发电机频繁启停机危害分析

发电机频繁启停机危害分析
发电机作为电厂最重要的一次设备之一，其安全运行和检修维护一直备受关注，而威胁发电机安全运行的因素很多，文章主要阐述的是频繁启停机对发电机的危害及维护检修措施。

标签：同期并网；相位差；幅值差
目前，发电厂运行方式受电网调度和某些特殊运行方式下，存在长期调峰频繁启停机，此类发电机的运行工况是比较恶劣的。

首先，发电机会在短时间内（如一周内）多次开机并列。

同期并列过程实际上对发电机存在影响，虽然自动准同期并网方式已经广泛应用，但由于目前技术还无法做到完全无扰并网，在并网瞬间存在着电压差、相角差和频率差，会对发电机定子和转子造成一定损伤（取决于压差、频差和相角差幅值），特别是会在发电机转子上产生以较大的扭矩，长时间密集同期并列会对发电机定、转子产生危害，造成诸如线圈绑扎松动，铁芯松动，端部发热等机械应力伤害和绝缘下降。

具体分析如下：
1 电压幅值差对发电机造成的影响
假设带并侧U和系统侧Us 同相位，且带并侧f =系统侧fs ，而电压幅值不同，并列时会产生冲击电流。

发电机阻抗是感性的，这时发电机电流Ij 属于无功性质，其有效值为Ij=Ud/jX″d。

当U>Us时，Ij滞后Ud90°，该电流对发电机起去磁作用，使U降低，发电机并列后立即输出无功负荷。

当U<Us 时，Ij超前Ud 90°，该电流对发电机起助磁作用，使U 升高，发电机并列后从系统吸收无功功率。

如果Ud 很小，能起到平衡电压作用，过大将引起发电机定子绕组发热或使绕组端部因电动力的作用受到损坏。

因此，一般要求电压差为额定电压的5% 10%。

2 相位差对发电机造成的影响
发电机并列时，若U=Us，f=fs，E0与Us之间有相位差δd，这时会产生有功性质的冲击电流（如图1所示），E0 超前Us。

由于Xd 是感性，冲击电流Ij 总要滞后电压Ud 90°，Ij 的有功分量和E0同相，发电机并入系统后转子磁场拖动定子磁场转动，将送出有功功率。

当E0 滞后Us 时（如图2所示），Ij 的有功分量和E0 反相，发电机并入系统后将吸收有功功率。

有功分量电流将在发电机轴上产生冲击力矩。

图1 U（E0）超前US输出有功图2 U（E0）滞后US吸收有功
发电机电流的有效值为Ij =Ud / jX″d = [ 2U ×sin （δd /2）] /X″d
由此可见，并列时δd 角越大，产生的冲击电流越大。

如果误操作，在δd = 180°时并列冲击电流最大（相当于2 倍额定电压下空载发电机在出口发生三相短路），产生巨大的电动力，引起绕组发热，损坏发电机。

为了在发电机并列时不产生过大的冲击电流，应在δd 接近0时合闸。

通常并列操作时合闸的相角差不应超过5°。

3 频率差对发电机造成的影响
当f≠fs 时，从电压相量图分析，U 与Us 的旋转速度不同，有相对运动。

U以角速度ω旋转，Us以角速度ωs 旋转，若把Us 看作相对静止，U 将以Δω =ω -ωs 旋转。

此时电压差Ud 是变化的，形成脉动电压，在发电机投入系统后产生脉动电流。

当U与Us 同相时，电流最小，反相时电流最大，将引起发电机振动，导致发电机失步。

根据运行经验，准同步并列时允许频率差范围为额定值的0.2%、0.5%。

对于额定频率50 Hz的工频，频率差为0.1%，0.5Hz。

解决方式是，尽量使并列前发电机电压相位比系统电压相位稍微超前，发电机电压频率比系统电压频率略高，合闸后发电机可带上有功负荷，产生一个制动力矩，有利于將发电机快速拖入同步，减少对发电机的损害和冲击。

因此，按汽轮发电机运行规程要求，调峰或频繁启动发电机应每月测一次发电机定子和转子绝缘，以评估频繁启停机对发电机造成的损害。

其次，长期频繁启动发电机在开停机过程中会频繁变动负荷，穿越机组振动区，由于频繁开停机导致的负荷变化会引起转子铜线棒延展，热胀和收缩，导致绝缘损坏，特别是转子端部受到的应力会很大，从而导致损坏。

频繁启停机对定子绕组产生的损害更大。

汽轮发电机在开停机过程中，定子铁芯会随开机次数频繁受到各种应力和电磁力作用。

1）定子铁心受电磁扭矩和轴向重力作用；2）一般发电机组开机后，几小时就要求发电机由零至满负荷，电机定子绕组的温度会由20度升至120度，铜绕组会延展，但绝缘材料升温较慢，会造成同绕组和主绝缘之间会产生应力，可能会产生空隙，甚至完全剥离。

主绝缘和线棒之间的空洞会造成局放的发生（线棒一般大于2米）。

同时，发电机定子铁心在启动过程中会发热，这样一来，在铁心与及机座之间就会出现温差，由于铁心与机座的膨胀率不同，铁心的热膨胀率必然会受到机座限制，再加上采用的定位筋是刚性材料，机座就会对铁心产生巨大的径向压力。

而目前预防此类故障的方法只能是按绝缘和铜线棒之间的温度差尽量小，开机时尽量延长其温升时间。

3）由于定转子之间电枢反应存在电磁力的相互作用，同期并列过程和升负荷过程中，转子对定子铁心必然产生一个径向的磁拉力；4）运行过程中铁心的热膨胀，铁心合缝面受到一个挤压力。

这种挤压力也会在其停机过程中发生变化，使定子铁心受到上述力的综合作用后，内部产生切向应力，如果应力超过一定限度，定子冲片容易产生失稳现象，导致铁心发生波浪状轴向变形，与此同时，对固定定子铁心叠片的齿压板产生作用力，再加上铁心装配时，如果拉紧螺杆压紧的力不均匀，那么在拉力较弱的地方，就会发生齿压板凸起现象。

从而引起定子铁心变形，对机组产生如下影响：
1）发电机组振动幅度增大；
2）电磁噪声增大；
3）加大了定子电流的谐波分量；
4）增加铁心的发热和热损；
5）加快了定子铁心绝缘的老化程度；
6）容易引进槽楔及槽垫块等的松动；
7）使线棒的绝缘垫松动，并磨损绝缘层，引起定子线圈匝间短路，危及机组安全运行。

另外，频繁启停机并网容易对系统造成冲击，反过来会影响发电机的安全运行。

频繁并网对并网断路器影响很大，会降低断路器操作的可靠性和寿命，如果并网过程中发生断路器故障，容易造成非同期合闸和断路器故障等重大事故，还容易引发系统振荡从而造成更大的破坏，造成发电机的损坏和系统稳定破坏。

4 结束语
从上述分析看，如果能从运行方式上采取措施避免出现调峰或频繁启停机，会极大的延长发电机的检修周期，提高寿命和可靠性，有利于减少非停次数，能极大地提高经济效益和社会效益。

参考文献
[1]汽轮发电机运行规程1999版.
[2]发电机同期系统试验及并网过程分析.湖南电力第28卷/2008年第6期.
作者简介：周晓兵（1971-），男，四川省渠县人，国电重庆恒泰发电有限公司设备管理部副主任，职称：工程师，研究方向：电气设备运行与检修。