大型透平发电机技术标准的改进

王莉莉

(哈尔滨龙江锅炉厂，黑龙江 哈尔滨 150050)

0 引言

近年来，由于应用领域、周围环境和结构设计等方面的变化，现有的同步电机标准已经不能适应新的发展。当前的“隐极转子”发电机标准，也不能适应于某些发电机结构的发展，比如:1)采用的替代结构;2)由于燃气轮机出力显著增加而采用的新结构;3)联合循环发电站的燃气轮机要求与汽轮机配套使用的发电机结构;4)要求国家标准与国际标准统一的结构;5)定子和转子绕组直接空冷结构;6)与燃气轮机配套发电机的空水冷结构;7)“适应环境”要求的大容量发电机结构;8)水冷转子绕组结构;9)空冷和水冷结构等等。

用于抽水蓄能发电站的同步电机，它既是发电机，又是电动机。美国标准称为“发电机/电动机”。而国际标准规定的名词术语统一称为:“发电电动机”;用于联合循环发电站的同步电机，它既是汽轮发电机，又是燃气轮发电机。按照国际标准规定的名词术语，应当称为:“透平发电机”。此外，还有超高压发电机、蒸发冷却发电机、超导发电机等采用新技术、新型结构的产品，原有的技术标准已经不能适应这些新产品的要求，都应当进行修订、补充和改进。

1 标准的修订

美国国家标准由美国电气电子工程师协会下设的电机委员会(IEEE－PES)和同步电机分委会(SMSC)负责制定、修改或补充，并提交给美国国家标准学会(ANSI)审查，最后以IEEE/ANSI的名义发表和颁布、执行。比如:《同步电机》标准(IEEE/ANSI C50)，《通用的同步电机》标准(IEEE/ANSI C50.10)，《大型凸极转子水轮发电机和电动机》标准(IEEE/ANSI C50.12)，《大型隐极转子同步发电机》标准(IEEE/ANSI C50.13)，《采用燃气轮机驱动的空气冷却和氢气冷却的发型隐极转子同步发电机》标准(IEEE/ANSI CC50.14和C50.15)[1]。

在修订过程中，美国参照了国际电工委员会(IEC)颁布的标准:《旋转电机一般要求》(IEC 60034 －1)[2]，《汽轮机和燃气轮机共用的同步电机》特殊标准(IEC 60034－3)。

修订工作组经过反复的调查研究，最后决定:与其将凸极和隐极发电机以及燃气轮机和蒸汽轮机驱动的发电机的所有标准都合并在一起，还不如将凸极发电机和隐极发电机这两个主要类型的标准保留，这样可以减少通用标准和特殊标准之间的冲突或多义性解读的风险，并能减少遗漏的技术文件或无法有效沟通的技术文件，还能减轻维护标准的工作量，能更好地使制造厂家和产品用户对每个产品都能取得统一的共识，并愿意接受标准的约束。

2 修订的内容

2.1 环境温度

美国标准有关于绕组(局部)热点温度的限制，和(比如测温计)监测温度的限制，而国际标准并无热点温度限制。规定的监测温度限值是:B级绝缘≤130℃;F级绝缘≤155℃。但是，有许多结构设计，可以改变热点温度和检测温度之间的关系:(1)有些情况是虽然满足了检测温度的限制，但是有的局部却超过了热点温度的限值;(2)另一种情况是过分地看重检测温度的限制，却导致远远低于热点温度限值的后果。因此，在设置检测温度限值时，应当既满足热点温度限值的要求，又要不能限制发电机的输出功率。当冷却介质(比如:冷风)的温度不同时，检测温度和热点温度对发电机输出功率的影响如表1所示。

应当注意，在规定的冷却介质温度下，温升和检测温度的限值只适用于在这一点的温度。按照“适应环境”的要求，在一定的冷却介质温度范围内，如果保持恒定的热点温度，就会导致检测温度的非恒定;如果保持监测温度不变，热点温度就会大大低于或高于限值。这主要取决于监测温度与热点温度之间的关系。

为了满足“适应环境”发电机的要求，美国标准将规定:相对于冷却介质温度的检测温度限值，并允许由生产厂家根据热点温度限值不变来计算发电机功率。这与国际标准不同，后者规定:是在所有的冷却介质温度下，按照检测温度恒定不变来确定功率。美国标准还将规定:发电机必须能够在－20～+50℃范围内正常工作，并要求生产厂家提供上述环境温度下的发电机功率与冷却介质温度之间的关系(表1)。但是，原则上是达到基本输出功率时的最大热点温度不能超过绝缘等级所允许的限制。

2.2 主要参数

2.2.1 功率因数

美国标准没有规定这个项目。因此，美国应当补充下述规定:在额定输出功率时的功率因数，应当通过协议来确定。但是要注意:额定功率因数的定义是指:额定MW或过励磁时的额定MVA负荷时的功率因数。它的影响在于:额定功率因数越高，则发电机成本越低，效率越高。它的数值应当规定为:1)空冷发电机——过励磁时为 0.90、0.85 或 0.80;2)氢气冷却发电机——过励磁时为0.90或0.85。但是在额定MW输出功率时，最低欠励磁时的功率因数为≥0.95。

2.2.2 短路比

美国标准也没有规定这个项目。但是选择的短路比越小，则发电机越便宜，更加高效。所以，美国应当补充规定:通过协议来确定额定工况下的短路比。此时，应当考虑到电力系统的稳定性。如果采用固定的手动电压调节器，电力系统稳定性会受到影响。采用现代化的自动电压调节器，特别具有高级功能的电力系统稳定器，就可以避免任何由于快速调节行动而导致的电力系统稳定性问题。因此，对于任何容量或冷却方式的发电机，都应采用0.35作为最低的短路比。

