發電機頻繁啟停機危害分析

摘 要：發電機作為電廠最重要的一次設備之一，其安全運行和檢修維護一直備受關注，而威脅發電機安全運行的因素很多，文章主要闡述的是頻繁啟停機對發電機的危害及維護檢修措施。

關鍵詞：同期并網；相位差；幅值差

目前，發電廠運行方式受電網調度和某些特殊運行方式下，存在長期調峰頻繁啟停機，此類發電機的運行工況是比較惡劣的。

首先，發電機會在短時間內（如一周內）多次開機并列。同期并列過程實際上對發電機存在影響，雖然自動準同期并網方式已經廣泛應用，但由于目前技術還無法做到完全無擾并網，在并網瞬間存在著電壓差、相角差和頻率差，會對發電機定子和轉子造成一定損傷（取決于壓差、頻差和相角差幅值），特別是會在發電機轉子上產生以較大的扭矩，長時間密集同期并列會對發電機定、轉子產生危害，造成諸如線圈綁扎松動，鐵芯松動，端部發熱等機械應力傷害和絕緣下降。具體分析如下：

1 電壓幅值差對發電機造成的影響

假設帶并側U和系統側Us 同相位， 且帶并側f =系統側 fs ， 而電壓幅值不同， 并列時會產生沖擊電流。發電機阻抗是感性的， 這時發電機電流Ij 屬于無功性質， 其有效值為Ij=Ud/jX″d。當U>Us時， Ij滯后Ud90°， 該電流對發電機起去磁作用， 使U降低， 發電機并列后立即輸出無功負荷。當U

2 相位差對發電機造成的影響

發電機并列時， 若U=Us，f=fs，E0與Us之間有相位差δd，這時會產生有功性質的沖擊電流（如圖1所示） ， E0 超前Us。由于Xd 是感性， 沖擊電流Ij 總要滯后電壓Ud 90°， Ij 的有功分量和E0同相， 發電機并入系統后轉子磁場拖動定子磁場轉動， 將送出有功功率。當E0 滯后Us 時（如圖2所示） ， Ij 的有功分量和E0 反相， 發電機并入系統后將吸收有功功率。有功分量電流將在發電機軸上產生沖擊力矩。

圖1 U（E0）超前US輸出有功 圖2 U（E0）滯后US吸收有功

發電機電流的有效值為Ij =Ud / jX″d = [ 2U ×sin （δd /2） ] /X″d

由此可見， 并列時δd 角越大， 產生的沖擊電流越大。如果誤操作， 在δd = 180°時并列沖擊電流最大（相當于2 倍額定電壓下空載發電機在出口發生三相短路） ， 產生巨大的電動力， 引起繞組發熱， 損壞發電機。為了在發電機并列時不產生過大的沖擊電流，應在δd 接近0時合閘。通常并列操作時合閘的相角差不應超過5°。

3 頻率差對發電機造成的影響

當f≠fs 時， 從電壓相量圖分析， U 與Us 的旋轉速度不同， 有相對運動。U以角速度ω旋轉， Us以角速度ωs 旋轉， 若把Us 看作相對靜止， U 將以Δω =ω -ωs 旋轉。此時電壓差Ud 是變化的， 形成脈動電壓， 在發電機投入系統后產生脈動電流。當U與Us 同相時， 電流最小， 反相時電流最大， 將引起發電機振動， 導致發電機失步。根據運行經驗， 準同步并列時允許頻率差范圍為額定值的0.2%、0.5%。對于額定頻率50 Hz的工頻， 頻率差為0.1%，0.5Hz。解決方式是，盡量使并列前發電機電壓相位比系統電壓相位稍微超前， 發電機電壓頻率比系統電壓頻率略高， 合閘后發電機可帶上有功負荷， 產生一個制動力矩， 有利于將發電機快速拖入同步，減少對發電機的損害和沖擊。

因此，按汽輪發電機運行規程要求，調峰或頻繁啟動發電機應每月測一次發電機定子和轉子絕緣，以評估頻繁啟停機對發電機造成的損害。

其次，長期頻繁啟動發電機在開停機過程中會頻繁變動負荷，穿越機組振動區，由于頻繁開停機導致的負荷變化會引起轉子銅線棒延展，熱脹和收縮，導致絕緣損壞，特別是轉子端部受到的應力會很大，從而導致損壞。頻繁啟停機對定子繞組產生的損害更大。汽輪發電機在開停機過程中，定子鐵芯會隨開機次數頻繁受到各種應力和電磁力作用。1）定子鐵心受電磁扭矩和軸向重力作用；2）一般發電機組開機后，幾小時就要求發電機由零至滿負荷，電機定子繞組的溫度會由20度升至120度，銅繞組會延展，但絕緣材料升溫較慢，會造成同繞組和主絕緣之間會產生應力，可能會產生空隙，甚至完全剝離。主絕緣和線棒之間的空洞會造成局放的發生（線棒一般大于2米）。同時，發電機定子鐵心在啟動過程中會發熱，這樣一來，在鐵心與及機座之間就會出現溫差，由于鐵心與機座的膨脹率不同，鐵心的熱膨脹率必然會受到機座限制，再加上采用的定位筋是剛性材料，機座就會對鐵心產生巨大的徑向壓力。而目前預防此類故障的方法只能是按絕緣和銅線棒之間的溫度差盡量小，開機時盡量延長其溫升時間。3）由于定轉子之間電樞反應存在電磁力的相互作用，同期并列過程和升負荷過程中，轉子對定子鐵心必然產生一個徑向的磁拉力；4）運行過程中鐵心的熱膨脹，鐵心合縫面受到一個擠壓力。這種擠壓力也會在其停機過程中發生變化，使定子鐵心受到上述力的綜合作用后，內部產生切向應力，如果應力超過一定限度，定子沖片容易產生失穩現象，導致鐵心發生波浪狀軸向變形，與此同時，對固定定子鐵心疊片的齒壓板產生作用力，再加上鐵心裝配時，如果拉緊螺桿壓緊的力不均勻， 那么在拉力較弱的地方，就會發生齒壓板凸起現象。從而引起定子鐵心變形，對機組產生如下影響：

1）發電機組振動幅度增大；

2）電磁噪聲增大；

3）加大了定子電流的諧波分量；

4）增加鐵心的發熱和熱損；

5）加快了定子鐵心絕緣的老化程度；

6）容易引進槽楔及槽墊塊等的松動；

7）使線棒的絕緣墊松動，并磨損絕緣層，引起定子線圈匝間短路，危及機組安全運行。

另外，頻繁啟停機并網容易對系統造成沖擊，反過來會影響發電機的安全運行。頻繁并網對并網斷路器影響很大，會降低斷路器操作的可靠性和壽命，如果并網過程中發生斷路器故障，容易造成非同期合閘和斷路器故障等重大事故，還容易引發系統振蕩從而造成更大的破壞，造成發電機的損壞和系統穩定破壞。

4 結束語

從上述分析看，如果能從運行方式上采取措施避免出現調峰或頻繁啟停機，會極大的延長發電機的檢修周期，提高壽命和可靠性，有利于減少非停次數，能極大地提高經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]汽輪發電機運行規程1999版.

[2]發電機同期系統試驗及并網過程分析.湖南電力第28卷/2008年第6期.

作者簡介：周曉兵（1971-），男，四川省渠縣人，國電重慶恒泰發電有限公司設備管理部副主任，職稱：工程師，研究方向：電氣設備運行與檢修。