同步发电机失磁异步运行分析与处理

159FORTUNE WORLD 2009.3同步发电机失磁异步运行分析与处理任纯榕 宁波镇海热电厂有限公司1 引言发电机在运行过程中，由于某种原因失去励磁电流，使转子的励磁磁场消失，被称作为发电机失磁。

若失磁后的发电机不从电网上解列，仍带有一定的有功功率，以某一滑差率与电网保持联系，这种特殊的运行方式，称之为发电机异步运行。

从提高供电电网的可靠性和不使故障扩大到整个系统的观点看，整体式转子的汽轮发电机在失去励磁后，最好不立即从系统中断开，维持在电网上运行一段时间，使我们有可能查出去励磁的原因并及时恢复励磁，即将主励磁机切换为备用励磁机供励，或将发电机的负荷转移到其它发电机上去。

因此，在处理励磁系统故障时，需要将发电机作短时的失磁异步运行。

发电机失去励磁的原因很多，往往是由于励磁系统发生某些故障引起的。

一般在同轴励磁系统中，常由于励磁回路断线，如转子回路断线、励磁机电枢回路断线、励磁机励磁绕组断线、自动灭磁开关受振动或误碰掉闸、磁场变阻器接头接触不良等造成励磁回路开路，以及转子回路短路和励磁机与原动机在联接对轮处的机械脱开等原因造成开路。

2 失磁异步运行的工作原理发电机失去励磁后，由于励磁绕组电感较大，励磁电流If及其产生的磁通φf，将按指数规律衰减到零，如图1所示，在励磁电流If减少时，电势Ef也随着减少，功率极限也随之下降，如图2所示。

功角θ将增大，定子合成磁场与转子磁场间的吸引减少。

发电机的转子力矩平衡关系将随着电磁力矩的下降而打破。

由于原动机主力矩未变，所以转子将获得使其加速的过剩转矩。

当励磁电流If减少时到θ角大于90㎜时，转子就可能超出同步点而失步，进入异步运行状态。

图1励磁电流衰减曲线图2 转矩、电势与功角θ的关系发电机失磁进入异步运行状态，由电网向发电机定子送入励磁电流，此电流在定子内感应出电势E，同时在气隙内产生旋转磁场。

由于转子转速超过同步转速，转子与旋转磁场间发生相对运动，其转差n1-n=Sn1(n1为定子磁场的同步转速，n为转子失磁后的转速)，转子以转差Sn1的速度切割定子旋转磁场。

于是在转子绕组(若闭合时)、励磁绕组和阻尼绕组中感应出周波为fw-ff(fw为电网周波，ff为发电机频率)的交变电流。

这个电流与定子旋转磁场相互作用，便在定子绕组中感应出电流，向系统送出有功，此功率即为异步功率。

此异步功率的大小取决于异步运行的转差率，发电机的转速不会无限制地升高，因为转速超高，异步功率产生的阻力矩越大。

当这台发电机的异步转矩在一定的转差下与原动机的拖动转矩相等，发电机便稳定地运行在异步状态，此时，发电机输出的异步功率保持不变。

试验得知，大多数汽轮发电机可带额定出力，其转差不超过0.5%；带60%额定出力运行30min是没有问题的。

3 失磁异步运行的负荷及其决定因素在异步运行状态下，发电机从系统吸收无功，供定子和转子产生磁场，以维持它的异步运行，且向系统送出有功。

发电机失磁异步运行后，在新的平衡状态时所带的有功负荷的大小，与发电机的异步转矩特性(即转矩与转差率的关系)及汽轮机的调速器特性有关。

如果这台发电机在很小的转差下就能产生很大的异步转矩，那么，在失磁状态下还能带较大的负荷，甚至保持满负荷运行；反之，若需在很大的转差下才能产生较大的异步转矩，则在转子转速升高到超过同步转速时，使汽轮机调整器动作，关小或全关进汽门，减少进汽量或停止供汽，这样，失磁发电机只能保持较小的有功负荷运行，甚至完全不能输出有功负荷。

