浅析发电机的失磁运行及其影响

张 先

（四川省电力公司遂宁公司，四川遂宁629000）

1 发电机的失磁运行

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。

对于并网运行的发电机组，当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减到零。 由于发电机的感应电势随着励磁电流的减小而减小；因此其电磁转距也将小于原动机的转距，因而引起转子加速，使发电机的功角增大。 当功角超过稳定极限角时，发电机将与系统失去同步，进入失步运行状态。 发电机失去励磁后将从并列运行的电力系统中吸收感性的无功功率供给励磁电流，在定子绕组中感应电势。 发电机失步后，转子回路将感应出频率为ff-fs(ff 为发电机转速的频率，fs为系统的频率)的电流，此电流产生异步制动转距。 引起发电机失磁的原因大致有:发电机转子绕组故障、励磁系统故障、自动灭磁开关误跳闸及回路发生故障等。

运行中的发电机失磁的表现

无功电力表反指，定子电流周期性摆动，有功负荷稍低，定子电压降低，转子电压、电流根据故障点的不同有不同的指示，转子回路断线时，电压升高，电流为零；励磁机励磁回路或电枢回路断线，电压、电流近于零。

发电机失磁，将在转子线圈、转子铁芯表面、阻尼系统产生滑差电流，引起附加温升。 在槽楔与齿壁之间、槽楔与套箍之间，以及齿与套箍间的接触面上都可能产生局部高温。 此外，定子中的滑差电流将产生交变机械转矩，可能影响机组的安全。

2 发电机失磁对电力系统和发电机的影响

2.1 对系统的影响

（1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机磁场。 所需无功功率的大小， 主要取决于发电机的参数以及实际运行时的转差率。汽轮发电机与水轮发电机相比，前者的同步电抗较大（定子绕组和转子绕组之间的互感较大），则所需无功功率小。 但当转差率增大时，其所需的无功功率也要增加。假设失磁前发电机向系统送出无功功率Q1，而在失磁铁后吸收无功功率Q2，则系统中Q1+Q2 的无功功率差额。

（2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压、或其它邻近点的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。

（3）由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，因此为了防止其子绕组过电流，发电机所能发出的有功功率将较同步运行时有不同程度的降低，吸收的无功功率越大，则能够输出的有功功率降低的越多。

（4）失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为FG—FS 的交流电流，因此形成附加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热。 显然，当转差率越大时所引起的过热也越严重。

（5）低励磁或失磁运行时定子端部漏磁增加，将使端部铁心过热。由于汽轮发电机异步功率较大，调速器也比较灵敏，因此当超速运行后调速器立即关小气门，使汽轮机的输出功率与发电机的异步功率很快达到平衡，在转差率小于0.5%的情况下即可稳定运行。 故汽轮发电机在很小的转差率下异步运行一段时间，原则上是完全允许的。此时，是否需要并允许其异步运行，则主要取决于电力系统的具体情况。 例如，当电力系统的有功功率供应比较紧张，同事，一台发电机失磁后，系统能够供给它所需要的无功功率， 并能保证电网的电压水平时，则失磁后就应该继续运行；反之，如系统中有功功率有足够的储备，或者系统没有能力供给它所需要的无功功率，则失磁以后就不应该继续运行。

2.2 对发电机的危害

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。

（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。

3 发电机失磁保护

失磁保护作为发电机励磁电流异常下降或完全消失的失磁故障保护。 由整定值自动随有功功率变化的励磁低电压Ufd(P)、系统低电压、静稳阻抗、TV 断线等判据构成，分别动作于发信号和解列灭磁。

励磁低电压Ufd（P）判据和静稳阻抗判据均与静稳边界有关，可检测发电机是否因失磁而失去静态稳定。静稳阻抗判据在失磁后静稳边界时动作。

TV 断线判据在满足以下两个条件中任一条件：│Ua UbUc－3U0│≥Uset（电压门坎）或三相电压均低于8V，且0.1A 在电力系统短路或短路切除等非失磁因素引起系统振荡时，保护采取措施闭锁Ufd（P），可防止保护误出口。

励磁低电压Ufd（P）判据动作后经t1（2s）发出失磁信号。励磁低电压Ufd（P）判据、静稳阻抗判据均满足且无TV 二次回路断线时经t2（6s）发出跳闸指令。 励磁低电压Ufd(P)判据、静稳阻抗、系统低电压判据均满足且无TV 二次回路断线时经t3（1s）发出跳闸指令。

4 结语

同步发电机在运行过程中由于失去励磁而造成正常运行状态的破坏。 同步发电机失磁后将转入异步发电机运行，从原来发出无功功率(感性的)转变为吸收无功功率。 目前大型发电机组广泛采用静态励磁，虽然减少了旋转直流电机，但由于励磁系统复杂和元器件质量问题，使大中型发电机组故障总次数的半数以上由低励（励磁不足）或失磁引起。

对于无功功率储备容量较小的电力系统，大型机组失磁故障将首先反映为系统无功功率不足，电压下降，严重时将造成系统的电压崩溃，使一台发电机的失磁故障扩大为系统性事故。在这种情况下，必须尽快将失磁机组从系统中断开，以保持系统的正常运行。

当系统无功功率储备充足时，汽轮发电机的失磁故障允许短时间（例如10～30 分）减小有功功率出力转入异步发电运行，在此期间，需迅速排除故障，恢复励磁；如若不成再行切机。 对于水轮发电机组，由于它的异步力矩（功率）很小，而且起停方便，所以水轮发电机失磁故障时通常不作异步运行，失磁保护直接作用于跳闸停机。

对于远离负荷中心且与系统联系薄弱的大型发电机组，失磁故障的检测比较晚，容易造成对侧系统的后备保护因无功倒送、线路过流而误动作，为此应注意失磁保护方案的选择和定值的正确计算。

为了彻底消除发电机失磁故障给系统可能造成的严重后果，首先必须使系统中每台机组的单机容量小于系统总容量的5～7%。 单机容量过大将形成十分为难的局面：切除失磁机组，系统将因有功功率不足而崩溃；不切失磁机组，系统将因无功功率不足而崩溃。 其次，所有发电机组的励磁调节器不应随意停用，值班人员不应在发生失磁故障时减少非失磁机组的励磁。失磁保护只是防范失磁故障扩大和检测失磁机组的最后防线。 在发电机上，尤其是大型发电机上应装设失磁保护，以便及时发现失磁故障，如发信号、自动减负荷、动作于跳闸等，以保证电力系统和发电机的安全。

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