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發(fā)電機(jī)剩磁消失的起因和危害 |
摘要：發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行是一種常見的故障形式，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生失磁會(huì)對發(fā)電機(jī)本身和電力系統(tǒng)造成影響，從而導(dǎo)致破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、威脅發(fā)電機(jī)的自身安全。所謂失磁即使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子失去勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)失磁后，引起發(fā)電機(jī)失步，將在轉(zhuǎn)子的阻尼繞組、轉(zhuǎn)子表面、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生差頻電流，引起附加溫升，可能引起轉(zhuǎn)子局部高溫，產(chǎn)生嚴(yán)重過熱現(xiàn)象，危及轉(zhuǎn)子安全，其次，同步發(fā)電機(jī)異步運(yùn)動(dòng)，在定子繞組中將出現(xiàn)脈動(dòng)電流，產(chǎn)生交變的機(jī)械力矩，使機(jī)組發(fā)生振動(dòng)，影響發(fā)電機(jī)的安全。同時(shí)，定子電流增大，可能使定子繞組溫度升高。
一、發(fā)電機(jī)失磁的定義
發(fā)電機(jī)失磁是指發(fā)電機(jī)剩磁消失。剩磁指的是鐵磁材料磁化過程中外加磁場消失后鐵磁材料還保留的磁場。發(fā)電機(jī)剩磁指的是停機(jī)后定轉(zhuǎn)子鐵心保留的剩磁。
1、失磁過程
以隱極發(fā)電機(jī)為例介紹發(fā)電機(jī)失磁過程。設(shè)發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)相連，則機(jī)端電壓在失磁過程保持恒定不變。設(shè)發(fā)電機(jī)電勢為Eq，定子電流為I，功率因數(shù)角為φ，發(fā)電機(jī)功角為δ。
發(fā)電機(jī)正常滯相運(yùn)行，定子電流滯后于機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率和無功功率。失磁后，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流逐漸減小，Eq隨之減小，定子電流超前于機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)進(jìn)入進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率，吸收無功功率。若勵(lì)磁電流進(jìn)一步衰減，發(fā)電機(jī)功角越過90°，則發(fā)電機(jī)失去同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，定子電流超前于機(jī)端電壓45°左右，為維持有功負(fù)荷不變，定子電流比正常運(yùn)行增加很多。之后，發(fā)電機(jī)會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行狀態(tài)。
發(fā)電機(jī)定子側(cè)阻抗判據(jù)有兩種阻抗圓，異步阻抗圓或靜穩(wěn)邊界圓，動(dòng)作方程為：
90°≤Arg｛（z+jXB）/（Z-jXA）｝≤270°
對于阻抗判據(jù)，可以選擇與無功反向判據(jù)結(jié)合：
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圖1 發(fā)電機(jī)失磁過程 |
圖2 發(fā)電機(jī)機(jī)端正序測量阻抗失磁后的變化軌跡 |
2、何為發(fā)電機(jī)剩磁
對于自勵(lì)式發(fā)電機(jī)，靠剩磁發(fā)電，發(fā)出的電再向轉(zhuǎn)子繞組供電，加強(qiáng)轉(zhuǎn)子磁場，通過正反饋使發(fā)電機(jī)輸出電壓逐漸升高，最后達(dá)到額定電壓。如果沒有剩磁，發(fā)電機(jī)就沒法發(fā)電了。
3、阻抗平面失磁過程和失磁判據(jù)
發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)通常采用不飽和值。以660KW斯坦福交流發(fā)電機(jī)為例，根據(jù)發(fā)電機(jī)額定容量和額定電壓可得到1p.u.=0.545 。若阻抗判據(jù)采用二次值，則可得到異步邊界阻抗圓的上下端點(diǎn)值為2.29 和32.4 ；若發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的聯(lián)系阻抗為3.8 ，則靜穩(wěn)極限阻抗圓的上下端點(diǎn)為3.8Ω和32.4Ω。繪制發(fā)電機(jī)失磁后機(jī)端阻抗的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。
