王莉莉

(哈爾濱龍江鍋爐廠，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

近年來，由于應(yīng)用領(lǐng)域、周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的變化，現(xiàn)有的同步電機標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)新的發(fā)展。當(dāng)前的“隱極轉(zhuǎn)子”發(fā)電機標(biāo)準(zhǔn)，也不能適應(yīng)于某些發(fā)電機結(jié)構(gòu)的發(fā)展，比如:1)采用的替代結(jié)構(gòu);2)由于燃氣輪機出力顯著增加而采用的新結(jié)構(gòu);3)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站的燃氣輪機要求與汽輪機配套使用的發(fā)電機結(jié)構(gòu);4)要求國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu);5)定子和轉(zhuǎn)子繞組直接空冷結(jié)構(gòu);6)與燃氣輪機配套發(fā)電機的空水冷結(jié)構(gòu);7)“適應(yīng)環(huán)境”要求的大容量發(fā)電機結(jié)構(gòu);8)水冷轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu);9)空冷和水冷結(jié)構(gòu)等等。

用于抽水蓄能發(fā)電站的同步電機，它既是發(fā)電機，又是電動機。美國標(biāo)準(zhǔn)稱為“發(fā)電機/電動機”。而國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名詞術(shù)語統(tǒng)一稱為:“發(fā)電電動機”;用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站的同步電機，它既是汽輪發(fā)電機，又是燃氣輪發(fā)電機。按照國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名詞術(shù)語，應(yīng)當(dāng)稱為:“透平發(fā)電機”。此外，還有超高壓發(fā)電機、蒸發(fā)冷卻發(fā)電機、超導(dǎo)發(fā)電機等采用新技術(shù)、新型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，原有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)這些新產(chǎn)品的要求，都應(yīng)當(dāng)進行修訂、補充和改進。

1 標(biāo)準(zhǔn)的修訂

美國國家標(biāo)準(zhǔn)由美國電氣電子工程師協(xié)會下設(shè)的電機委員會(IEEE－PES)和同步電機分委會(SMSC)負責(zé)制定、修改或補充，并提交給美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI)審查，最后以IEEE/ANSI的名義發(fā)表和頒布、執(zhí)行。比如:《同步電機》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50)，《通用的同步電機》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50.10)，《大型凸極轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機和電動機》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50.12)，《大型隱極轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50.13)，《采用燃氣輪機驅(qū)動的空氣冷卻和氫氣冷卻的發(fā)型隱極轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI CC50.14和C50.15)[1]。

在修訂過程中，美國參照了國際電工委員會(IEC)頒布的標(biāo)準(zhǔn):《旋轉(zhuǎn)電機一般要求》(IEC 60034 －1)[2]，《汽輪機和燃氣輪機共用的同步電機》特殊標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60034－3)。

修訂工作組經(jīng)過反復(fù)的調(diào)查研究，最后決定:與其將凸極和隱極發(fā)電機以及燃氣輪機和蒸汽輪機驅(qū)動的發(fā)電機的所有標(biāo)準(zhǔn)都合并在一起，還不如將凸極發(fā)電機和隱極發(fā)電機這兩個主要類型的標(biāo)準(zhǔn)保留，這樣可以減少通用標(biāo)準(zhǔn)和特殊標(biāo)準(zhǔn)之間的沖突或多義性解讀的風(fēng)險，并能減少遺漏的技術(shù)文件或無法有效溝通的技術(shù)文件，還能減輕維護標(biāo)準(zhǔn)的工作量，能更好地使制造廠家和產(chǎn)品用戶對每個產(chǎn)品都能取得統(tǒng)一的共識，并愿意接受標(biāo)準(zhǔn)的約束。

2 修訂的內(nèi)容

2.1 環(huán)境溫度

美國標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)于繞組(局部)熱點溫度的限制，和(比如測溫計)監(jiān)測溫度的限制，而國際標(biāo)準(zhǔn)并無熱點溫度限制。規(guī)定的監(jiān)測溫度限值是:B級絕緣≤130℃;F級絕緣≤155℃。但是，有許多結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以改變熱點溫度和檢測溫度之間的關(guān)系:(1)有些情況是雖然滿足了檢測溫度的限制，但是有的局部卻超過了熱點溫度的限值;(2)另一種情況是過分地看重檢測溫度的限制，卻導(dǎo)致遠遠低于熱點溫度限值的后果。因此，在設(shè)置檢測溫度限值時，應(yīng)當(dāng)既滿足熱點溫度限值的要求，又要不能限制發(fā)電機的輸出功率。當(dāng)冷卻介質(zhì)(比如:冷風(fēng))的溫度不同時，檢測溫度和熱點溫度對發(fā)電機輸出功率的影響如表1所示。

