淺析發(fā)電機(jī)的失磁運(yùn)行及其影響

張 先

（四川省電力公司遂寧公司，四川遂寧629000）

1 發(fā)電機(jī)的失磁運(yùn)行

發(fā)電機(jī)失磁故障是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁機(jī)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。

對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減到零。 由于發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)隨著勵(lì)磁電流的減小而減??；因此其電磁轉(zhuǎn)距也將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距，因而引起轉(zhuǎn)子加速，使發(fā)電機(jī)的功角增大。 當(dāng)功角超過(guò)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)將與系統(tǒng)失去同步，進(jìn)入失步運(yùn)行狀態(tài)。 發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后將從并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)中吸收感性的無(wú)功功率供給勵(lì)磁電流，在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)。 發(fā)電機(jī)失步后，轉(zhuǎn)子回路將感應(yīng)出頻率為ff-fs(ff 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率，fs為系統(tǒng)的頻率)的電流，此電流產(chǎn)生異步制動(dòng)轉(zhuǎn)距。 引起發(fā)電機(jī)失磁的原因大致有:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁系統(tǒng)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘及回路發(fā)生故障等。

運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)失磁的表現(xiàn)

無(wú)功電力表反指，定子電流周期性擺動(dòng)，有功負(fù)荷稍低，定子電壓降低，轉(zhuǎn)子電壓、電流根據(jù)故障點(diǎn)的不同有不同的指示，轉(zhuǎn)子回路斷線(xiàn)時(shí)，電壓升高，電流為零；勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路或電樞回路斷線(xiàn)，電壓、電流近于零。

發(fā)電機(jī)失磁，將在轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈、轉(zhuǎn)子鐵芯表面、阻尼系統(tǒng)產(chǎn)生滑差電流，引起附加溫升。 在槽楔與齒壁之間、槽楔與套箍之間，以及齒與套箍間的接觸面上都可能產(chǎn)生局部高溫。 此外，定子中的滑差電流將產(chǎn)生交變機(jī)械轉(zhuǎn)矩，可能影響機(jī)組的安全。

2 發(fā)電機(jī)失磁對(duì)電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的影響

2.1 對(duì)系統(tǒng)的影響

（1）需要從電網(wǎng)中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)。 所需無(wú)功功率的大小， 主要取決于發(fā)電機(jī)的參數(shù)以及實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率。汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)相比，前者的同步電抗較大（定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的互感較大），則所需無(wú)功功率小。 但當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大時(shí)，其所需的無(wú)功功率也要增加。假設(shè)失磁前發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)送出無(wú)功功率Q1，而在失磁鐵后吸收無(wú)功功率Q2，則系統(tǒng)中Q1+Q2 的無(wú)功功率差額。

（2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率將引起電力系統(tǒng)的電壓下降，如果電力系統(tǒng)的容量較小或無(wú)功功率儲(chǔ)備不足，則可能使失磁發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、升壓變壓器高壓側(cè)的母線(xiàn)電壓、或其它鄰近點(diǎn)的電壓低于允許值，從而破壞了負(fù)荷與各電源間的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。

（3）由于失磁發(fā)電機(jī)吸收了大量的無(wú)功功率，因此為了防止其子繞組過(guò)電流，發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的有功功率將較同步運(yùn)行時(shí)有不同程度的降低，吸收的無(wú)功功率越大，則能夠輸出的有功功率降低的越多。

（4）失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，因此，在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路中將產(chǎn)生頻率為FG—FS 的交流電流，因此形成附加的損耗，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁回路過(guò)熱。 顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)差率越大時(shí)所引起的過(guò)熱也越嚴(yán)重。

（5）低勵(lì)磁或失磁運(yùn)行時(shí)定子端部漏磁增加，將使端部鐵心過(guò)熱。由于汽輪發(fā)電機(jī)異步功率較大，調(diào)速器也比較靈敏，因此當(dāng)超速運(yùn)行后調(diào)速器立即關(guān)小氣門(mén)，使汽輪機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)的異步功率很快達(dá)到平衡，在轉(zhuǎn)差率小于0.5%的情況下即可穩(wěn)定運(yùn)行。 故汽輪發(fā)電機(jī)在很小的轉(zhuǎn)差率下異步運(yùn)行一段時(shí)間，原則上是完全允許的。此時(shí)，是否需要并允許其異步運(yùn)行，則主要取決于電力系統(tǒng)的具體情況。 例如，當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率供應(yīng)比較緊張，同事，一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁后，系統(tǒng)能夠供給它所需要的無(wú)功功率， 并能保證電網(wǎng)的電壓水平時(shí)，則失磁后就應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行；反之，如系統(tǒng)中有功功率有足夠的儲(chǔ)備，或者系統(tǒng)沒(méi)有能力供給它所需要的無(wú)功功率，則失磁以后就不應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行。

2.2 對(duì)發(fā)電機(jī)的危害

對(duì)發(fā)電機(jī)的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于轉(zhuǎn)差的出現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子表面將感應(yīng)出差頻電流。差頻電流在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生附加損耗，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱加大，嚴(yán)重時(shí)可使轉(zhuǎn)子燒損。特別是直接冷卻高利用率的大型機(jī)組，其熱容量裕度相對(duì)降低，轉(zhuǎn)子容易過(guò)熱。

（2）失磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)的等效電抗降低，由系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)送出的無(wú)功功率增大。 失磁前帶的有功功率越大。 轉(zhuǎn)差也越大，等效電抗越小，由系統(tǒng)送出的無(wú)功也越大。 因此在重負(fù)荷下失磁，由于定子繞組過(guò)電流，將使發(fā)電機(jī)定子過(guò)熱。

