同步发电机的失磁异步运行

同步发电机的失磁异步运行同步发电机的失磁异步运行是指同步发电机失去励磁后，仍带有一定的有功负荷，以某一滑差与电网并联运行的一种非正常运行方式，即由同步发电机转变为感应发电机的一种特殊运行方式。同步发电机全部或部分地失去励磁是常见的一种故障。造成发电机失去励磁的原因，可能是励磁系统中某一开关跳闸，励磁回路短路或断线及励磁机故障等。通常发电机失磁一般能由运行人员较快地消除并恢复励磁或切换到备用励磁机运行。如果发电机失磁立即由失磁保护动作跳闸，不仅对热力设备安全非常不利，而且机组操作复杂，容易造成温差、胀差超过规定或断油磨瓦、弯轴等严重事故。而在电网和机组本身允许的条件下，发电机在失磁后短时间内采用异步运行方式，继续与电网并列运行且发出一定的有功功率，待运行人员手动或由自动装置自动恢复励磁进入同步运行，对保证机组和电网安全、减少负荷损失均具有重要意义。实际电力系统中的发电机是否允许失磁异步运行，应通过具体试验确定。1 失磁的物理过程同步发电机正常运行时，从原动机输入的力矩与发电机的电磁力矩相等，发电机转子磁场与定子磁场均以同步速度旋转。当某种原因造成励磁电源中断时，虽然励磁电压已降到零，但由于励磁回路的电感很大，转子励磁电流不能立即降到零，而是按指数规律逐渐减到零。同步发电机的激磁电势也逐步减少，在转子上出现转矩不平衡现象，即原动机输入力矩将大于发电机电磁力矩，这个过剩力矩就会使转子加速，使 角增大。当励磁电流减小到某一数值时，会使 角大于静态稳定极限角，发电机在过剩力矩作用下失去同步，进入异步运行状态。随着励磁电势的减小，发电机从稳定的同步运行过渡到进相运行，再过渡到低励失步状态，最后到稳态的异步运行。由于定子磁场与转子磁场间有相对速度，即有滑差 s (s=(- 0)/ )，定子旋转磁场切割成闭合回路的励磁绕组、组尼绕组和其它金属导体。并在其中感应出滑差频率的交流电势和电流。该电流与定子旋转磁场相互作用产生异步力矩。原动机输入的力矩在克服异步力矩的过程中作功，使机械能变为电能。因此，发电机仍向电网有功功率 PYB。异步力矩的大小是随转差率 s 的增大而增大的(在一定范围内)，而原动机又因转带的升高使调速器动作，减小了原动机的输入力矩，加之发电机失磁后由自动装置或人为地减少输入功率，所以，当原动机输入的力矩与发电机的异步电磁力矩相平衡时，发电机进入无励磁的稳定异步运行状态，s 维持一定值。在这种状态下，发电机发出有功功率，同时吸收无功功率，相当于异步发电机的运行状态。2 同步发电机的异步运行同步发电机异步运行时，在转子回路里感应出频率为滑差频率的交流电流，这个单相的交流电流就是发电机失去直流励磁后的交流励磁电流的一部分(另一部分为阻尼绕组、转子导体 中的多相交流电流) 。该电流又建立起以滑差频率相对于转子脉动的磁场。这个磁场可以分解为两个向相反方向旋转的旋转磁场。其中一个反向旋转的旋转磁场以相对转子 sn1的转速逆转子转向旋转，与定子磁场相对静止，它与定子磁场相互作用，对转子产生制动作用的恒定异步力矩。另一个正向旋转磁场，以相对转子的转速 sn1的转速顺转子转向旋转，与定子磁场的相对转速为 2sn1。它与定子磁场相互作用，产生交变异步力矩，这个交变异步力矩是机组振动和定子电流脉动的原因之一。另外，阻尼绕组、转子本体相当于多相绕组。在发电机异步运行中，定子磁场切割阻尼绕组、转子本体导体，在这些导体中感应出多相电流，这种多相电流产生的合成磁场是与定子磁场相对静止的旋转磁场，它与定子磁场相互作用也产生恒定的制动性质的异步力矩。发电机失磁后异步运行时，其异步力矩即为上述各异步力矩之和。同步发电机能否在失磁状态下稳定地异步运行，与异步力矩的大小和特性有关。异步力矩特性与发电机结构有着密切的关系。对于实心转子的汽轮发电机，其异步转距特性与深槽式和双鼠笼式电动机转距特性相似，滑差很小就能产生相当大的制动转矩。在滑差由 0 到 0.2%-0.7%的小范围内，随着滑差的增大 ，异步转距增加很快，直到 s 等于临界滑差 scr时，转距达到最大值，随后在高于临界滑差的范围内转距维持在相当高的水平。因而，汽轮发电机失磁异步运行时输出的有功功率仍相当高，一般转子外冷的汽轮发电机，失磁异步运行时可输出 50%-60%的额定功率，水内冷转子的汽轮发电机可输出 40%-50%的额定功率。3 失磁运行时表计的指示变化与原因分析(1)转子电流表的指示为零或为零后又以定子表计摆动次数的一半而摆动。出现这种现象的原因是由于接线不同造成的。若失磁后的转子绕组是通过灭磁电阻或自同期电阻成闭合回路时，在定子磁场的作用下此回路将感应出差额电流，若转子电流表的分流器在此回路时，直流电流表上反映的是差额电流的变化，因表计是单向的，所以是“一起、一落”以转差频率摆动。如果发生失磁的原因，纯属励磁回路开路造成，则转子电流应为零。(2)定子电流表的指示升高并摆动。