水利發(fā)電機(jī)失磁判據(jù)及措施分析

廖鐵堅(jiān)

摘 要：水力發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，主要是依靠物理學(xué)中的電磁感應(yīng)原理使系統(tǒng)中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而一旦電磁場(chǎng)出現(xiàn)失磁現(xiàn)象，就會(huì)使發(fā)電系統(tǒng)失衡，進(jìn)而對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組造成危害，因此，在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)失磁現(xiàn)象后對(duì)其進(jìn)行正確的失磁故障判定進(jìn)而有效排除失磁問(wèn)題是保證水力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的前提條件。文章對(duì)于發(fā)電機(jī)失磁現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及解決方法做出了系統(tǒng)分析，旨在最大限度的降低失磁現(xiàn)象對(duì)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的干擾，提高水力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效能。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁系統(tǒng)；處理原則；失磁保護(hù)判據(jù)

水力發(fā)電機(jī)能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能主要是通過(guò)內(nèi)部電磁場(chǎng)發(fā)揮作用，而保證磁場(chǎng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)需要通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)正常發(fā)揮其功能才能夠得以實(shí)現(xiàn)，在勵(lì)磁系統(tǒng)中如果電流供應(yīng)出現(xiàn)異常情況，將會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)失磁現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，大量無(wú)用功和有用功瞬間疊加，系統(tǒng)內(nèi)部的電壓也會(huì)迅速下降，發(fā)電系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)因電壓不足而發(fā)生斷電問(wèn)題，致使發(fā)電機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。解決上述問(wèn)題的方法就是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采取勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)措施來(lái)保障勵(lì)磁系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不受其他因素的干擾。

1 失磁現(xiàn)象的作用機(jī)理和引發(fā)的不良后果

發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要電磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)所發(fā)出的電流來(lái)保持磁場(chǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行異常無(wú)法滿足磁場(chǎng)電流供應(yīng)條件時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)就會(huì)因電流的減弱或突然消失而出現(xiàn)故障，引發(fā)水力發(fā)電機(jī)失磁現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)在處于勵(lì)磁系統(tǒng)失磁的狀況下，通過(guò)發(fā)電機(jī)的電流會(huì)突然減弱，而其與磁場(chǎng)中電流的變化不同步，使得轉(zhuǎn)子突然加速，產(chǎn)生電流激增現(xiàn)象，系統(tǒng)的電流保護(hù)系統(tǒng)會(huì)由于電流的突然增大而瞬間切斷系統(tǒng)保護(hù)裝置，而與此同時(shí)，由于水力發(fā)電機(jī)進(jìn)入異常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)同時(shí)輸送大量的無(wú)用功和有用功，使得系統(tǒng)整體的電壓快速下降，隨著無(wú)用功功率的逐漸增加，其與有用功之間的差額也逐漸增大，進(jìn)而有可能引發(fā)由于電壓下降而出現(xiàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)斷電現(xiàn)象，切斷了系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。

一旦發(fā)電機(jī)出現(xiàn)失磁現(xiàn)象，就會(huì)對(duì)整個(gè)水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境造成破壞，對(duì)其功能造成不良的影響，更為嚴(yán)重的是，失磁現(xiàn)象還有可能中斷整個(gè)電力系統(tǒng)的電力供應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的癱瘓。

首先，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)失磁現(xiàn)象后，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)在一定時(shí)間之內(nèi)陡增，進(jìn)而使磁場(chǎng)內(nèi)部的電流增加，產(chǎn)生額外的系統(tǒng)電能損耗，同時(shí)還會(huì)散發(fā)出大量的熱量，加劇了發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的耗損。其次，失磁現(xiàn)象發(fā)生后，整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的軸距的電磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失衡現(xiàn)象，定子和轉(zhuǎn)子的位置會(huì)發(fā)生一定程度的偏移，導(dǎo)致機(jī)組功率發(fā)生明顯的變化，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅。再次，失磁現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)組內(nèi)部會(huì)瞬時(shí)出現(xiàn)電壓增加的情況，一旦這種情況持續(xù)一段時(shí)間，則會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件造成部分或全部損毀，使其失去了原有的功效，因此，要盡量避免這種問(wèn)題的出現(xiàn)。

失磁現(xiàn)象對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的大量的無(wú)用功率被電力系統(tǒng)吸收，使得整個(gè)系統(tǒng)的電壓大幅降低，一旦電壓值降至維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍值之外，就會(huì)使整個(gè)電力系統(tǒng)停擺，嚴(yán)重者會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的組帶來(lái)致命性損傷。而同時(shí)如果電力系統(tǒng)本身吸收功率的負(fù)荷量有限，也會(huì)造成系統(tǒng)功能的破壞。

2 水利發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)判據(jù)

鑒于上述失磁現(xiàn)象對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，在水力發(fā)電機(jī)組中加設(shè)失磁保護(hù)裝置是十分有必要的。對(duì)失磁保護(hù)方法的探究主要要根據(jù)失磁保護(hù)判據(jù)來(lái)加以確定。從不同的角度來(lái)看，失磁判據(jù)的確定主要可以分成定子判據(jù)，轉(zhuǎn)子判據(jù)和三項(xiàng)功率判據(jù)這三種方法，無(wú)論選擇哪一種判據(jù)方法，都要綜合其他判定方法才能實(shí)現(xiàn)最佳失磁保護(hù)效果。