2.2.3 电抗

美国标准也没有规定这个项目。美国标准中应当补充规定:电抗大小应当按照国际标准的方法来计算。纵轴瞬变和次瞬变电抗则可以指定或商定。根据额定功率和基础及尖峰功率时的运行条件来商定纵轴瞬变和次瞬变电抗。但是必须指出，额定电压时的饱和纵轴次瞬变电抗的最小值，可能会影响短路电流的大小和断路器的大小。此外，额定电流时的不饱和纵轴瞬变电抗的最大值对暂态稳定性会有影响。由于这两个电抗在很大程度上取决于相同的磁通量，必须确保它们之间的兼容性，即次瞬变电抗的下限不能是过于靠近瞬变电抗的上限。在商定瞬变和次瞬变电抗的限值时，必须满足偏差要求:瞬变电抗为+0%，－30%。但是，最小值不允许负偏差，最大值不允许正偏差。

2.3 起动运行

2.3.1 作为起动电机

美国标准也没有规定这个项目。至于应用燃气轮发电机作为起动电动机方面，美国和国际标准中都没有规定。美国应当补充规定:采用电力电子变频起动系统时，必须确保部件和发电机绕组温度不超过指定的绝缘等级的限制，还要考虑到电流电子设备的特性、驱动系统的损耗和惯性、驱动速度与时间的关系以及重新起动时间的间隔。

2.3.2 起动停机次数

起动停机次数的限制，是为了防止循环疲劳老化。国际标准规定的起动停机总次数为3000次。美国规定起动次数每年不超过500次。但是，都没有明确多少年。应当补充下述要求:发电机的设计必须满足运行寿命期间最少起动次数(对基本负荷机组为23000次;对调峰或其它频繁起动停机的机组为10000次)的要求。

2.3.3 非同期并网

美国标准没有规定这个项目。应当补充规定:发电机必须能够在±10°内的非同期并网后，能够运行而无需检查和维修。超过这些限制的非同期并网，就可能导致强烈的短时电流和力矩，甚至会超过突然短路时的后果，可能导致发电机的损坏。在发生非同期并网以后，发电机应当立即从电网解列，进行检查和维修，然后才能重新并网。应当注意:即使不太严重的这类故障，也可能引导致进一步损坏。最为严重的非同期并网，是在180°或120°错相，并通过低电抗与电网系统相连时。在这种情况下，就必须实施定子或/和转子的大修，甚至更换。

2.3.4 频率偏差

美国标准没有这方面的规定。美国应当补充规定:在输出功率曲线范围内，发电机应能在电压偏差为±5%和频率偏差为±2%时，在热态下连续运行，而不必满足在额定电压和额定频率下规定的性能标准。在输出功率曲线范围内，发电机也能运行在电压±5%和频率+3%/～5%的范围内，但是会进一步减少绝缘寿命。即使处在允许的运行范围内，如果达到了偏差的限值(最大或最小值)，发电机的运行稳定性余量和励磁余量也可能被减小。发电机甚至可能不稳定。发电机的过励磁和欠励磁不能超过5%。如果发电机的工作点离开电压和频率的额定点，温度和温升可能会增加，绝缘老化速率可能达到正常值的2至6倍。为了降低温度和温差引起的发电机寿命的减小，应当在发生频率偏差的程度和时间等方面限制运行区域，并尽快采取减少输出功率和其它纠正措施。

2.3.5 突然短路

虽然美国和国际标准都有这方面的规定。但是，国际标准比较清晰。美国标准应当补充规定:在额定负荷和1.05倍额定电压下运行时，如果出线端部出现突然短路，发电机应能正常运行。但是前提是:1)相电流最大值不超过突然短路时的相电流;2)不超过电枢绕组短时间热负荷的要求。事故发生后，如果发电机只要小修即可，就被断定为:适合运行。

“小修”的定义:1)不是更换定子线圈，但是必须确保绕组端部支撑系统和线圈的对地绝缘，能够承受高电压试验;2)不是更换转子，修改轴颈和轴承，调整过盈配合。但是要确保联轴器及其螺栓和转轴的动平衡。

2.4 修订的意义

1)由于电机工业的迅速发展，原有的技术标准已经不能适应新的需要。通过修订、补充和改进以便适应新的要求，这是相关学术和标准化部门的正常工作。

2)为了避免生产厂家和产品用户之间不必要的纠纷，技术要求和标准的不断修订、改进和完善能够减少对于国家标准和国际标准不同解读的风险。靠近和达到国际标准的产品，更加容易取得买家的信赖、提高市场竞争能力和扩大市场销售量。

3)20世纪80年代，我国就从美国西屋公司引进了300 MW和600 MW汽轮发电机组。近年来又从美国GE公司引进了世界上最大容量的400 MW级燃气轮发电机组。为了实现与国际标准的统一，美国提出的改进建议，对于我们产品的转化和标准化工作以及国产化都很有启发，它有利于提高我国的国际市场竞争能力。

4)在与国际标准竞争中，美国技术标准的修订内容有时超过了、甚至优于前者。这就必将激起日本、欧洲和中国等的跟进，从而掀起产品标准更新换代的热潮。

[1]IEEE/ANSI C50.15“Hydrocoouled Gas Turbine Generators Requirements ”，1989.

[2]IEC60034—3“Requirements for Turbine-Type Synchronous Machine，”Edition4，1988.