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使用說(shuō)明書(shū) |
發(fā)電機剩磁消失的起因和危害 |
摘要：發(fā)電機失磁運行是一種常見(jiàn)的故障形式，發(fā)電機運行時(shí)發(fā)生失磁會(huì )對發(fā)電機本身和電力系統造成影響，從而導致破壞電力系統的穩定運行、威脅發(fā)電機的自身安全。所謂失磁即使發(fā)電機的轉子失去勵磁電流。發(fā)電機失磁后，引起發(fā)電機失步，將在轉子的阻尼繞組、轉子表面、轉子繞組中產(chǎn)生差頻電流，引起附加溫升，可能引起轉子局部高溫，產(chǎn)生嚴重過(guò)熱現象，危及轉子安全，其次，同步發(fā)電機異步運動(dòng)，在定子繞組中將出現脈動(dòng)電流，產(chǎn)生交變的機械力矩，使機組發(fā)生振動(dòng)，影響發(fā)電機的安全。同時(shí)，定子電流增大，可能使定子繞組溫度升高。
一、發(fā)電機失磁的定義
發(fā)電機失磁是指發(fā)電機剩磁消失。剩磁指的是鐵磁材料磁化過(guò)程中外加磁場(chǎng)消失后鐵磁材料還保留的磁場(chǎng)。發(fā)電機剩磁指的是停機后定轉子鐵心保留的剩磁。
1、失磁過(guò)程
以隱極發(fā)電機為例介紹發(fā)電機失磁過(guò)程。設發(fā)電機與無(wú)窮大系統相連，則機端電壓在失磁過(guò)程保持恒定不變。設發(fā)電機電勢為Eq，定子電流為I，功率因數角為φ，發(fā)電機功角為δ。
發(fā)電機正常滯相運行，定子電流滯后于機端電壓，發(fā)電機發(fā)出有功功率和無(wú)功功率。失磁后，發(fā)電機勵磁電流逐漸減小，Eq隨之減小，定子電流超前于機端電壓，發(fā)電機進(jìn)入進(jìn)相運行狀態(tài)，發(fā)電機發(fā)出有功功率，吸收無(wú)功功率。若勵磁電流進(jìn)一步衰減，發(fā)電機功角越過(guò)90°，則發(fā)電機失去同步運行狀態(tài)，此時(shí)，定子電流超前于機端電壓45°左右，為維持有功負荷不變，定子電流比正常運行增加很多。之后，發(fā)電機會(huì )進(jìn)入穩定異步運行狀態(tài)。
發(fā)電機定子側阻抗判據有兩種阻抗圓，異步阻抗圓或靜穩邊界圓，動(dòng)作方程為：
90°≤Arg｛（z+jXB）/（Z-jXA）｝≤270°
對于阻抗判據，可以選擇與無(wú)功反向判據結合：
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圖1 發(fā)電機失磁過(guò)程 |
圖2 發(fā)電機機端正序測量阻抗失磁后的變化軌跡 |
2、何為發(fā)電機剩磁
對于自勵式發(fā)電機，靠剩磁發(fā)電，發(fā)出的電再向轉子繞組供電，加強轉子磁場(chǎng)，通過(guò)正反饋使發(fā)電機輸出電壓逐漸升高，最后達到額定電壓。如果沒(méi)有剩磁，發(fā)電機就沒(méi)法發(fā)電了。
3、阻抗平面失磁過(guò)程和失磁判據
發(fā)電機數據通常采用不飽和值。以660KW斯坦福交流發(fā)電機為例，根據發(fā)電機額定容量和額定電壓可得到1p.u.=0.545 。若阻抗判據采用二次值，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)電機和系統的聯(lián)系阻抗為3.8 ，則靜穩極限阻抗圓的上下端點(diǎn)為3.8Ω和32.4Ω。繪制發(fā)電機失磁后機端阻抗的運動(dòng)軌跡，如圖3所示。
通過(guò)比對失磁數據的時(shí)間標簽，可以得到機端阻抗軌跡在失磁后3.03s進(jìn)入靜穩極限阻抗圓，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)入基準阻抗圓。因發(fā)電機失磁前有功功率239MW，約為額定功率的36%，阻抗軌跡在約1s后離開(kāi)基準阻抗圓，之后在異步圓和基準阻抗圓之間振蕩。若綜合考慮保護動(dòng)作的延時(shí)，即靜穩極限阻抗圓會(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坐標平面判據
基于P-Q坐標平面的失磁保護判據，是由發(fā)電機運行特性曲線(xiàn)和靜穩極限阻抗圓映射到P-Q坐標平面的靜穩極限圓共同構成的。
綜上所述，可設兩段保護，分別取0.85倍和0.95倍的額定電壓下P-Q坐標平面的靜穩圓作為動(dòng)作條件。其中0.85倍額定電壓下的靜穩圓動(dòng)作于報警，0.95倍額定電壓下的靜穩圓經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于跳閘。失磁保護需要綜合考慮發(fā)電機的特性曲線(xiàn)如圖4所示。