通過比對失磁數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)簽，可以得到機(jī)端阻抗軌跡在失磁后3.03s進(jìn)入靜穩(wěn)極限阻抗圓，在失磁后4.2s進(jìn)入異步阻抗圓，在失磁后約10s，阻抗軌跡進(jìn)入基準(zhǔn)阻抗圓。因發(fā)電機(jī)失磁前有功功率239MW，約為額定功率的36%，阻抗軌跡在約1s后離開基準(zhǔn)阻抗圓，之后在異步圓和基準(zhǔn)阻抗圓之間振蕩。若綜合考慮保護(hù)動(dòng)作的延時(shí)，即靜穩(wěn)極限阻抗圓會(huì)有1～1.5s的延時(shí)，異步邊界阻抗圓會(huì)有0.5s的延時(shí)，則靜穩(wěn)圓和異步圓都會(huì)在失磁后4.5～5s之間動(dòng)作于跳閘，兩者實(shí)際動(dòng)作時(shí)間基本差不多。
4、P-Q坐標(biāo)平面判據(jù)
基于P-Q坐標(biāo)平面的失磁保護(hù)判據(jù)，是由發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性曲線和靜穩(wěn)極限阻抗圓映射到P-Q坐標(biāo)平面的靜穩(wěn)極限圓共同構(gòu)成的。
綜上所述，可設(shè)兩段保護(hù)，分別取0.85倍和0.95倍的額定電壓下P-Q坐標(biāo)平面的靜穩(wěn)圓作為動(dòng)作條件。其中0.85倍額定電壓下的靜穩(wěn)圓動(dòng)作于報(bào)警，0.95倍額定電壓下的靜穩(wěn)圓經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于跳閘。失磁保護(hù)需要綜合考慮發(fā)電機(jī)的特性曲線如圖4所示。
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圖3 阻抗平面失磁過程和失磁判據(jù) |
圖4 交流發(fā)電機(jī)特性曲線圖 |
二、發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁的原因
一般可歸納為勵(lì)磁回路開路或短路，包括勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁變或勵(lì)磁回路的故障、誤碰勵(lì)磁開關(guān)、切換備用勵(lì)磁不當(dāng)、勵(lì)磁系統(tǒng)失去廠用電源、轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路開路或轉(zhuǎn)子繞組嚴(yán)重短路、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生故障、轉(zhuǎn)子滑環(huán)著火或燒斷。
1、勵(lì)磁變故障跳閘引起發(fā)電機(jī)失磁
由于該發(fā)電機(jī)存在絕緣制造缺陷，或運(yùn)行中絕緣缺陷逐步惡化，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，導(dǎo)致勵(lì)磁變保護(hù)動(dòng)作跳閘，失磁保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘。應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，開展定期試驗(yàn)、落實(shí)情況、排查問題。對照相關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真開展絕緣專業(yè)定期試驗(yàn)落實(shí)情況。
2、滅磁開關(guān)跳閘引起發(fā)電機(jī)失磁
滅磁開關(guān)跳閘原因包括：
（1）DCS上誤發(fā)滅磁開關(guān)跳閘指令
（2）出口繼電器故障發(fā)出滅磁開關(guān)跳閘指令；
（3）集控室電氣立盤滅磁開關(guān)跳閘按鈕接點(diǎn)吸合發(fā)出跳閘指令；
（4）勵(lì)磁小間就地控制盤手動(dòng)分開滅磁開關(guān)；
（5）滅磁開關(guān)控制回路電纜絕緣下降；
（6）開關(guān)本體機(jī)械跳開滅磁開關(guān)；
（7）直流系統(tǒng)瞬時(shí)接地導(dǎo)致滅磁開關(guān)跳閘。
3、勵(lì)磁滑環(huán)打火引起發(fā)電機(jī)失磁
事故原因?yàn)樘妓夯蓧毫Σ痪斐刹糠痔妓㈦娏鞣植疾痪?，致使個(gè)別碳刷電流過大，引起發(fā)熱。另外碳刷存在臟污現(xiàn)象，污染了碳刷和滑環(huán)接觸面，造成部分碳刷和滑環(huán)接觸電阻增大繼而出現(xiàn)打火，另外正、負(fù)極碳刷磨損程度不均衡，負(fù)極磨損一直比正極嚴(yán)重，因磨損嚴(yán)重造成滑環(huán)表面不平度加大，因未及時(shí)得到控制造成滑環(huán)環(huán)火。