應(yīng)當(dāng)注意，在規(guī)定的冷卻介質(zhì)溫度下，溫升和檢測溫度的限值只適用于在這一點的溫度。按照“適應(yīng)環(huán)境”的要求，在一定的冷卻介質(zhì)溫度范圍內(nèi)，如果保持恒定的熱點溫度，就會導(dǎo)致檢測溫度的非恒定;如果保持監(jiān)測溫度不變，熱點溫度就會大大低于或高于限值。這主要取決于監(jiān)測溫度與熱點溫度之間的關(guān)系。

為了滿足“適應(yīng)環(huán)境”發(fā)電機的要求，美國標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定:相對于冷卻介質(zhì)溫度的檢測溫度限值，并允許由生產(chǎn)廠家根據(jù)熱點溫度限值不變來計算發(fā)電機功率。這與國際標(biāo)準(zhǔn)不同，后者規(guī)定:是在所有的冷卻介質(zhì)溫度下，按照檢測溫度恒定不變來確定功率。美國標(biāo)準(zhǔn)還將規(guī)定:發(fā)電機必須能夠在－20～+50℃范圍內(nèi)正常工作，并要求生產(chǎn)廠家提供上述環(huán)境溫度下的發(fā)電機功率與冷卻介質(zhì)溫度之間的關(guān)系(表1)。但是，原則上是達到基本輸出功率時的最大熱點溫度不能超過絕緣等級所允許的限制。

2.2 主要參數(shù)

2.2.1 功率因數(shù)

美國標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定這個項目。因此，美國應(yīng)當(dāng)補充下述規(guī)定:在額定輸出功率時的功率因數(shù)，應(yīng)當(dāng)通過協(xié)議來確定。但是要注意:額定功率因數(shù)的定義是指:額定MW或過勵磁時的額定MVA負荷時的功率因數(shù)。它的影響在于:額定功率因數(shù)越高，則發(fā)電機成本越低，效率越高。它的數(shù)值應(yīng)當(dāng)規(guī)定為:1)空冷發(fā)電機——過勵磁時為 0.90、0.85 或 0.80;2)氫氣冷卻發(fā)電機——過勵磁時為0.90或0.85。但是在額定MW輸出功率時，最低欠勵磁時的功率因數(shù)為≥0.95。

2.2.2 短路比

美國標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定這個項目。但是選擇的短路比越小，則發(fā)電機越便宜，更加高效。所以，美國應(yīng)當(dāng)補充規(guī)定:通過協(xié)議來確定額定工況下的短路比。此時，應(yīng)當(dāng)考慮到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果采用固定的手動電壓調(diào)節(jié)器，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性會受到影響。采用現(xiàn)代化的自動電壓調(diào)節(jié)器，特別具有高級功能的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，就可以避免任何由于快速調(diào)節(jié)行動而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。因此，對于任何容量或冷卻方式的發(fā)電機，都應(yīng)采用0.35作為最低的短路比。

2.2.3 電抗

美國標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定這個項目。美國標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)當(dāng)補充規(guī)定:電抗大小應(yīng)當(dāng)按照國際標(biāo)準(zhǔn)的方法來計算。縱軸瞬變和次瞬變電抗則可以指定或商定。根據(jù)額定功率和基礎(chǔ)及尖峰功率時的運行條件來商定縱軸瞬變和次瞬變電抗。但是必須指出，額定電壓時的飽和縱軸次瞬變電抗的最小值，可能會影響短路電流的大小和斷路器的大小。此外，額定電流時的不飽和縱軸瞬變電抗的最大值對暫態(tài)穩(wěn)定性會有影響。由于這兩個電抗在很大程度上取決于相同的磁通量，必須確保它們之間的兼容性，即次瞬變電抗的下限不能是過于靠近瞬變電抗的上限。在商定瞬變和次瞬變電抗的限值時，必須滿足偏差要求:瞬變電抗為+0%，－30%。但是，最小值不允許負偏差，最大值不允許正偏差。

2.3 起動運行

2.3.1 作為起動電機

美國標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定這個項目。至于應(yīng)用燃氣輪發(fā)電機作為起動電動機方面，美國和國際標(biāo)準(zhǔn)中都沒有規(guī)定。美國應(yīng)當(dāng)補充規(guī)定:采用電力電子變頻起動系統(tǒng)時，必須確保部件和發(fā)電機繞組溫度不超過指定的絕緣等級的限制，還要考慮到電流電子設(shè)備的特性、驅(qū)動系統(tǒng)的損耗和慣性、驅(qū)動速度與時間的關(guān)系以及重新起動時間的間隔。

2.3.2 起動停機次數(shù)