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圖3 阻抗平面失磁過(guò)程和失磁判據 |
圖4 交流發(fā)電機特性曲線(xiàn)圖 |
二、發(fā)電機失去勵磁的原因
一般可歸納為勵磁回路開(kāi)路或短路，包括勵磁機、勵磁變或勵磁回路的故障、誤碰勵磁開(kāi)關(guān)、切換備用勵磁不當、勵磁系統失去廠(chǎng)用電源、轉子繞組或勵磁回路開(kāi)路或轉子繞組嚴重短路、半導體勵磁系統發(fā)生故障、轉子滑環(huán)著(zhù)火或燒斷。
1、勵磁變故障跳閘引起發(fā)電機失磁
由于該發(fā)電機存在絕緣制造缺陷，或運行中絕緣缺陷逐步惡化，產(chǎn)生放電現象，導致勵磁變保護動(dòng)作跳閘，失磁保護動(dòng)作導致機組跳閘。應嚴格執行規程、標準，開(kāi)展定期試驗、落實(shí)情況、排查問(wèn)題。對照相關(guān)規程、標準，認真開(kāi)展絕緣專(zhuān)業(yè)定期試驗落實(shí)情況。
2、滅磁開(kāi)關(guān)跳閘引起發(fā)電機失磁
滅磁開(kāi)關(guān)跳閘原因包括：
（1）DCS上誤發(fā)滅磁開(kāi)關(guān)跳閘指令
（2）出口繼電器故障發(fā)出滅磁開(kāi)關(guān)跳閘指令；
（3）集控室電氣立盤(pán)滅磁開(kāi)關(guān)跳閘按鈕接點(diǎn)吸合發(fā)出跳閘指令；
（4）勵磁小間就地控制盤(pán)手動(dòng)分開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)；
（5）滅磁開(kāi)關(guān)控制回路電纜絕緣下降；
（6）開(kāi)關(guān)本體機械跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)；
（7）直流系統瞬時(shí)接地導致滅磁開(kāi)關(guān)跳閘。
3、勵磁滑環(huán)打火引起發(fā)電機失磁
事故原因為碳刷壓簧壓力不均，造成部分碳刷電流分布不均，致使個(gè)別碳刷電流過(guò)大，引起發(fā)熱。另外碳刷存在臟污現象，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打火，另外正、負極碳刷磨損程度不均衡，負極磨損一直比正極嚴重，因磨損嚴重造成滑環(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、直流系統接地引起發(fā)電機失磁
直流系統發(fā)生正極接地后，由于長(cháng)電纜存在分布電容，而電容兩端電壓不能突變，引起發(fā)電機滅磁開(kāi)關(guān)外部跳閘回路長(cháng)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(kāi)發(fā)電機滅磁開(kāi)關(guān)，造成發(fā)電機失磁保護動(dòng)作跳機。
5、勵磁調節系統故障引起發(fā)電機失磁
發(fā)電機勵磁系統調節器 EGC 板故障，造成發(fā)電機勵磁調節器轉子過(guò)電壓保護動(dòng)作，導致失磁保護動(dòng)作跳閘。
6、整流柜全停引起發(fā)電機失磁
在啟動(dòng)電泵過(guò)程中，引起系統電壓降低，勵磁系統發(fā)出輔助電源故障報警，由于切換回路繼電器輔助觸電電阻過(guò)大，導致電源切換失敗，整流柜風(fēng)機無(wú)法正常運行，導致整流柜超溫跳閘，失磁保護動(dòng)作，機組停運。整流柜交流側電源開(kāi)關(guān)觸頭的鍍銀層薄或質(zhì)量低劣，運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(zhù)電流增大，溫度升高導致觸頭過(guò)熱，處理過(guò)程中導致失磁保護動(dòng)作，發(fā)電機組跳閘。
三、發(fā)電機失磁的危害
1、對發(fā)電機本身的危害
（1）由于發(fā)電機失磁后，轉子與定子出現了轉差，在轉子表面感應出轉差頻率的電流，該電流在轉子中產(chǎn)生損耗，使轉子發(fā)熱增大，轉差越大電流越大，嚴重時(shí)可使轉子燒損；特別是直接冷卻高利用率的大型機組，熱容量裕度相對降低，轉子容量過(guò)熱。
（2）失磁后，發(fā)電機轉入異步運行，發(fā)電機的等效電抗降低，從系統吸收的無(wú)功功率增大。失磁前的有功越大，轉差越大，等效電抗就越小，吸收的無(wú)功也越大，因此在大負荷下失磁，由于定子繞組過(guò)電流將使定子過(guò)熱。