4、直流系統(tǒng)接地引起發(fā)電機(jī)失磁
直流系統(tǒng)發(fā)生正極接地后，由于長電纜存在分布電容，而電容兩端電壓不能突變，引起發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)外部跳閘回路長電纜電容電流流經(jīng)其外部跳閘出口中間繼電器，繼電器動(dòng)作跳開發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)，造成發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。
5、勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障引起發(fā)電機(jī)失磁
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器 EGC 板故障，造成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致失磁保護(hù)動(dòng)作跳閘。
6、整流柜全停引起發(fā)電機(jī)失磁
在啟動(dòng)電泵過程中，引起系統(tǒng)電壓降低，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出輔助電源故障報(bào)警，由于切換回路繼電器輔助觸電電阻過大，導(dǎo)致電源切換失敗，整流柜風(fēng)機(jī)無法正常運(yùn)行，導(dǎo)致整流柜超溫跳閘，失磁保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組停運(yùn)。整流柜交流側(cè)電源開關(guān)觸頭的鍍銀層薄或質(zhì)量低劣，運(yùn)行中銅與空氣接觸產(chǎn)生氧化層，造成觸頭接觸電阻增大，隨著電流增大，溫度升高導(dǎo)致觸頭過熱，處理過程中導(dǎo)致失磁保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)組跳閘。
三、發(fā)電機(jī)失磁的危害
1、對發(fā)電機(jī)本身的危害
（1）由于發(fā)電機(jī)失磁后，轉(zhuǎn)子與定子出現(xiàn)了轉(zhuǎn)差，在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)出轉(zhuǎn)差頻率的電流，該電流在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生損耗，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱增大，轉(zhuǎn)差越大電流越大，嚴(yán)重時(shí)可使轉(zhuǎn)子燒損；特別是直接冷卻高利用率的大型機(jī)組，熱容量裕度相對降低，轉(zhuǎn)子容量過熱。
（2）失磁后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的等效電抗降低，從系統(tǒng)吸收的無功功率增大。失磁前的有功越大，轉(zhuǎn)差越大，等效電抗就越小，吸收的無功也越大，因此在大負(fù)荷下失磁，由于定子繞組過電流將使定子過熱。
（3）異步運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)距有所變化，因此有功功率要發(fā)生嚴(yán)重的周期性變化，使發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、基座受到異常的機(jī)械沖擊力振動(dòng)，使機(jī)組的安全受到威脅，柴油發(fā)電機(jī)由于同步電抗較大，平均異步功率較大，調(diào)速系統(tǒng)也比較靈敏，所以振動(dòng)不是十分嚴(yán)重。
（4）失磁運(yùn)行，定子端部漏磁通增大，使端部的部件和邊段的鐵芯過熱。
（5）大型發(fā)電機(jī)失磁易引起發(fā)電機(jī)振蕩，失磁前的有功功率越大，失磁后吸收的無功也越大，發(fā)電機(jī)端電壓下降越大，發(fā)電機(jī)輸出功率降低，功角特性由1轉(zhuǎn)向2，從a點(diǎn)向b點(diǎn)運(yùn)行，因?yàn)檫^剩力矩的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子加速使功角δ增大，從b點(diǎn)向c點(diǎn)運(yùn)行，由于轉(zhuǎn)子慣性，使之越過c點(diǎn)，使功角δ大于90°，達(dá)到d點(diǎn)，到d點(diǎn)后由于異步力矩的作用及慣性的消失，向c點(diǎn)運(yùn)行到達(dá)c點(diǎn)，由于慣性又向b點(diǎn)，這樣來回?cái)[動(dòng)，轉(zhuǎn)速時(shí)高時(shí)低，這就形成了發(fā)電機(jī)的振蕩。
