同步发电机失磁运行剖析

＜湖南水利水电）２Ｏｏ６年第３期　吴明亮　（湖南水利水电职业技术学院　长沙市４１０１３１）　【摘要】　发电机励磁电流的变化，是影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率分配的主要因　素。良好的励磁系统在保证电能质量、无功功率的合理分配及提高电力系统运行的可靠性方面，都起着　十分重要的作用。文章分析了同步发电机失磁运行的原因及现象，剖析了同步发电机失磁运行的物　、　理过程，讨论了失磁运行对发电机本身和电网造成的影响，提出了失磁运行的解决方法。　【关键词】　同步发电机失磁运行物理过程剖析方法　前言　发电机励磁系统有如下主要作用：维持发电机端电压；控　（６）励磁绕组断线，最常见的断线位置是凸极机励磁绕　组两个线圈之间的连接处。　制并列运行的同步发电机之间无功功率的分配；提高同步发　２失磁运行时发电机控制屏上的表计指示　同步发电机失磁后有关表计的指示情况如下：　（１）发电机失磁后转子电流表的指示降为零或接近于零：　当发电机失去励磁后，转子电流迅速地依指数规律衰减，其减　小的程度与失磁原因及剩磁大小有关。当励磁回路开路时，转　子电流表指示为零：当励磁回路短路或经小电阻闭合时，转子　电机并联运行的静态稳定性；提高继电保护动作的灵敏度，快　速灭磁：根据运行方式要求对发电机实行最大励磁限制和最　小励磁限制：在电力系统发生短路故障而造成发电机端电压　严重下降时．强行励磁，提高发电机的动态稳定性。在当今的　电力系统中．提高和维持同步发电机运行的安全性和稳定性，　是保证电力系统安全、稳定、经济运行的基本条件之一。然而同　步发电机在运行中由于某些原因．可能出现励磁消失而继续运　行的方式．即为同步发电机的失磁运行方式。下面就同步发电　机失磁运行方式进行剖析。　回路有交流电流通过，直流电流表有指示，但指示值很小。　（２）定子电流表的指示升高且摆动：失磁后的发电机进　入异步运行状态时，既向电网送出有功功率，又从电网吸收无　功功率，所以造成电流指示值的上升。摆动的原因是由于转子　回路中有差频脉动电流所引起的，摆动电流又是由转矩的变　化引起的．摆动的幅度与励磁回路电阻的大小及转子构造等　因素有关　（３）有功功率表的指示降低且摆动：异步运行发电机的　１导致同步发电机失磁的原因　发电机失磁．是指发电机的励磁电流突然消失或部分消　失的现象。同步发电机失磁故障占机组故障的比例最大，它是　电力系统常见故障之一。特别是大型机组，励磁系统的环节较　多．造成励磁回路短路或开路故障的机率较大。同步发电机的　失磁故障大致由以下原因造成：　（１）转子绕组故障；　有功功率的指示平均值比失磁前略有降低，这是因为机组失　磁后．转子电流很快以指数曲线衰减到零，原来由转子电流所　建立的转子磁场也很快消失．这样电磁转矩也消失了，转子在　原动机的作用下很快加速。这时调速系统自动使汽门或水门　（２）直流励磁机磁场绕组断线；　（３）运行中的发电机由于灭磁开关受振动或误动而跳闸；　（４）磁场变阻器接触不良，或整流子严重打火；　关小一些．以调整转速。所以在平衡点建立起来的时候，有功　功率要下降一些。有功功率降低的程度和大小与同步发电机　的调整特性以及该发电机在某一些转差下所能产生的异步力　矩的大小有关。　（４）发电机母线电压表均较原来降低且摆动：由于定子　（５）自动调节励磁装置故障或误操作等原因造成励磁回　路断路；　ｌＯ６　维普资讯 http://www.cqvip.com

吴明亮ＩＩ同步发电机失磁运行剖析　从而电磁转矩也逐渐减少，由于原动机的惯性，作用于发　电流增大，线路压降增大，导致机端电压下降，危及厂用负荷　少，的安全稳定运行。由于电流摆动导致电压表指示摆动。　（５）功率因数表指示进相（超前）、无功功率表指示为负：　电机的机械转矩还来不及变化，同步发电机在原动机的作用　下．使转子加速，导致８增加，因为电磁功率Ｐ与８成正比，８　力图增加发电机的电磁功率Ｐ，使之与原动机供　这是由于失磁后的发电机的无功由输出变为输入而发生了反　增加的结果，发电机的励磁电流和相　向，发电机进入定子电流超前于电压的进相运行状态，发电机　给的机械功率保持平衡。