淺析發電機的失磁運行及其影響

張 先

（四川省電力公司遂寧公司，四川遂寧629000）

1 發電機的失磁運行

發電機失磁故障是指發電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發生故障以及誤操作等。

對于并網運行的發電機組，當發電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減到零。 由于發電機的感應電勢隨著勵磁電流的減小而減??；因此其電磁轉距也將小于原動機的轉距，因而引起轉子加速，使發電機的功角增大。 當功角超過穩定極限角時，發電機將與系統失去同步，進入失步運行狀態。 發電機失去勵磁后將從并列運行的電力系統中吸收感性的無功功率供給勵磁電流，在定子繞組中感應電勢。 發電機失步后，轉子回路將感應出頻率為ff-fs(ff 為發電機轉速的頻率，fs為系統的頻率)的電流，此電流產生異步制動轉距。 引起發電機失磁的原因大致有:發電機轉子繞組故障、勵磁系統故障、自動滅磁開關誤跳閘及回路發生故障等。

運行中的發電機失磁的表現

無功電力表反指，定子電流周期性擺動，有功負荷稍低，定子電壓降低，轉子電壓、電流根據故障點的不同有不同的指示，轉子回路斷線時，電壓升高，電流為零；勵磁機勵磁回路或電樞回路斷線，電壓、電流近于零。

發電機失磁，將在轉子線圈、轉子鐵芯表面、阻尼系統產生滑差電流，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生局部高溫。 此外，定子中的滑差電流將產生交變機械轉矩，可能影響機組的安全。

2 發電機失磁對電力系統和發電機的影響

2.1 對系統的影響

（1）需要從電網中吸收很大的無功功率以建立發電機磁場。 所需無功功率的大小， 主要取決于發電機的參數以及實際運行時的轉差率。汽輪發電機與水輪發電機相比，前者的同步電抗較大（定子繞組和轉子繞組之間的互感較大），則所需無功功率小。 但當轉差率增大時，其所需的無功功率也要增加。假設失磁前發電機向系統送出無功功率Q1，而在失磁鐵后吸收無功功率Q2，則系統中Q1+Q2 的無功功率差額。

（2）由于從電力系統中吸收無功功率將引起電力系統的電壓下降，如果電力系統的容量較小或無功功率儲備不足，則可能使失磁發電機的機端電壓、升壓變壓器高壓側的母線電壓、或其它鄰近點的電壓低于允許值，從而破壞了負荷與各電源間的穩定運行，甚至可能因電壓崩潰而使系統瓦解。

（3）由于失磁發電機吸收了大量的無功功率，因此為了防止其子繞組過電流，發電機所能發出的有功功率將較同步運行時有不同程度的降低，吸收的無功功率越大，則能夠輸出的有功功率降低的越多。

（4）失磁后發電機的轉速超過同步轉速，因此，在轉子及勵磁回路中將產生頻率為FG—FS 的交流電流，因此形成附加的損耗，使發電機轉子和勵磁回路過熱。 顯然，當轉差率越大時所引起的過熱也越嚴重。

（5）低勵磁或失磁運行時定子端部漏磁增加，將使端部鐵心過熱。由于汽輪發電機異步功率較大，調速器也比較靈敏，因此當超速運行后調速器立即關小氣門，使汽輪機的輸出功率與發電機的異步功率很快達到平衡，在轉差率小于0.5%的情況下即可穩定運行。 故汽輪發電機在很小的轉差率下異步運行一段時間，原則上是完全允許的。此時，是否需要并允許其異步運行，則主要取決于電力系統的具體情況。 例如，當電力系統的有功功率供應比較緊張，同事，一臺發電機失磁后，系統能夠供給它所需要的無功功率， 并能保證電網的電壓水平時，則失磁后就應該繼續運行；反之，如系統中有功功率有足夠的儲備，或者系統沒有能力供給它所需要的無功功率，則失磁以后就不應該繼續運行。

2.2 對發電機的危害

對發電機的危害，主要表現在以下幾個方面：

（1）由于轉差的出現，在轉子表面將感應出差頻電流。差頻電流在轉子回路中產生附加損耗，使轉子發熱加大，嚴重時可使轉子燒損。特別是直接冷卻高利用率的大型機組，其熱容量裕度相對降低，轉子容易過熱。