发电机的异步转矩随发电机结构的不同而有所不同。

对于汽轮发电机，由于转子是整块的钢体，其平均异步转矩差不多可达到额定转矩，并且在异步状态下运行时转差率很小，小到以百分之零点几计算，所以它几乎可以完全保持自己的负荷，异步状态运行在这样的转差率下，对发电机并没有危险，故可以长期运行。

由于发电机异步运行时，异步转矩对转子起制动作用，企图将失步的发电机拖入同步，故当发电机的励磁恢复后，发电机会平稳地被拉入同步运行。

对于凸极式发电机，特别是无阻尼绕组的水轮发电机，由于产生的异步转矩不大，最大转矩为额定转矩的0.5∽0.6倍，故失磁后，其转速增加很大，而有功负荷几乎减少到零，因此，这种发电机在失磁时，必须迅速从电网中断开。

有阻尼绕组的水轮发电机比无阻尼绕组的水轮发电机能产生较大的异步转矩，但由于阻尼绕组的容量很小，而且在转差率为3∽5%时，才会出现转矩的平衡，所以为了防止阻尼绕组过热，在这样的转差率下不允许长期运行。

同时，由于水轮发电机异步运行时，同步电抗很小，即使不带有功负荷，也要从电网吸收很大的无功电流，其值等于或大于额定电流，因此，允许异步运行的时间只有几秒钟，所以在很短的时间内(自动灭磁开关合闸时间)，若不能立即恢复励磁，则必须将它从电网中断开。

4 失磁异步运行对发电机本身及电网的影响发电机失步，将在转子的阻尼绕组（若有时）、转子体表面、转子绕组（经灭磁电阻或励磁机电枢绕组闭合）中产生差频电流，引起附加温升。

此电流在槽楔与齿壁之间、槽楔与套箍之间、以及齿与套箍的接触面上，都可能引起局部高温，产生严重的过热现象，危及转子的安全。

同步发电机异步运行，在定子绕组中将出现脉动电流，它将产生交变的机械力矩，使机组产生振动，影响发电机的安全。

定子电流增大，可能使定子绕组温度升高。

发电机失磁前向系统送出了无功功率，失磁后从系统吸收无功功率，这样将造成系统较大的无功功率差额，使系统电压水平下降，特别是失磁发电机附近的系统电压将严重下降，威胁安全生产。

上述无功功率差额的存在，将造成其它发电机组的过电流，失磁发电机与系统相比，容量越大，这种过电流越严重。

由于过流，就有可能引起系统中其它发电机或元件故障发生，以至进一步导致系统电压水平下降，甚至使系统电压崩溃瓦解。

同步发电机失磁异步运行分析与处理作者：任纯榕作者单位：宁波镇海热电厂有限公司刊名：中国科技纵横英文刊名：CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY PANORAMA MAGAZINE年，卷(期)：2009，""(6)引用次数：0次1.高崇斌同步发电机失磁暂态数字仿真与研究 19872.李伟清国产大型汽轮发电机失磁异步运行的实验研究 19863.邱家俊机电耦联动力系统的非线性振动 19961.期刊论文马幼捷.顾亚琴.周雪松.高庆雨.MA You-jie.GU Ya-qin.ZHOU Xue-song.GAO Qing-yu发电机外部短路与失磁故障的仿真研究-水利水电技术2006,37(9)发电机失磁时会对系统及发电机本身造成一定的破坏,目前国内外失磁保护判据都存在一些问题.文中通过对发电机发生失磁故障及发电机-变压器侧发生三相短路故障时各电气量的变化进行仿真、比较,深入研究了失磁的动态过程,提出了一种更合适的发电机失磁保护方案.2.期刊论文刘敏.苏忠阳.Liu Min.Su Zhongyang一次发电机失磁引起的系统保护失误-广东输电与变电技术2008,""(3)同步发电机在失磁状况下会发生一系列的电气变化.结合华侨糖厂发电机在失磁时导致上一级馈线系统侧跳闸的事故,对发电机失磁时的电气量变化进行了定量计算,进而得出发电机失磁故障可能造成系统侧相关电流保护动作的结论.3.期刊论文韩树国1#发电机失磁运行分析-冶金动力2001,""(4)对鞍钢第一发电厂1#发电机失磁后的物理过程进行了理论分析,并对1#发电机失磁后,4#发电机也进入异步运行状态及恢复同步状态的过程进行了分析阐述.提出了发电机失磁后的处理方法.4.学位论文吴继平大型机组失磁失步保护性能分析及对电网影响的研究2009随着电力体制改革的深化，“厂网分开，竞价上网”的逐步实施，电网经营企业和并网电厂关于电网安全的责任出现了变化。

