发电机失磁异步运行的探讨

李翠翠

中国神华胜利能源分公司 内蒙古 锡林浩特市 026000

摘要:励磁系统是发电机正常运行的重要组成部分，本文以南瑞公司的NES-6100励磁系统为例介绍了自并励起励方式，并分析了失磁的原因以及失磁后主要参数的变化以及失磁异步运行对发电机以及系统的危害，最后介绍了发电机的失磁保护。

关键词：励磁；失磁；自并励；危害；保护

引言

发电机正常运行过程中，励磁突然部分或全部消失，称为发电机失磁。同步发电机运行时必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称为励磁电流（转子电流），而供给电流的整个系统称为励磁系统。大型发电机组的涉网保护是电网安全稳定运行的保障，其中，发电机失磁对电力系统的稳定和发电机本身的安全都有不利的影响，失磁故障应尽量的发现并排除^[1]。

1 发电机起励方式

现代大型发电系统主要采用自并励起励方式。下面以南瑞公司的NES-6100 励磁系统为例加以介绍（如图1所示）。

图1 自并励励磁系统示意图

根据图1所示的 NES6100 励磁系统的框图，整个系统可分为四个主要部分：

中频副励磁机或励磁变压器

两套相互独立的励磁调节器（A 套、B 套）

晶闸管整流装置

起励单元、灭磁单元、过压保护等辅助单元

NES6100静止励磁系统通过可控硅整流桥控制励磁电流来调节同步发电机端电压和无功功率。其中，可控硅整流功率柜的触发控制脉冲来自NES6100发电机励磁调节装置。此外，NES6100发电机励磁调节器对用于励磁控制的模拟量和开关量信号进行采集和处理，并且将励磁系统运行状态信息以模拟信号、节点开关或通信形式输出。

在静态励磁系统（常称自并励）中，励磁电源取自发电机机端。

同步发电机的磁场电流经由励磁变压器、磁场断路器和可控硅整流桥供给。励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流桥所需的输入电压、为发电机端电压和磁场绕组提供电气隔离以及为可控硅整流桥提供整流阻抗。可控硅整流桥将交流电流转换成受控的转子直流电流。起励开始时，发电机的起励能量来自外接他励电源或发电机残压。当可控硅整流桥的输入电压升到一定值时，可控硅整流桥和励磁调节器就投入正常工作，由励磁调节装置控制进行软起励过程。并网后，励磁系统可工作于电压闭环（AVR）方式，调节发电机的端电压和无功功率，或接受电厂调度指令，工作于叠加调节方式，包括恒功率因数调节（PFLOOP）、恒无功调节（QLOOP）等。

2 失磁原因及失磁后参数的变化

发电机失去励磁的原因一般可归纳为励磁回路开路或短路，包括：

（1）励磁机、励磁变或励磁回路的故障；

（2）误碰励磁开关；

（3）切换备用励磁不当；

（4）励磁系统失去厂用电源；

（5）转子绕组或励磁回路开路或转子绕组严重短路；

（6）半导体励磁系统发生故障；

（7）转子滑环或烧断等。

发电机失磁后参数的变化：

（1）发电机定子电流和有功功率在瞬间下降后又迅速上升，而且比值增大，并开始摆动；  

（2）发电机失磁后还能发一定的有功功率，并保持送出的有功功率的方向不变，但功率表的指针周期性摆动；  

（3）定子电流增大，其电流表指针也周期性摆动；  

（4）从送出的无功功率变为吸收无功功率，其指针也周期性的摆动；吸收的无功功率的数量与失磁前的无功功率的数量大约成正比。  （5）转子回路感应出滑差频率的交变电流和交变磁动势，故转子电压表指针也周期性的摆动；  

（6）转子电流表指针也周期性的摆动，电流的数值较失磁前的小；（7）当转子回路开路时，由转子本体表面感应出一定的涡流而构成旋转磁场，也产生一定的异步功率

3 发电机失磁异步运行危害与处理原则

发电机失磁后的不良影响分为两方面来阐述：一是对本身发电机的影响，二是对系统的危害。

对发电机的危害，主要表现在以下几个方面：

(1)由于转差的出现，在转子表面将感应出差频电流。差频电流在转子回路中产生附加损耗，使转子发热加大，严重时可使转子烧损。特别是直接冷却高利用率的大型机组，其热容量裕度相对降低，转子容易过热^[3]；

(2)失磁发电机转入异步运行后，发电机的等效电抗降低，由系统向发电机送出的无功功率增大。失磁前带的有功功率越大。转差也越大，等效电抗越小，由系统送出的无功也越大。因此在重负荷下失磁，由于定子绕组过电流，将使发电机定子过热；

(3)异步运行中，发电机的转矩有所变化，因而有功功率要发生严重的周期性变化，使发电机、转子和基座受到异常的机械力的冲击，使机组的安全受到威胁。

发电机失磁后，对系统的影响表现如下：

1. 失磁后的发电机，将从电力系统吸取相当于额定容量的无功功率，引起电力系统的电压下降。如果电力系统无功功率储备容量不足，将使邻近失磁发电机的部分系统电压低于允许值，威胁负载及各电源间的稳定运行，甚至导致系统的电压崩溃而瓦解，这是发电机失磁所导致的最严重的后果；

(2)一台发电机失磁引起系统的电压下降，将使邻近的发电机励磁调节器动作而增大其无功输出，因而这些发电机、变压器和线路引起过电流，导致大面积停电，扩大故障的波及范围。

一般处理原则如下:  

(1)对于不允许无励磁运行的发电机应立即从电网解列,以免损坏设备或造成系统事故；  

(2)对于允许无励磁运行的发电机应按无励磁运行规定执行以下操作:

1)迅速降低有功功率到允许值(本厂失磁规定的功率值与表计摆动的平均值相符合),此时定子电流将在额定电流左右摆动；  

2)手动断开灭磁开关,退出自动电压调节装置和发电机强行励磁装置；

3)注意其它正常运行的发电机定子电流和无功功率值是否超出规定,必要时按发电机允许过负荷规定执行；  

4)对励磁系统进行迅速而细致的检查，如属工作励磁机的问题,应迅速启动备用励磁几恢复励磁；  

5)注意厂用分支电压水平,必要时可倒至备用电源接带； 

6)在规定无励磁运行的时间内,仍不能使机组恢复励磁,则应将发电机自系统解列。

4发电机的失磁保护

发电机的失磁保护是发电机继电保护的一种，是指发电机的励磁突然消失或部分消失，当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零，当δ超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步，此时发电机保护装置动作于发电机出口断路器，使发电机脱离电网，防止发电机损坏和保护电网稳定运行。

失磁保护主判据可由下述判据的一个或两个组成：

(1)静稳极限励磁电压主判据 该判据主要优点是：凡是能导致失步的失磁初始阶段，由于Ufd快速降低，该判据可快速动作。在通常工况下失磁，该判据动作大约比静稳边界阻抗判据动作提前1s以上，有预测失磁失步的功能。显著提高机组压处理或切换励磁效果的效果；

(2)定励磁低电压辅助判据；

(3)静稳边界阻抗判据；

(4)静态异步边界阻抗判据；

(5)主变高压侧三相同时低电压判据；

(6)极端过电压判据。

参考文献

[1]毛强 浅谈发电机励磁系统的应用[J]. 中国高新区，2017（23）:10-12.

[2]电力行业电机标准化技术委员会：DL/T 1166-2012大型发电机励磁系统现场试验导则[S].北京：中国电力出版社，2012

[3]孙兴喜 浅谈发电机励磁系统[J]. 河南科技，2015（23）:107-107.