关于发电机失步浅析

摘要： 阐述了发电机产生失步故障的原因、原理及防范处理措施。在机组发生失步时，应尽快采取措施将机组恢复同步，稳定电力系统，保障发电厂安全生产。并就发电机因失磁而造成的失步做了详细分析。

关键词： 发电机 功角 失磁 功率平衡 励磁

 

1 引言

电力系统正常运行时各发电机都处于功率平衡状态，但当系统发生某些重大故障时，系统的稳定性遭到严重破坏，使发电机功角的摆动超过90。后，输出功率反而随δ角增大而减小，致使发电机转子加速与电力系统失去同步。系统瓦解成若刊、系统，给电网安全运行带来严重后果。因此，一定要避免产生失步现象，以维持电力系统稳定，保证电力安全生产。

 

2 发电机失步时的现象

所谓失步、非同期状态，指转子转速不再和定子磁场的同步的转速一致，δ角在 范围内变化。发电机在 范围内送出有功，在 范围内吸收有功、电流、功率等都发生剧烈的摆动；发电机静子电流、电压和发电机转子电流、电压发生大幅度摆动，无功功率显示在零值以下；失步发电机的表针摆动幅度比别的发电机厉害；失步发电机有功电力表的摆动是全刻度的，甚至撞到两边的针档，而其他机组则在正常负荷值左右摆动，且失步发电机的有功电力表的表针摆向零或负时，其他机组的表针则摆向正的指示值大的一侧，即两者摆向正好相反。

 

3 发电机与系统失步时等效系统图与向量图

发电机与系统失步时的等效系统图见图1，系统各点的电流电压关系向量图见图2。

 

 

 

 

 

图1 发电机与系统失步时的等效系统图

 

 

 

 

图2 系统各点的电压、电流关系向量图

 

4 造成发电机失步的几种原因

Ø 由于系统发生短路或功率过大，电压过低；

Ø 励磁回路，Mavr自动电压调节器故障，发电机突然减少励磁；

Ø 发电机失磁；

Ø 增加发电机有功功率时，未能及时和足够地相应增加无功功率；

Ø 发电机有功负荷突然增加；

Ø 发电机严重振荡发展到失步。

 

5 如何判断发电机失磁

笔者认为，当有下列现象时，可判断为转子失磁：

(1)转子电流表指示等于零或接近零(转子线圈的匝间短路，则转子电流不为零)。

(2)转子电压表指示将偏高，转子失磁瞬间，线周两端将产生过电压。

(3)定子电流表指示升高并摆动。由于机组既发有功又吸收大量无功电流表指示将升高，摆动是因为转子中有交流电流及转子的纵轴、横轴磁不对称。

(4)有功功率表指示降低并不断摆动。由于失磁，转速升高；又由于调速器自动调整作用将导水叶关小，主动力矩减小，所以有功功率随即降低；因定子电流摆动，故功率表亦摆动。

(5)发电机母线电压降低。因发电机向系统吸收无功，电流大，沿路压降大，所以母线电压降低；由于发电机电流摆动，因此发电机电压摆动。

(6)无功功率表指示为负值，功率因数表则指示超前。因发电机失磁后，该机从系统吸收无功。

针对以上表针指示情况，可判断该机是否失磁。假如失磁，则应采取安全措施，对不允许无励磁电流发电机应立即从电网上解列，查明失磁原因，消除故障，尽快使机组投人运行。

6 造成发电机失步的原因分析

6.1功角特性

发电机的输出功率P与功角δ之间的关系：

 

式中：P—发电机输出功率；

E₀—发电机电势；

U—机端母线电压；

X_d—发电机及系统总电抗；

δ—发电机电势E与机端母线电压U之间的时间相位差(又称功角)；

P_m—发电机输出功率极限(当δ= 时)。

功率极限P_m是指发电机电动势E和受端电压 的大小为某一定值时，系统传输功率的最大值。

根据上述关系可以作功角特性曲线P=f(δ)

6.2 当系统发生短路、功率过大或电压过低时

此时， 由于系统电压降低发电机的有功功率瞬间突然变小，假定发电机机械输入功率不变，仍为P₀，大于发电机新的电磁功率，产生了使发电机过速的过剩转矩，过剩转矩很大，转子量使发电机的工作点到某一点后仍继续向δ角增加方向移动，一直冲过功率极限之后，δ角继续增大。反而使过剩转矩加大，发电机转子更进一步加速，发电机电磁功率减小，输入功率与发电机功率将不可能平衡，这样就造成了失步。图3为发电机的故障录波在主变高压侧A、B相故障延时0.2s切除，发电机定子A、B、C三相电流为零，发电机空载运行，定子三项电压发生大幅度摆动，发电机失步振荡。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3 某发电机一次典型的失步振荡过程录波