（3）異步運行中，發(fā)電機的轉距有所變化，因此有功功率要發(fā)生嚴重的周期性變化，使發(fā)電機定子、轉子、基座受到異常的機械沖擊力振動(dòng)，使機組的安全受到威脅，柴油發(fā)電機由于同步電抗較大，平均異步功率較大，調速系統也比較靈敏，所以振動(dòng)不是十分嚴重。
（4）失磁運行，定子端部漏磁通增大，使端部的部件和邊段的鐵芯過(guò)熱。
（5）大型發(fā)電機失磁易引起發(fā)電機振蕩，失磁前的有功功率越大，失磁后吸收的無(wú)功也越大，發(fā)電機端電壓下降越大，發(fā)電機輸出功率降低，功角特性由1轉向2，從a點(diǎn)向b點(diǎn)運行，因為過(guò)剩力矩的出現，轉子加速使功角δ增大，從b點(diǎn)向c點(diǎn)運行，由于轉子慣性，使之越過(guò)c點(diǎn)，使功角δ大于90°，達到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)運行到達c點(diǎn)，由于慣性又向b點(diǎn)，這樣來(lái)回擺動(dòng)，轉速時(shí)高時(shí)低，這就形成了發(fā)電機的振蕩。
2、對電力系統有危害
（1）發(fā)電機失磁后，從系統吸收相當容量的無(wú)功功率，引起系統電壓下降，如果電力系統無(wú)功儲備容量不足，將使鄰近失磁的發(fā)電機組部分系統電壓低于允許值，威脅負載和各電源間的穩定運行，甚至導致系統電壓崩潰而瓦解。
（2）發(fā)電機失磁后，引起系統電壓下降，將使鄰近的發(fā)電機增大無(wú)功較多，甚至強磁動(dòng)作，因而引起發(fā)電機、發(fā)電機、線(xiàn)路引起過(guò)電流、保護動(dòng)作、導致大面積停電，擴大故障范圍。
四、發(fā)電機失磁和剩磁應對措施
1、充磁方法
（1）斷開(kāi)自動(dòng)電壓調節器（AVR）同勵磁機定子繞組的連接；
（2）將一個(gè)電壓為24V的直流電源(如蓄電池)與勵磁機定子繞組連接（注意兩者的正負極要相互對應）；
（3）啟動(dòng)機組將轉速調至額定轉速運行一段時(shí)間即可。
2、現場(chǎng)消磁方法
（1）直流消磁方法
直流消磁方法通過(guò)單相通入正、反向直流電流，反復若干次后完成消磁，也是最常用的消磁技術(shù)。具體操作方法為采用一個(gè)大小可調的直流電源在發(fā)電機高壓繞組B-0或A-C相通入直流電流I0(例如5 A)，電流穩定后斷開(kāi)電源，再反向通入降低5%～10%的直流電流11(4.5 A)，依次類(lèi)推，直至施加至0.5mA后結束。典型接線(xiàn)如圖5所示。采用直流消磁方法對前述所建發(fā)電機進(jìn)行消磁，消磁后進(jìn)行空載合閘。
由圖可知，消磁后所得勵磁電流幅值僅為2 A，這與發(fā)電機空載電流大小相符合，且最大和最小幅值對稱(chēng)說(shuō)明剩磁極小，發(fā)電機此時(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類(lèi)似，通過(guò)在被試發(fā)電機低壓側ab、bc、ca之間同時(shí)施加可調的交流電壓，并使高壓側中性點(diǎn)接地以保證消磁過(guò)程中的對稱(chēng)性，接線(xiàn)方法如圖8所示。
具體操作為采用調壓器將電壓升至額定電壓的30%，保持5min后，將電壓緩慢平穩將至0，重復此步驟3—5次即可達到消磁目的。與直流消磁方法相比，此方法所需的設備較多，試驗布置更復雜一些。
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圖5 發(fā)電機直流消磁方法接線(xiàn) |
圖6 發(fā)電機直流消磁方法接線(xiàn) |
總結：
發(fā)電機失磁保護是發(fā)電機繼電保護的一種，當發(fā)電機的勵磁突然消失或部分消失至完全失去時(shí)，勵磁電流逐漸衰減至零。 當δ超過(guò)靜態(tài)穩定極限角時(shí)，發(fā)電機與系統失去同步，此時(shí)發(fā)電機保護裝置動(dòng)作于發(fā)電機出口斷路器，使發(fā)電機脫離電網(wǎng)，防止發(fā)電機損壞和保護電網(wǎng)穩定運行。綜上所述，鐵磁材料的磁滯現象是導致剩磁存在的主要原因，磁通密度滯后于磁感應強度的特性，導致分閘時(shí)剩磁的形成。由空載合閘模型推導得到合閘角為0°且t=T/2時(shí)磁感應強度和磁通最大，勵磁涌流也最大。如果和剩磁方向相同，則勵磁涌流會(huì )進(jìn)一步增大，使保護動(dòng)作，危害設備本身。因此有必要對大容量發(fā)電機進(jìn)行消磁處理。鐵芯消磁以換向衰減為基本原理，現場(chǎng)多使用便攜式的直流消磁裝置進(jìn)行消磁。
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