圓周方向流動，從而形成環(huán)流，如圖726所示。這些電流不僅流過本體1(線A)，還流過護環(huán)2 (線B、C和D)以及芯環(huán)3(線D)。這些電流流過轉(zhuǎn)子的槽楔與齒，并流經(jīng)槽楔和齒與套箍的許多接觸面。這些地方的電阻較高，發(fā)熱尤為嚴(yán)重，可能產(chǎn)生局部高溫，以致破壞轉(zhuǎn)子部件的機械強度和繞組絕緣。 除了上述的附加發(fā)熱外，負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場還在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生兩倍額定頻率的脈動轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機組產(chǎn)生100Hz的振動并伴有噪聲。這種振動將引起金屬疲勞和機械損傷，給機組帶來嚴(yán)重危害。 負(fù)序電流產(chǎn)生的附加發(fā)熱和振動，對發(fā)電機的危害程度與發(fā)電機的類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)。 汽輪發(fā)電機由于轉(zhuǎn)子是隱極式的，磁極與軸為統(tǒng)一整體，繞組置于槽內(nèi)，散熱條件較差，所以負(fù)序電流產(chǎn)生的附加發(fā)熱可能成為限制不對稱運行的主要條件。而負(fù)序電流在汽輪發(fā)電機中引起的機械振動較小，因為它的轉(zhuǎn)子是個圓柱體，縱軸和橫軸的磁導(dǎo)相差不大，引起的附加振動也不大，所以機械強度的危害較小。 水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是凸極式的，散熱條件較好，當(dāng)它與隱極機有同樣的不對稱運行條件時，其附加發(fā)熱溫升較低，如有阻尼繞組，雖可引起阻尼繞組的發(fā)熱，但阻尼繞組可以削弱負(fù)序磁場的影響，從而減輕轉(zhuǎn)子的發(fā)熱程度。但是，水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑較大，縱軸和橫軸的磁導(dǎo)差別也較大，因而由負(fù)序電流所引起的機械振動較嚴(yán)重。同時，由于水輪發(fā)電機的機座是焊接件，承受振動的能力又較弱，所以附加振動就可能成為限制水輪發(fā)電機不對稱運行的主要條件。發(fā)電機不對稱運行時，其允許負(fù)荷主要定于下3個條件。⑴負(fù)荷最大相的定子電流，不應(yīng)超過發(fā)電機定子的額定電流。⑵轉(zhuǎn)子最熱點的溫度，不應(yīng)超過轉(zhuǎn)子絕緣材料和金屬材料的允許溫度。⑶不對稱運行時出現(xiàn)的機械振動，不應(yīng)超過允許范圍，機械振動的允許值按制造廠推薦的標(biāo)準(zhǔn)確定。表72 同步發(fā)電機不對稱運行時所允許的不對稱電流和持續(xù)時間序號運行情況允許不對稱電流與持續(xù)時間發(fā)電機種類和冷卻方式隱極式發(fā)電機凸極式發(fā)電機空氣或氫氣表冷導(dǎo)線直接內(nèi)冷1不對稱短路負(fù)序能力不應(yīng)大于右列值（s）2三相負(fù)荷不對稱，非全相運行，進行短時間的不對稱短路試驗以及系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障的情況負(fù)序電流標(biāo)么值持續(xù)允許時間（min）~立即停機123510立即停機立即停機123535103在額定負(fù)荷下連續(xù)運行三相電流之差對額定電流之比,不超過右列值.或者負(fù)序電流標(biāo)么值不超過右列值.第一個條件是考慮到定子繞組的發(fā)熱不超過允許值。第二和第三條件是針對不對稱運行時出現(xiàn)的負(fù)序電流所造成的危害而提出來的。由于發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、材料和冷卻方式等的不同，負(fù)序電流允許范圍也不同。因此，不對稱運行時，負(fù)序電流的允許值和允許時間都不應(yīng)超出制造廠家規(guī)定的范圍。如無制造廠家的規(guī)定，可參照我國規(guī)定的發(fā)電機不對稱運行時的允許電流和持續(xù)時間來執(zhí)行，具體情況見表72?，F(xiàn)簡要分析表72中的規(guī)定：表中第1項規(guī)定為當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生不對稱短路時，其允許持續(xù)時間由負(fù)序能力允許值來計算。其中是等值負(fù)序電流對額定電流之比，即額定標(biāo)么值，具體由下式?jīng)Q定 (718)式中 ——負(fù)序電流的瞬時標(biāo)么值，即負(fù)序電流瞬時值對額定電流的比值。當(dāng)發(fā)電機裝有自動調(diào)整勵磁裝置或強行勵磁裝置時，可按短路電流計算。這項規(guī)定的特點是值很大，持續(xù)時間很短。代表負(fù)序能力，為熱容量，它決定轉(zhuǎn)子各部分的溫度。所以，的允許值根據(jù)電機類型以及冷卻方式而有所不同。對10萬kW以下的空氣冷卻或者氫冷卻的汽輪發(fā)電機，其負(fù)序能力＝30s。對于用水直接冷卻的汽輪發(fā)電機，由于定子電流密度顯著增大，轉(zhuǎn)子表面的渦流損失密度也增大，的允許值變小，我國規(guī)定此值等于15s。歐美各國規(guī)定的此值更小一些，一般等于10s。隨著機組容量的增大，的允許值顯著地降低。對于凸極式水輪發(fā)電機，我國規(guī)定＝40s。關(guān)于第3項，發(fā)電機在額定負(fù)荷下連續(xù)運行時，有兩個規(guī)定，一是對三相電流之差對額定電流之比的限定，規(guī)定各相電流最大差值對額定電流之比，即不得超過表中所列數(shù)值，具體為：汽輪發(fā)電機不得超過10%，水輪發(fā)電機不得超過20%。二是對負(fù)序電流標(biāo)么值的限定，即對的限定。二者中一般是采用對的限定。我國對汽輪發(fā)電機規(guī)定不得超過6%，水輪發(fā)電機不得超過12%。當(dāng)發(fā)電機在低于額定負(fù)荷情況下運行時，各相電流最大差值對額定電流之比可以大于表中第3項中規(guī)定的數(shù)值，但應(yīng)根據(jù)試驗最后確定。在發(fā)電機運行時，如果發(fā)現(xiàn)三相電流的不對稱值超過表中第3項規(guī)定的數(shù)值時，應(yīng)立即查明原因并設(shè)法消除。如果出現(xiàn)的負(fù)序電流數(shù)值和持續(xù)時間超過表中第2項的規(guī)定，則應(yīng)立即將發(fā)電機解列停機。