由于失磁后，向系统吸收感性的无功功率用于励磁。　应的电动势下降的速度很快，所以电磁功率也减小得很快，而　原动机的调速因为惯性还来不及发挥有效的作用，机械功率　３失磁运行时的物理过程剖析　３．１　正常运行时的物理过程　减小的速度远远跟不上电磁功率减小的速度，导致发电机继　续加速，８角不断增大，当８等于９Ｏ。时，发电机处于临界失步　同步发电机正常运行时，原动机输入的驱动转矩和电磁　状态。当８超过９ｏ。时，发电机与系统失去同步，发电机变成　转矩相平衡，发电机以同步速度运行。以隐极机为例，忽略定　子绕组的电阻．设所接电网为无穷大电网，其电磁功率和无功　功率由其功角特性决定：　ｍ　ｓｉｎ８　Ｑ＝ｍ—ＥｏＵ　ｃｏｓ８一ｍ　ｔ　ｌ　Ｉｔ　其调节励磁以调节无功功率的电动势相量图如图１所　示　其Ｐ、Ｑ功角特性如图２所示，当Ｏ＜８＜９Ｏ。时，同步发电机　处于静态稳定状态，当８：９Ｏ。时，同步发电机处于静态稳定极　限状态．当１５＞９０。时．同步发电机处于非静态稳定状态，即失　步状态　’　机Ｐ不变　图１　电动势相■图　Ｐ　Ｑ。　机Ｐ不变　・　．　．０　８　图２　Ｐ、Ｑ功角特性图　３．２失磁运行时的物理过程　３．２．１有功功率的变化　当发电机失磁后，励磁电流按指数规律逐渐删减到零。发　电机的感应电动势将随励磁电流的减少而减少，因为电磁功　率Ｐ与感应电动势　成正比，所以发电机的电磁功率逐渐减　异步运行，此时，从原来向系统输出无功功率变成从系统吸取　大量的无功功率．发电机的转速将高于系统的同步转速，即有　了转差率Ｓ．Ｓ：（ｎ。一ｎ）／ｎ。，其中ｎ。为定子磁场的同步速度，ｎ　为转子转速，这时由定子电流所产生的旋转磁场将在转子表　面、阻尼绕组及励磁线圈中感应出频率等于转差率的交流电　流和电动势．该转子表面感应电流与定子磁场作用产生另一　种电磁转矩，我们称之为异步转矩，它是制动性质的转矩。当　异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，发电机进入稳定的　异步运行状态。由于这个稳定状态是在调速器作用下减小原　动机输入功率后达到的，它从电网中吸取感性无功功率以建　立气隙磁场．同时向电网输送比失磁前较少的有功功率。此时　发电机发出的有功功率称为异步功率，其与转差率的关系如　图３中曲线１所示。由图３看出，在无励磁运行状态下，发电　机能送出多少有功功率，这和它的Ｓ有关，同时还与原动机调　速特性有关。　Ｐ　０　图３异步功率与转差率的关系图　３．２．２无功功率的变化　在失磁运行状态下，发电机进入异步运行状态。此时Ｑ＝一　ｍＵ２／Ｘ．．可见发电机已由向系统输入感性无功功率变为从系　统吸收感性无功功率．从系统吸收无功功率的大小，不仅取决　于系统的参数，还与异步运行时的转差率Ｓ有关。　发电机进入异步运行状态后的等效电路与异步电机的等　效电路相似，如图４所示，其中，　。为定子绕组漏抗，　：　为转　子绕组归算到定子侧的漏抗，尺：　转子回路归算到定子侧的电　阻，　为定子与转子绕组间的互感。由图４可知，发电机进入　异步运行后．从系统吸取的无功功率分为两部分：一部分是　所需的无功功率，它与转差率无关；另一部分是　－和　：　所需的无功功率，由于　和ｉ　：　所在回路的电流与转差率Ｓ　１０７　维普资讯 http://www.cqvip.com

吴明亮，，同步发电机失磁运行剖析　有关，因此ｐ是随Ｓ增大而增大的。若发电机在失磁前所带　励磁运行规定执行。　的有功功率越大，则失磁后达到稳定运行状态时转差率也越　大．这是因为原来所带的有功功率越大，则随着调速器的作　用．原动机输出功率的变化将不再是曲线３而是曲线２，见图　３．发电机稳定在大的转差率Ｓ：下运行，因此它从系统吸取的　无功功率也越大。　１　２　２　发电机失磁后短时间内采用异步运行方式，继续与电网　并列且发出一定有功功率，对于保证机组和电网安全、减少负　荷损失均具有重要意义。如汽轮发电机或当失磁发电机在电　网容量中比重较小，电网可供其所需的无功而不致使电网电　压降得过低时，失磁发电机可不必立即从电网解列，可要求保　护动作于信号，让值班员检查处理，然后再以发电机所容许的　失磁运行时间延时跳闸。