起動停機次數(shù)的限制，是為了防止循環(huán)疲勞老化。國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的起動停機總次數(shù)為3000次。美國規(guī)定起動次數(shù)每年不超過500次。但是，都沒有明確多少年。應(yīng)當(dāng)補充下述要求:發(fā)電機的設(shè)計必須滿足運行壽命期間最少起動次數(shù)(對基本負荷機組為23000次;對調(diào)峰或其它頻繁起動停機的機組為10000次)的要求。

2.3.3 非同期并網(wǎng)

美國標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定這個項目。應(yīng)當(dāng)補充規(guī)定:發(fā)電機必須能夠在±10°內(nèi)的非同期并網(wǎng)后，能夠運行而無需檢查和維修。超過這些限制的非同期并網(wǎng)，就可能導(dǎo)致強烈的短時電流和力矩，甚至?xí)^突然短路時的后果，可能導(dǎo)致發(fā)電機的損壞。在發(fā)生非同期并網(wǎng)以后，發(fā)電機應(yīng)當(dāng)立即從電網(wǎng)解列，進行檢查和維修，然后才能重新并網(wǎng)。應(yīng)當(dāng)注意:即使不太嚴(yán)重的這類故障，也可能引導(dǎo)致進一步損壞。最為嚴(yán)重的非同期并網(wǎng)，是在180°或120°錯相，并通過低電抗與電網(wǎng)系統(tǒng)相連時。在這種情況下，就必須實施定子或/和轉(zhuǎn)子的大修，甚至更換。

2.3.4 頻率偏差

美國標(biāo)準(zhǔn)沒有這方面的規(guī)定。美國應(yīng)當(dāng)補充規(guī)定:在輸出功率曲線范圍內(nèi)，發(fā)電機應(yīng)能在電壓偏差為±5%和頻率偏差為±2%時，在熱態(tài)下連續(xù)運行，而不必滿足在額定電壓和額定頻率下規(guī)定的性能標(biāo)準(zhǔn)。在輸出功率曲線范圍內(nèi)，發(fā)電機也能運行在電壓±5%和頻率+3%/～5%的范圍內(nèi)，但是會進一步減少絕緣壽命。即使處在允許的運行范圍內(nèi)，如果達到了偏差的限值(最大或最小值)，發(fā)電機的運行穩(wěn)定性余量和勵磁余量也可能被減小。發(fā)電機甚至可能不穩(wěn)定。發(fā)電機的過勵磁和欠勵磁不能超過5%。如果發(fā)電機的工作點離開電壓和頻率的額定點，溫度和溫升可能會增加，絕緣老化速率可能達到正常值的2至6倍。為了降低溫度和溫差引起的發(fā)電機壽命的減小，應(yīng)當(dāng)在發(fā)生頻率偏差的程度和時間等方面限制運行區(qū)域，并盡快采取減少輸出功率和其它糾正措施。

2.3.5 突然短路

雖然美國和國際標(biāo)準(zhǔn)都有這方面的規(guī)定。但是，國際標(biāo)準(zhǔn)比較清晰。美國標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)補充規(guī)定:在額定負荷和1.05倍額定電壓下運行時，如果出線端部出現(xiàn)突然短路，發(fā)電機應(yīng)能正常運行。但是前提是:1)相電流最大值不超過突然短路時的相電流;2)不超過電樞繞組短時間熱負荷的要求。事故發(fā)生后，如果發(fā)電機只要小修即可，就被斷定為:適合運行。

“小修”的定義:1)不是更換定子線圈，但是必須確保繞組端部支撐系統(tǒng)和線圈的對地絕緣，能夠承受高電壓試驗;2)不是更換轉(zhuǎn)子，修改軸頸和軸承，調(diào)整過盈配合。但是要確保聯(lián)軸器及其螺栓和轉(zhuǎn)軸的動平衡。

2.4 修訂的意義

1)由于電機工業(yè)的迅速發(fā)展，原有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)新的需要。通過修訂、補充和改進以便適應(yīng)新的要求，這是相關(guān)學(xué)術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化部門的正常工作。

2)為了避免生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品用戶之間不必要的糾紛，技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)的不斷修訂、改進和完善能夠減少對于國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)不同解讀的風(fēng)險。靠近和達到國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，更加容易取得買家的信賴、提高市場競爭能力和擴大市場銷售量。

3)20世紀(jì)80年代，我國就從美國西屋公司引進了300 MW和600 MW汽輪發(fā)電機組。近年來又從美國GE公司引進了世界上最大容量的400 MW級燃氣輪發(fā)電機組。為了實現(xiàn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，美國提出的改進建議，對于我們產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化工作以及國產(chǎn)化都很有啟發(fā)，它有利于提高我國的國際市場競爭能力。

4)在與國際標(biāo)準(zhǔn)競爭中，美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂內(nèi)容有時超過了、甚至優(yōu)于前者。這就必將激起日本、歐洲和中國等的跟進，從而掀起產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)更新?lián)Q代的熱潮。

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

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