淺析發電機過負荷及其應對措施

黃林

摘 要：發電機在正常運行時，不允許超過額定容量長期運行，但在高峰負荷或事故情況下發電機可以短時間過負荷運行。當發電機電壓低于額定值時，允許適當增大定子電流，但定子電流最大不得超過額定值的5%長期運行。

過負荷的允許數值不僅和持續時間有關，還與發電機的冷卻方式有關。直接內冷的繞組在發熱時容易變形，所以其過負荷的允許值比間接冷卻的要小。發電機定子和轉子短時過負荷的允許值由制造廠家根據國家標準規定上。

從運行角度分析，機組長時間過負荷運行所產生的積累熱效應總是會引起發電機定子線圈發熱，加速其絕緣老化，從而影響發電機及其連接設備的健康運行，所以不允許發電機長時間過負荷運行。為此，當發電機過負荷運行時，必須采取一定的應對措施進行處理。

關鍵詞：發電機;過負荷;允許數值;危害分析;應對措施

《規程》規定：發電機在正常情況下應按銘牌規定數據運行，即在額定狀態下運行。在正常運行時，發電機不允許超過額定容量長期運行。但同時又規定，在高峰負荷或事故情況下發電機可以短時間過負荷運行。當發電機電壓低于額定值時，允許適當增大定子電流，但定子電流最大不得超過額定值的5%長期運行。

過負荷的允許數值不僅和持續時間有關，還與發電機的冷卻方式有關。直接內冷的繞組在發熱時容易變形，所以其過負荷的允許值比間接冷卻的要小。發電機定子和轉子短時過負荷的允許值由制造廠家規定。我國國家標準GB7064-1986《水輪發電機通用技術條件》中，對于發電機定子繞組在直接冷卻和間接冷卻的情況下，短時過負荷的有關規定，詳見下表。

發電機不允許經常過負荷，只有在事故情況下，當系統必須切除部分發電機或線路時，為防止系統靜穩定破壞，保證連續供電，才允許發電機短時過負荷。

在系統發生短路故障，發電機失步運行，成群電動機啟動和強行勵磁等情況下，發電機定子和轉子都可能短時過負荷。過負荷使發電機定子，轉子電流超過額定值較多時，會使繞組溫度有超過容許限值的危險，使絕緣老化過快，甚至還可能造成機械損壞。過負荷數值愈大，持續時間愈長，上述危險性愈嚴重。但因發電機在額定工況下的溫度較其所使用絕緣材料的最高允許溫度低一些，有一定的備用余量可作短時間過負荷使用。在特殊情況下允許發電機短時間過負荷運行，一方面是為了防止電力系統在事故情況下瓦解，避免或減少對用戶拉閘限電，從而盡可能地減小對工農業生產和居民用電的影響，最大限度地減少各種損失。從另一方面來說，短時間過負荷不致于使發電機及其連接設備受損，這是因為發電機在設計時，對于溫升和絕緣材料的耐溫能力方面，都考慮有一定的裕度，而且短時間過負荷對絕緣材料的壽命影響不大，因為絕緣的老化需要一定的過程，絕緣材料變脆，介質損耗增大，耐受擊穿電壓的水平降低等都需要一個高溫作用的時間，高溫作用時間愈短，絕緣材料的損害程度愈輕，下面以空冷水輪發電機為例進行具體分析：

1.空冷水輪發電機在正常運行時，定子繞組的溫度一般為80—85℃，距定子繞組的允許溫度120℃還有35—40℃的差額，所以即使過負荷，在短時間內也不致于超出允許溫度值。但對于正常運行時定子或轉子線圈溫度較高的發電機，應該適當限制短時過負荷的倍數和時間。

2.對于空冷發電機，若是強行勵磁引起的過負荷，額外溫升不會大，所以不必擔心發電機有什么危險。

3.在電網事故情況下，發電機過負荷的時間可能較長，此時允許溫度不宜超過其絕緣所允許的數值。

從運行角度分析，機組長時間過負荷運行所產生的積累熱效應總是會引起發電機定子線圈和轉子線圈發熱，加速其絕緣老化，從而影響發電機及其連接設備的健康運行，所以不允許發電機長時間過負荷運行。為此，當發電機過負荷運行時，必須采取一定的應對措施進行處理：