6.3 励磁系统故障或其他原因造成发电机失磁时

以某水电厂为例：

2009年1月17日，某水电站3号机组并网运行过程中监控系统发出“励磁装置故障灭磁”信号后3号机组紧急动作停机。在检查监控历史曲线中发现，励磁装置直流工作电源消失时，励磁电压快速下降为零，定子绕组A相电流快速升至22.8kA，机端电压随即降至10kV，机组有功由290MW降至104MW，无功由-65Mvar变为-380Mvar。查明原因为相关工作人员施工过程中误碰导致3号机组直流馈电屏直流Ⅰ段失电，励磁调节器直流工作电源消失，在切换至交流电源供电时，交流电源空气开关跳闸，励磁调节器交直流工作电源消失，机组失磁。而引入发电机保护A柜P₃₄₅、发电机保护B柜P₃₄₃保护装置的CT电流极性接反，导致发电机失磁保护未动作。机组过速后由机械过速155%N_e启动水机保护回路停机。

在这种情况下，由于发电机励磁突然减少或失磁，发电机电动势突然降低，发电机的功率瞬间突然变小，如上所述，发电机输入功率与发电机发出有功功率不能平衡，造成了失步，给发电机带来严重影响。

6.4 增加发电机有功功率时，未能及时和足够地相应增加

无功，将会导致机组失步。

 

7 发电机因失磁失步产生的不良后果

发电机正常运行时，定子旋转磁场与转子磁场以同步转速一同运转，此时水轮机的主动力矩与发电机的电磁阻力矩相平衡，发电机以额定转速运行，当转子电流消失时，则转子磁极电磁力矩将减少，水轮机的主动力矩没有变，于是就存在过剩力矩而使发电机转速升高。这样转子和定子磁场间

就产生了转差，即发电机失步，将对发电机和电力系统产生不良后果，主要体现在如下几方面：

(1)将在转子的阻尼系统、转子铁芯表面、转子绕组中(经灭磁电阻成回路)、定子铁芯上引起高温，直接危及转子安全。

(2)在定子绕组中出现脉动电流，将产生交变力矩，使机组振动摆度值增大，噪音明显，影响发电机的安全。

(3)发电机失磁后，将从系统吸收无功，导致失磁发电机附近的电力系统电压下降。

(4)由于电力系统电压下降，必然引起其它发电机过电流。

(5)由于上述过电流的存在，有可能引起保护动作使系统中其它发电机解列，从而导致系统电压进一步下降，严重时将使系统瓦解。(失磁发电机在电力系统中地位，容量愈太，这种后果愈严重)

发电机失磁后果十分严重，故在发电机电气保护中设置有失磁保护回路，一旦失磁发生，保护将动作，使机组与系统立即解列。但实际运行中仍然存在灭磁开关偷跳、误操作、保护失灵，使事故屡屡发生，这就要求运行人员能够对发电机失磁作出准确判断，果断采取措施，杜绝事故恶化。

 

8 发电机运行中失步应采取的措施

发电机失磁失步后，会造成定子铁心和绕组发热，并使轴系受到异常的机械力冲击，威胁机组的安全，严重时会损坏设备，应立即采取措施：

(1) 对于不能失磁运行的发电机，当发电机失磁后，失磁保护动作，“发电机失磁保护动作”信号发出，发电机出口开关（GCB）跳闸，表明保护已动作解列灭磁，按发电机事故跳闸处理，并在第一时间检查厂用电切换情况；若失磁保护拒动，则应该立即手动解列发电机；在发电机失磁过程中，应注意调整好其他正常运行的发电机定子电流和无功功率。

(2)对于可以短时欠励或失磁运行的设备，立即增加发电机的励磁。以提高发电机电势，增加功率极限，有利于恢复同步，对于有自动调节器的发电机，不要退出调节器和强励，可由调节器动作调整励磁，对于无自动电压调节器的发电机，则要手动增加励磁。增加励磁的作用是为了增加定、转子磁极间的拉力，以削弱转子的惯性作用，使电机较易在到达平衡点附近拉入同步。

(2)发电机在手动励磁方式下运行时，在机组启动自动加负荷过程中，必须随着发电机有功功率的增加，同步增加无功功率，严防因单机高功率因数引起的发电机失步。若因单机高功率因数引起失步，应减少发电机的有功输出，同时增加励磁电流，以利于发电机的同步。

(3)若一台电机失步，可适当减轻它的有功出力，这样容易拉人同步。若是系统解列，则电厂根据具体情况增减负荷，不能一概减少出力。因为这时送端系统周波升高，受端系统的周波降低，周波低的电厂应增加有功出力，同时将电压提高到最大允许值，周波高的电厂应降低有功出力，以降低周波尽量接近于受端的周波，同时也要将电压提高到最大允许值。

(4)上述措施，经1rain一2min后仍未将机组拉入同步状态时，即可将失步电机与系统解列，或按调度要求，将非同期两部分系统解列。

(5)处理发电机失步事故时，一要冷静沉着地分析，准确地判断；二要有整体观念，及时报告调度，听从指挥，服从调令。

 

参考文献：

[1] 王正茂,阎治安等.电机学．西安交通大学出版社，2000-9。

[2] 何仰赞.电力系统分析.华科大出版社,2006-11。

[3] 卓乐友.电气工程电气设计手册.中国电力出版社，1991-3。