2.1 定子側(cè)阻抗判據(jù)

定子阻抗判據(jù)有靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)和異步邊界阻抗判據(jù)2種。靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)是根據(jù)水利發(fā)電機(jī)失去靜穩(wěn)時(shí)機(jī)端阻抗的變化軌跡而設(shè)立的，異步邊界阻抗判據(jù)是根據(jù)水利發(fā)電機(jī)失磁后轉(zhuǎn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行時(shí)機(jī)端阻抗的變化軌跡而設(shè)立的，動(dòng)作時(shí)間比較晚。靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)異步邊界阻抗判據(jù)動(dòng)作區(qū)域都為圓。

2.2 轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)

轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)也是根據(jù)水利發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)邊界而設(shè)計(jì)的，包括等勵(lì)磁電壓判據(jù)和變勵(lì)磁電壓判據(jù)。等勵(lì)磁電壓判據(jù)動(dòng)作電壓值為定值，一般為額定空載勵(lì)磁電壓的80%。變勵(lì)磁電壓判據(jù)的動(dòng)作電壓值隨水利發(fā)電機(jī)輸出的有功功率變化而改變。

2.3 三相同時(shí)低壓判據(jù)與過(guò)功率判據(jù)

三相同時(shí)低壓判據(jù)分為主變高壓側(cè)三相低壓判據(jù)和機(jī)端三相低壓判據(jù)。主變高壓側(cè)三相低壓判據(jù)防止水利發(fā)電機(jī)失磁故障造成高壓母線電壓的嚴(yán)重下降，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞，動(dòng)作電壓取為母線額定電壓的80～85%。機(jī)端三相防止水利發(fā)電機(jī)失磁故障造成電廠輔機(jī)不能正常工作，動(dòng)作電壓一般取為水利發(fā)電機(jī)額定電壓的80%。低電壓保護(hù)是阻抗Ⅰ，Ⅱ段的補(bǔ)充。當(dāng)在xs很大且送出的有功很大的情況下失磁時(shí)，阻抗Ⅰ，Ⅱ段可能動(dòng)作緩慢，甚至拒動(dòng)，低電壓保護(hù)則可以快速動(dòng)作。為防止振蕩和外部故障時(shí)誤動(dòng)，低電壓保護(hù)要帶較長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作。

3 水利發(fā)電機(jī)失磁處理原則

對(duì)于不允許無(wú)勵(lì)磁運(yùn)行的水利發(fā)電機(jī)應(yīng)立即從電網(wǎng)解列，以免損壞設(shè)備或造成系統(tǒng)事故。

對(duì)于允許無(wú)勵(lì)磁運(yùn)行的水利發(fā)電機(jī)應(yīng)按無(wú)勵(lì)磁運(yùn)行規(guī)定執(zhí)行以下操作：迅速降低有功功率到允許值，此時(shí)定子電流將在額定電流左右擺動(dòng)。手動(dòng)斷開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)，退出自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置和水利發(fā)電機(jī)強(qiáng)行勵(lì)磁裝置。注意其他正常運(yùn)行的水利發(fā)電機(jī)定子電流和無(wú)功功率值是否超出規(guī)定，必要時(shí)按水利發(fā)電機(jī)允許過(guò)負(fù)荷規(guī)定執(zhí)行。對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行迅速而細(xì)致的檢查，如屬工作勵(lì)磁機(jī)的問(wèn)題，應(yīng)迅速啟動(dòng)備用勵(lì)磁幾恢復(fù)勵(lì)磁。注意廠用分支電壓水平，必要時(shí)可倒至備用電源接帶。在規(guī)定無(wú)勵(lì)磁運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)，仍不能使機(jī)組恢復(fù)勵(lì)磁，則應(yīng)將水利發(fā)電機(jī)自系統(tǒng)解列。

4 處理

失磁保護(hù)動(dòng)作后經(jīng)自動(dòng)切換勵(lì)磁方式、減有功負(fù)荷無(wú)效而作用于跳閘時(shí)，按事故停機(jī)處理；若失磁是由于滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘引起，應(yīng)立即重合滅磁開(kāi)關(guān)，重合不成功則馬上將水利發(fā)電機(jī)解列停機(jī)；若失磁是因?yàn)閯?lì)磁調(diào)節(jié)器AVR故障，應(yīng)立即將AVR由工作通道切至備用通道，自動(dòng)方式故障則切換至手動(dòng)方式運(yùn)行；水利發(fā)電機(jī)失磁后而水利發(fā)電機(jī)未跳閘，應(yīng)在1.5min內(nèi)將有功負(fù)荷減至120MW，失磁后允許運(yùn)行時(shí)間為15min；若失磁引起水利發(fā)電機(jī)振蕩，應(yīng)立即將水利發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，待勵(lì)磁恢復(fù)后重新并網(wǎng)。