一.為了保護發電機過負荷運行時其線圈絕緣不受損壞，根據線圈絕緣與溫度及溫度作用時間的關系，經過試驗制定過負荷時間表。如我廠《運行規程》規定過負荷時間不得超過下表規定：

二.當發電機定子電流超過額定值時，電氣值班人員應首先檢查發電機的功率和電壓，同時注意系統頻率和電壓的變化情況，按照現場規程的規定，掌握定子電流超過額定值所經歷的時間，核對是否超出過負荷時間表所規定的允許時間，如過負荷時發電機定子電流和轉子電流均超過額定值，應采用減少勵磁電流的方法，將定子電流降至最大允許值，但注意不得使功率因數高于最大允許值和造成電壓過低，。如果減少勵磁電流不能使定子電流降低到允許值時，則必須降低發電機的有功功率或切斷一部分負荷，同時請示值班調度開啟備用機組并入系統。過負荷時，水機值班人員應密切監視發電機各部溫度，并及時調整冷卻水，目的是防止定子線圈和轉子線圈的溫度超過允許值。

三.裝設發電機過負荷保護，主要用于保護電網事故引起的發電機過負荷。由于過負荷時三相電流是對稱的，所以過負荷保護采用接在一相電流中的一個電流繼電器和一個時間繼電器構成，作用于發信號。

當發電機過負荷信號發出后，值班人員除采取上述措施外，還應注意是否有低周備用機組啟動，如未啟動，可根據系統頻率及過負荷情況啟動備用機組并入系統;若無備用機組應立即向值班調度員報告，要求切斷部分負荷，并嚴格按照過負荷時間表控制機組運行。

上述三點是發電機過負荷運行時的一般應對措施，三者相輔相成，但在實際工作中，存在過負荷倍數與過負荷允許時間不便準確把握和處理棘手的問題，對于這個問題，從運行角度出發，主要是加強對運行值班人員的培訓工作，要求每個值班員，尤其是值班長要熟悉《規程》，熟記過負荷時間表，對造成機組過負荷的原因迅速作出正確的判斷（以當時系統運行方式和事故現象為根據），并區別不同情況，采取相應的對策和措施。按照“保人身、保電網、保設備”的“三保”原則，處理中既要避免由于處理不當造成事故擴大，又要盡量保證我廠機組設備不受損害，從多年運行實踐來看，1990年贛南電網與南昌電網聯網以前，由于贛南電量嚴重不足，而我廠又是贛南電網的主力電廠，機組過負荷運行可以說是家常便飯，低周備用機組自動啟動也是司空見慣的常事，那個年代我廠“舍小家，顧大家”，為贛南的經濟發展作出了巨大的貢獻，但同時我廠的機組設備由于經常性超負荷運行，也經受了十分嚴峻的考驗。1990年贛南電網與南昌電網聯網以后，我廠四臺發電機組過負荷運行已較為少見，但我們也絕不可掉以輕心，一旦系統發生事故，贛南網與南昌網解列（兩網聯絡尚比較單薄），造成我廠過負荷運行的概率仍然較大，2000年3月8日虎崗變電站事故引起我廠機組過負荷就是一個很好的例證。

另外我廠還有一個值得注意的問題是：當電網事故引起機組過負荷，并發出過負荷信號時，由于我廠過負荷保護的整定值一次為1438安培，其過負荷倍數為1438/1032=1.4倍，按過負荷時間表規定運行時間不得超過五分鐘，也就是說從過負荷信號發出后，機組運行時間不得超過五分鐘，但在實際工作中，由于系統發生了事故，即使機組過負荷運行時間已經超過允許時間，調度也不會同意我廠自行解列，這對我廠發電機絕緣十分不利，因此，根據目前我廠的機組容量和在系統中的地位，建議在以后的機組保護改造工作中加裝反時限過電流保護作用于跳發電機開關，作為過負荷保護的補充，這樣既能保證我廠機組設備的健康穩定運行，又便于運行值班人員掌握處理此類系統事故的尺度。