2、對電力系統(tǒng)有危害
（1）發(fā)電機(jī)失磁后，從系統(tǒng)吸收相當(dāng)容量的無功功率，引起系統(tǒng)電壓下降，如果電力系統(tǒng)無功儲(chǔ)備容量不足，將使鄰近失磁的發(fā)電機(jī)組部分系統(tǒng)電壓低于允許值，威脅負(fù)載和各電源間的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰而瓦解。
（2）發(fā)電機(jī)失磁后，引起系統(tǒng)電壓下降，將使鄰近的發(fā)電機(jī)增大無功較多，甚至強(qiáng)磁動(dòng)作，因而引起發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、線路引起過電流、保護(hù)動(dòng)作、導(dǎo)致大面積停電，擴(kuò)大故障范圍。
四、發(fā)電機(jī)失磁和剩磁應(yīng)對措施
1、充磁方法
（1）斷開自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）同勵(lì)磁機(jī)定子繞組的連接；
（2）將一個(gè)電壓為24V的直流電源(如蓄電池)與勵(lì)磁機(jī)定子繞組連接（注意兩者的正負(fù)極要相互對應(yīng)）；
（3）啟動(dòng)機(jī)組將轉(zhuǎn)速調(diào)至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行一段時(shí)間即可。
2、現(xiàn)場消磁方法
（1）直流消磁方法
直流消磁方法通過單相通入正、反向直流電流，反復(fù)若干次后完成消磁，也是最常用的消磁技術(shù)。具體操作方法為采用一個(gè)大小可調(diào)的直流電源在發(fā)電機(jī)高壓繞組B-0或A-C相通入直流電流I0(例如5 A)，電流穩(wěn)定后斷開電源，再反向通入降低5%～10%的直流電流11(4.5 A)，依次類推，直至施加至0.5mA后結(jié)束。典型接線如圖5所示。采用直流消磁方法對前述所建發(fā)電機(jī)進(jìn)行消磁，消磁后進(jìn)行空載合閘。
由圖可知，消磁后所得勵(lì)磁電流幅值僅為2 A，這與發(fā)電機(jī)空載電流大小相符合，且最大和最小幅值對稱說明剩磁極小，發(fā)電機(jī)此時(shí)可成功合閘。
（2）交流消磁方法
交流消磁方法與低電壓空載試驗(yàn)類似，通過在被試發(fā)電機(jī)低壓側(cè)ab、bc、ca之間同時(shí)施加可調(diào)的交流電壓，并使高壓側(cè)中性點(diǎn)接地以保證消磁過程中的對稱性，接線方法如圖8所示。
具體操作為采用調(diào)壓器將電壓升至額定電壓的30%，保持5min后，將電壓緩慢平穩(wěn)將至0，重復(fù)此步驟3—5次即可達(dá)到消磁目的。與直流消磁方法相比，此方法所需的設(shè)備較多，試驗(yàn)布置更復(fù)雜一些。
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圖5 發(fā)電機(jī)直流消磁方法接線 |
圖6 發(fā)電機(jī)直流消磁方法接線 |
總結(jié)：
發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)是發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的一種，當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然消失或部分消失至完全失去時(shí)，勵(lì)磁電流逐漸衰減至零。 當(dāng)δ超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步，此時(shí)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作于發(fā)電機(jī)出口斷路器，使發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，防止發(fā)電機(jī)損壞和保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象是導(dǎo)致剩磁存在的主要原因，磁通密度滯后于磁感應(yīng)強(qiáng)度的特性，導(dǎo)致分閘時(shí)剩磁的形成。由空載合閘模型推導(dǎo)得到合閘角為0°且t=T/2時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通最大，勵(lì)磁涌流也最大。如果和剩磁方向相同，則勵(lì)磁涌流會(huì)進(jìn)一步增大，使保護(hù)動(dòng)作，危害設(shè)備本身。因此有必要對大容量發(fā)電機(jī)進(jìn)行消磁處理。鐵芯消磁以換向衰減為基本原理，現(xiàn)場多使用便攜式的直流消磁裝置進(jìn)行消磁。
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