2003年8月14日美加大停电和国内某些地区由于相关继电保护不正确动作引发系统安全稳定问题促使我国电力系统专家对发电机涉网保护的配置和整定进行更加广泛和深入的思考。

发电机失磁和失步是发电机最常见的故障形式。

发电机失磁将使发电机从电网中吸收大量的无功功率，引起电网电压下降，输出电流大大增大，输出有功功率发生摆动，这些都将对电网和发电机本身产生不利影响。

发电机失步时表现为某一台发电机或某几台发电机的功角相对无限大电网在0～360°之间变化，发电机失步后将导致发电机输出电流和机端电压随着发电机功角的变化而不断变化，电压和电流的振荡也将危害电网稳定和发电机本身。

因此，《电力系统安全稳定导则》规定发电机必须安装独立的失磁和失步保护。

为了对发电机失磁和失步提供合适的保护，就必须了解发电机在失磁时和失步时基本电气量的变化情况，在理论分析的基础上，进行一定的计算机仿真是十分必要的。

文中在Matlab环境中，建立发电机和系统的模型，编制了求解单机无穷大系统的失磁和失步模型的计算机程序，得出了发电机在失磁和失步时机端电压电流，输出有功和无功的变化情况。

根据发电机失磁和失步时发电机机端电气量的变化情况，相关学者提出了各种原理的发电机失磁和失步保护原理，但各种原理都是以发电机本体为保护目标，没有考虑到电网侧的安全和保护定值对发电机保护的影响。

本文在江苏电网实际情况的基础上，利用PSASP对江苏电网几台典型发电机在实际运行条件下发生失磁和失步进行仿真分析，从机网协调的角度，根据电力系统安全稳定导则的要求，提出了适合江苏电网的发电机失磁和失步的保护配置和定值整定原则。

论文的最后对所进行的研究工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。

5.期刊论文刘世明.尹项根.陈德树.Liu Shiming.Ying Xianggen.Chen Deshu发电机失磁分析及失磁保护新判据-华中理工大学学报1999,27(6)由发电机Park方程式推导出发电机定子电量与功角的关系,并由仿真计算验证了该关系式,从而得到一种新的发电机失磁定子判据,给出了新判据的流程图,并通过动模实验数据验证了该判据的有效性.6.期刊论文郭玉恒.安振山.Guo Yuheng.An Zhenshan二滩水电厂发电机失磁分析-电力设备2001,2(2)分析了二滩水电厂发电机失磁后,发电机电流、电压、相位、无功等物理量的变化过程及其保护动作的正确性,并对发电机横差保护提出改进建议.7.期刊论文郭凤萍.胡必飞发电机低励失磁跳机故障分析-电力安全技术2003,5(12)针对一起200MW机组低励失磁故障,分析了发电机低励失磁的过程及保护动作情况,作出跳机的原因是发电机失磁造成厂用电压过低使给粉机变频器停止工作而引起锅炉MFT动作,提出了反事故措施.8.学位论文李院生发电机失磁保护新判据的研究2006随着电力工业的发展，发电机的单机容量越来越大，大型发电机组在电力系统中的地位越来越重要，发电机能否安全可靠的运行已经成为电力系统的稳定的重要因素。