（3）異步運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有所變化，因而有功功率要發(fā)生嚴(yán)重的周期性變化，使發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子和基座受到異常的機(jī)械力的沖擊，使機(jī)組的安全受到威脅。

3 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)

失磁保護(hù)作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流異常下降或完全消失的失磁故障保護(hù)。 由整定值自動(dòng)隨有功功率變化的勵(lì)磁低電壓Ufd(P)、系統(tǒng)低電壓、靜穩(wěn)阻抗、TV 斷線(xiàn)等判據(jù)構(gòu)成，分別動(dòng)作于發(fā)信號(hào)和解列滅磁。

勵(lì)磁低電壓Ufd（P）判據(jù)和靜穩(wěn)阻抗判據(jù)均與靜穩(wěn)邊界有關(guān)，可檢測(cè)發(fā)電機(jī)是否因失磁而失去靜態(tài)穩(wěn)定。靜穩(wěn)阻抗判據(jù)在失磁后靜穩(wěn)邊界時(shí)動(dòng)作。

TV 斷線(xiàn)判據(jù)在滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件中任一條件：│Ua UbUc－3U0│≥Uset（電壓門(mén)坎）或三相電壓均低于8V，且0.1A 在電力系統(tǒng)短路或短路切除等非失磁因素引起系統(tǒng)振蕩時(shí)，保護(hù)采取措施閉鎖Ufd（P），可防止保護(hù)誤出口。

勵(lì)磁低電壓Ufd（P）判據(jù)動(dòng)作后經(jīng)t1（2s）發(fā)出失磁信號(hào)。勵(lì)磁低電壓Ufd（P）判據(jù)、靜穩(wěn)阻抗判據(jù)均滿(mǎn)足且無(wú)TV 二次回路斷線(xiàn)時(shí)經(jīng)t2（6s）發(fā)出跳閘指令。 勵(lì)磁低電壓Ufd(P)判據(jù)、靜穩(wěn)阻抗、系統(tǒng)低電壓判據(jù)均滿(mǎn)足且無(wú)TV 二次回路斷線(xiàn)時(shí)經(jīng)t3（1s）發(fā)出跳閘指令。

4 結(jié)語(yǔ)

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于失去勵(lì)磁而造成正常運(yùn)行狀態(tài)的破壞。 同步發(fā)電機(jī)失磁后將轉(zhuǎn)入異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從原來(lái)發(fā)出無(wú)功功率(感性的)轉(zhuǎn)變?yōu)槲諢o(wú)功功率。 目前大型發(fā)電機(jī)組廣泛采用靜態(tài)勵(lì)磁，雖然減少了旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)，但由于勵(lì)磁系統(tǒng)復(fù)雜和元器件質(zhì)量問(wèn)題，使大中型發(fā)電機(jī)組故障總次數(shù)的半數(shù)以上由低勵(lì)（勵(lì)磁不足）或失磁引起。

對(duì)于無(wú)功功率儲(chǔ)備容量較小的電力系統(tǒng)，大型機(jī)組失磁故障將首先反映為系統(tǒng)無(wú)功功率不足，電壓下降，嚴(yán)重時(shí)將造成系統(tǒng)的電壓崩潰，使一臺(tái)發(fā)電機(jī)的失磁故障擴(kuò)大為系統(tǒng)性事故。在這種情況下，必須盡快將失磁機(jī)組從系統(tǒng)中斷開(kāi)，以保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功功率儲(chǔ)備充足時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)的失磁故障允許短時(shí)間（例如10～30 分）減小有功功率出力轉(zhuǎn)入異步發(fā)電運(yùn)行，在此期間，需迅速排除故障，恢復(fù)勵(lì)磁；如若不成再行切機(jī)。 對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組，由于它的異步力矩（功率）很小，而且起停方便，所以水輪發(fā)電機(jī)失磁故障時(shí)通常不作異步運(yùn)行，失磁保護(hù)直接作用于跳閘停機(jī)。

對(duì)于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心且與系統(tǒng)聯(lián)系薄弱的大型發(fā)電機(jī)組，失磁故障的檢測(cè)比較晚，容易造成對(duì)側(cè)系統(tǒng)的后備保護(hù)因無(wú)功倒送、線(xiàn)路過(guò)流而誤動(dòng)作，為此應(yīng)注意失磁保護(hù)方案的選擇和定值的正確計(jì)算。

為了徹底消除發(fā)電機(jī)失磁故障給系統(tǒng)可能造成的嚴(yán)重后果，首先必須使系統(tǒng)中每臺(tái)機(jī)組的單機(jī)容量小于系統(tǒng)總?cè)萘康?～7%。 單機(jī)容量過(guò)大將形成十分為難的局面：切除失磁機(jī)組，系統(tǒng)將因有功功率不足而崩潰；不切失磁機(jī)組，系統(tǒng)將因無(wú)功功率不足而崩潰。 其次，所有發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不應(yīng)隨意停用，值班人員不應(yīng)在發(fā)生失磁故障時(shí)減少非失磁機(jī)組的勵(lì)磁。失磁保護(hù)只是防范失磁故障擴(kuò)大和檢測(cè)失磁機(jī)組的最后防線(xiàn)。 在發(fā)電機(jī)上，尤其是大型發(fā)電機(jī)上應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)失磁故障，如發(fā)信號(hào)、自動(dòng)減負(fù)荷、動(dòng)作于跳閘等，以保證電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的安全。

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