（2）失磁發電機轉入異步運行后，發電機的等效電抗降低，由系統向發電機送出的無功功率增大。 失磁前帶的有功功率越大。 轉差也越大，等效電抗越小，由系統送出的無功也越大。 因此在重負荷下失磁，由于定子繞組過電流，將使發電機定子過熱。

（3）異步運行中，發電機的轉矩有所變化，因而有功功率要發生嚴重的周期性變化，使發電機、轉子和基座受到異常的機械力的沖擊，使機組的安全受到威脅。

3 發電機失磁保護

失磁保護作為發電機勵磁電流異常下降或完全消失的失磁故障保護。 由整定值自動隨有功功率變化的勵磁低電壓Ufd(P)、系統低電壓、靜穩阻抗、TV 斷線等判據構成，分別動作于發信號和解列滅磁。

勵磁低電壓Ufd（P）判據和靜穩阻抗判據均與靜穩邊界有關，可檢測發電機是否因失磁而失去靜態穩定。靜穩阻抗判據在失磁后靜穩邊界時動作。

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

勵磁低電壓Ufd（P）判據動作后經t1（2s）發出失磁信號。勵磁低電壓Ufd（P）判據、靜穩阻抗判據均滿足且無TV 二次回路斷線時經t2（6s）發出跳閘指令。 勵磁低電壓Ufd(P)判據、靜穩阻抗、系統低電壓判據均滿足且無TV 二次回路斷線時經t3（1s）發出跳閘指令。

4 結語

同步發電機在運行過程中由于失去勵磁而造成正常運行狀態的破壞。 同步發電機失磁后將轉入異步發電機運行，從原來發出無功功率(感性的)轉變為吸收無功功率。 目前大型發電機組廣泛采用靜態勵磁，雖然減少了旋轉直流電機，但由于勵磁系統復雜和元器件質量問題，使大中型發電機組故障總次數的半數以上由低勵（勵磁不足）或失磁引起。

對于無功功率儲備容量較小的電力系統，大型機組失磁故障將首先反映為系統無功功率不足，電壓下降，嚴重時將造成系統的電壓崩潰，使一臺發電機的失磁故障擴大為系統性事故。在這種情況下，必須盡快將失磁機組從系統中斷開，以保持系統的正常運行。

當系統無功功率儲備充足時，汽輪發電機的失磁故障允許短時間（例如10～30 分）減小有功功率出力轉入異步發電運行，在此期間，需迅速排除故障，恢復勵磁；如若不成再行切機。 對于水輪發電機組，由于它的異步力矩（功率）很小，而且起停方便，所以水輪發電機失磁故障時通常不作異步運行，失磁保護直接作用于跳閘停機。

對于遠離負荷中心且與系統聯系薄弱的大型發電機組，失磁故障的檢測比較晚，容易造成對側系統的后備保護因無功倒送、線路過流而誤動作，為此應注意失磁保護方案的選擇和定值的正確計算。

為了徹底消除發電機失磁故障給系統可能造成的嚴重后果，首先必須使系統中每臺機組的單機容量小于系統總容量的5～7%。 單機容量過大將形成十分為難的局面：切除失磁機組，系統將因有功功率不足而崩潰；不切失磁機組，系統將因無功功率不足而崩潰。 其次，所有發電機組的勵磁調節器不應隨意停用，值班人員不應在發生失磁故障時減少非失磁機組的勵磁。失磁保護只是防范失磁故障擴大和檢測失磁機組的最后防線。 在發電機上，尤其是大型發電機上應裝設失磁保護，以便及時發現失磁故障，如發信號、自動減負荷、動作于跳閘等，以保證電力系統和發電機的安全。

［1］張慶華.同步發電機失磁異步運行分析及處理[J].中國科技信息，2008(18).

［2］吳道統，張旭航.華東電網大機組失磁對系統穩定的影響[J].華東電力，1995(10).

［3］趙志英，連晶晶.大機組失磁異步運行探討[J].江西電力，1998(02).