失磁后的发电机进入异步运行状态时，既向电网有功功率，又从电网吸收无功功率，所以造成电流指示值的上升。摆动的原因简单地说是由于转子回路中有差频脉动电流所引起的。(3)有功功率表的指针降低并摆动。异步运行发电机的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，原来由转子电流的电磁转矩也消失了， “释载”的转子在原动机的作用下很快升速，这时汽轮机的调速系统自动使汽门关小一些，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，与汽轮机的调整特性以及该发电机在某一转差下所能产生的异步力矩的大小有关。(4)发电机母线电压降低并摆动。发电机失磁前是系统的电源，送出有功功率，也送出无功功率，失磁进入异步运行状态时，系统向发电机倒送大量无功，发电机成了系统的无功负荷，母线电压减去线路上的压降才是发电机出口电压，因此使母线电压降低了一些。摆动的原因是由于电流的摆动引起的。如果母线上还运行着其它机组，且这些机组都装有自动电压调节装置，那它们的电压也会摆动，这是由于电流的摆动使各自动电压调节装置不断调整电压引起的。(5)无功表指示负值，功率因数表指示进相。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向，发电机进入定子电流超前于电压的进相运行状态而造成的结果。(6)转子电压表指示异常。转子电压表的指示与具体的接线情况有关。值得注意的是的瞬间，转子绕组两端将有过电压产生。若转子绕组失磁后闭合在灭磁电阻上，此过电压数值与灭磁电阻的大小有关，电阻大，过电压数值大。一般选择灭磁电阻为绕组电阻的 5 倍，使过电压数值限制在 2-4 倍额定电压。4 失磁运行对发电机本身和电网的影响从同步发电机角度考虑的因素有：（1）定子电流同步发电机异步运行时，要从系统吸取大量的无功功率，定子电流要增大 ，此时定子电流不应超过额定值。（2）定子端部发热发电机失磁异步运行时，定子端部漏磁场同进相运行时相似，致使定子端部漏磁通增加，导致定子端部发热严重。端部温度的高低及发热部位与端部构件的材料、冷却方式和端部结构有关。（3）转子损耗发热发电机异步运行时，在转子本体内感应出滑差频率的电流，这个电流将在转子中产生损耗发热，转子温度的最高点不应超过允许值。（4）励磁绕组开路失磁时转子过电压励磁绕组开路造成发电机失磁异步运行时，将会在励磁绕组中产生过电压。由于转子本体及其部件的屏蔽作用，在转差率不大时，过电压值并不大，当转差率很大时，这个过电压可能对转子绝缘构成威胁。（5）机组的振动发电机在异步运行时，转子感应电流的磁场与定子旋转磁场的相互作用，产生了恒定异步转矩和交变异步转矩，其中的交变异步转距将使发电机产生振动，这个振动也限制着同步发电机的异步运行。从系统角度应考虑的因素有：（1）系统电压及厂用电压的降低发电机失磁前向系统送出无功功率，失磁后要从系统吸收大量的无功功率，吸收的无功功率主要用于建立主、漏磁场。这样将造成系统较大的无功差额，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，威胁系统安全。上述无功差额的存在，将造成其它发电机组的过电流。失磁电机与系统相比，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切除，以致进一步导致系统电压水平的下降，甚至使系统电压崩溃而瓦解。 通过计算和一些机组的试验，当发电机输出有功功率为额定有功功率的 50%-60%异步运行时，从系统吸收总无功功率约为额定有功功率。如果系统有充足的无功储备，系统电压不会下降严重，则从系统电压角度考虑，发电机是允许失磁异步运行的。如果机组容量较大，而系统又没有足够的无功备用，在机组失磁时，将会造成系统电压及发电机厂用电压的大幅度下降，这样的发电机是不允许失磁运行的。（2）系统稳定的限制发电机失磁异步运行必须满足系统稳定性的要求。如果发电机失磁后可能导致系统稳定破坏，则失磁发电机必须由保护动作与系统解列。5 同步发电机失磁后的处理方法及失磁运行时允许负荷同步发电机失磁后的处理方法要视机组是否允许失磁运行而定。对不允许失磁运行的发电机，应由失磁保护动作于跳闸或人为解列。对允许失磁运行的发电机失磁后，首先应迅速降低有功出力至规定值，然后设法恢复励磁。同时，如果失磁后厂用电压过低。应迅速将厂用电源切换至备用电源运行。在励磁电流恢复后，进行人工再同步。在考虑发电机失磁后异步运行的容许负荷时，应考虑的限制因素有：(1)定子电流的平均值不应超过额定值；(2)定子端部温度不超过允许值；(3)转子损耗发热不超过允许值；(4)电网电压及厂用电压不低于允许值；(5)机组的振动不超过允许值；(6)保证系统稳定运行。我国一些电厂曾以试验的方法确定汽轮发电机在失磁异步运行时允许负荷值，取得了宝贵的经验。试验结果表明，对整锻