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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(duì)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(chǎng)消失后鐵磁材料還保留的磁場(chǎng)。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(shì)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(duì)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(cè)量阻抗失磁后的變化軌跡 |
2、何為發(fā)電機(jī)剩磁
對(duì)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(chǎng)，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(duì)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(duì)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?，造成部分碳刷電流分布不均，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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)多使用便攜式的直流消磁裝置進(jìn)行消磁。
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