对于此类允许失磁运行的发电机发　生失磁故障后，处理方法是立即减小发电机负荷，使定子电流　的平均值降低到规定的允许值以下，然后检查灭磁开关是否　图４等效电路图　跳闸．如已跳闸就应立即合上，如灭磁开关未跳闸或合上后失　磁现象仍未消失，则应将自动调节励磁装置停用，并转动磁场　４失磁运行时造成的影响　发电机失步．转速出现转差，将在转子的阻尼绕组、转子　变阻器手轮．试行增加励磁电流，此时若仍未能恢复励磁，可　以再试行换用备用励磁机供给励磁。经过这些操作后，如果仍　必　体表面、转子绕组中产生差频电流，产生附加损耗，引起附加　不能使失磁现象消失，就可以判断为发电机转子发生故障，　温升。此电流在槽楔与齿壁之间，槽楔与套箍之间，以及齿与　须在规定的时间内安排停机处理。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　在实际的机组运行过程中，当失磁发电机容量在电网中　所占比重较大时，会引起电网电压水平的严重下降，甚至引起　电网振荡和电压崩溃，造成大面积的停电事故。或水轮发电机　转差率大，从系统吸收的无功功率多，振动和过　将产生交变的机械力矩．使机组产生振动，影响发电机的安　异步运行时，全。尤其是水轮发电机后果将更加严重。　同步发电机异步运行，发电机转差增大，其等效阻抗减　小．从系统吸取的无功功率增大，使定子电流增大，使定子绕　组损耗增大，使定子绕组温度升高。　发电机失磁前向系统送出感性无功功率．失磁后反而从　系统中吸收感性无功功率．造成感性无功功率的不足．使系统　热严重．此时．失磁发电机应靠失磁保护瞬时或以极短延时动　作于跳闸．然后停机检查。　６结语　同步发电机失磁运行是电力系统常见故障之一，了解同　步发电机失磁运行的原因及现象、掌握同步发电机失磁运行　的物理过程及失磁运行时的处理方法，有利于提高电厂职工　的日常运行维护水平．保证同步发电机安全、长久、稳定运　行。当然．随着大型发电机组微机励磁调节器（微机励磁调　节器与传统励磁调节器相比优势明显）的普及，以及水电厂　电压下降。特别是若系统的无功储备不足，还将使ｌ临近失磁发电　机的系统电压下降到允许值．影响系统的稳定运行，甚至解裂。　５失磁运行的处理方法　发电机发生失磁后．各单位应结合本单位机组运行以来　推广对发电机励磁系统的状态检修，同步发电机的失磁故障　　的实际试验数据进行处理．并遵循以下原则：一是对于不允许　将明显减少。无励磁运行的发电机应立即从电网上解列，以避免损坏设备　或造成系统事故：二是对于允许无励磁运行的发电机应按无　（收稿日期：２００６－０３－１２）　（上接页８０页）水资源的政策。　（４）要增加投入．逐步建立国家、　地方、用水户多元化、多渠道投资体系。　建议国务院和各省、自治区、直辖市人　民政府在基本建设、技术改造资金及水　利建设基金、城市建设三项费用中安排　（５）要建立节水型用水标准化体　系，开展创建活动。对已有的行业用水　标准．要进行一次清理．并根据新制定　准的要尽快组织制定。　规划和水的供求计划．编制供水计划，报　同级计划主管部门批准．下达执行。　（７）运用经济手段，促进节水。尽　的国家标准进行修订。尚未制定行业标　快制定全国供水成本核定细则或办法．　科学合理地核定成本．供水水价原则不　应低于供水的边际成本，逐步使水价达　到最合理、最优化的水平．控制需水量　的过速增长。　（６）建立健全节水管理制度。应完　善取水许可制，度实行“三同时”、“四到　位”。新建、改建、扩建的工程建设项目在　节水资金。符合贷款条件，具有偿还能　力的节水项目，银行要优先安排贷款，　各级政府对农业节水项目贷款根据实　报送取水许可申请时，必须附具节水设　际情况安排财政贴息。国家和地方应考　施设计任务书和相应的节约用水措施．　（８）加强地下水资源管理，严格限　制超采、滥采地下水。　（收稿日期：２００６－０３－０１）　虑通过多渠道筹集资金，建立国家和地　节水设施必须和主体工程同时设计．同　方节水基金，用于支持节约用水技术改　时施工，同时投产。各级水行政主管部门　造和管理。　１０８　应会同有关供水部门，根据水资源统一