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發電機剩磁消失的起因和危害 |
摘要：發電機失磁運行是一種常見的故障形式，發電機運行時發生失磁會對發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、威脅發電機的自身安全。所謂失磁即使發電機的轉子失去勵磁電流。發電機失磁后，引起發電機失步，將在轉子的阻尼繞組、轉子表面、轉子繞組中產生差頻電流，引起附加溫升，可能引起轉子局部高溫，產生嚴重過熱現象，危及轉子安全，其次，同步發電機異步運動，在定子繞組中將出現脈動電流，產生交變的機械力矩，使機組發生振動，影響發電機的安全。同時，定子電流增大，可能使定子繞組溫度升高。
一、發電機失磁的定義
發電機失磁是指發電機剩磁消失。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。發電機剩磁指的是停機后定轉子鐵心保留的剩磁。
1、失磁過程
以隱極發電機為例介紹發電機失磁過程。設發電機與無窮大系統相連，則機端電壓在失磁過程保持恒定不變。設發電機電勢為Eq，定子電流為I，功率因數角為φ，發電機功角為δ。
發電機正常滯相運行，定子電流滯后于機端電壓，發電機發出有功功率和無功功率。失磁后，發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，發電機進入進相運行狀態，發電機發出有功功率，吸收無功功率。若勵磁電流進一步衰減，發電機功角越過90°，則發電機失去同步運行狀態，此時，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，發電機會進入穩定異步運行狀態。
發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，動作方程為：
90°≤Arg｛（z+jXB）/（Z-jXA）｝≤270°
對于阻抗判據，可以選擇與無功反向判據結合：
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圖1 發電機失磁過程 |
圖2 發電機機端正序測量阻抗失磁后的變化軌跡 |
2、何為發電機剩磁
對于自勵式發電機，靠剩磁發電，發出的電再向轉子繞組供電，加強轉子磁場，通過正反饋使發電機輸出電壓逐漸升高，最后達到額定電壓。如果沒有剩磁，發電機就沒法發電了。
3、阻抗平面失磁過程和失磁判據
發電機數據通常采用不飽和值。以660KW斯坦福交流發電機為例，根據發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值為2.29 和32.4 ；若發電機和系統的聯系阻抗為3.8 ，則靜穩極限阻抗圓的上下端點為3.8Ω和32.4Ω。繪制發電機失磁后機端阻抗的運動軌跡，如圖3所示。
通過比對失磁數據的時間標簽，可以得到機端阻抗軌跡在失磁后3.03s進入靜穩極限阻抗圓，在失磁后4.2s進入異步阻抗圓，在失磁后約10s，阻抗軌跡進入基準阻抗圓。因發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。若綜合考慮保護動作的延時，即靜穩極限阻抗圓會有1～1.5s的延時，異步邊界阻抗圓會有0.5s的延時，則靜穩圓和異步圓都會在失磁后4.5～5s之間動作于跳閘，兩者實際動作時間基本差不多。
4、P-Q坐標平面判據
基于P-Q坐標平面的失磁保護判據，是由發電機運行特性曲線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作條件。其中0.85倍額定電壓下的靜穩圓動作于報警，0.95倍額定電壓下的靜穩圓經延時動作于跳閘。失磁保護需要綜合考慮發電機的特性曲線如圖4所示。
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圖3 阻抗平面失磁過程和失磁判據 |
圖4 交流發電機特性曲線圖 |
二、發電機失去勵磁的原因
一般可歸納為勵磁回路開路或短路，包括勵磁機、勵磁變或勵磁回路的故障、誤碰勵磁開關、切換備用勵磁不當、勵磁系統失去廠用電源、轉子繞組或勵磁回路開路或轉子繞組嚴重短路、半導體勵磁系統發生故障、轉子滑環著火或燒斷。
1、勵磁變故障跳閘引起發電機失磁
由于該發電機存在絕緣制造缺陷，或運行中絕緣缺陷逐步惡化，產生放電現象，導致勵磁變保護動作跳閘，失磁保護動作導致機組跳閘。應嚴格執行規程、標準，開展定期試驗、落實情況、排查問題。對照相關規程、標準，認真開展絕緣專業定期試驗落實情況。
2、滅磁開關跳閘引起發電機失磁
滅磁開關跳閘原因包括：
（1）DCS上誤發滅磁開關跳閘指令
（2）出口繼電器故障發出滅磁開關跳閘指令；
（3）集控室電氣立盤滅磁開關跳閘按鈕接點吸合發出跳閘指令；
（4）勵磁小間就地控制盤手動分開滅磁開關；
（5）滅磁開關控制回路電纜絕緣下降；
（6）開關本體機械跳開滅磁開關；
（7）直流系統瞬時接地導致滅磁開關跳閘。
3、勵磁滑環打火引起發電機失磁
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，致使個別碳刷電流過大，引起發熱。另外碳刷存在臟污現象，污染了碳刷和滑環接觸面，造成部分碳刷和滑環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表面不平度加大，因未及時得到控制造成滑環環火。
4、直流系統接地引起發電機失磁
直流系統發生正極接地后，由于長電纜存在分布電容，而電容兩端電壓不能突變，引起發電機滅磁開關外部跳閘回路長電纜電容電流流經其外部跳閘出口中間繼電器，繼電器動作跳開發電機滅磁開關，造成發電機失磁保護動作跳機。
5、勵磁調節系統故障引起發電機失磁
發電機勵磁系統調節器 EGC 板故障，造成發電機勵磁調節器轉子過電壓保護動作，導致失磁保護動作跳閘。
6、整流柜全停引起發電機失磁
在啟動電泵過程中，引起系統電壓降低，勵磁系統發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大，導致電源切換失敗，整流柜風機無法正常運行，導致整流柜超溫跳閘，失磁保護動作，機組停運。整流柜交流側電源開關觸頭的鍍銀層薄或質量低劣，運行中銅與空氣接觸產生氧化層，造成觸頭接觸電阻增大，隨著電流增大，溫度升高導致觸頭過熱，處理過程中導致失磁保護動作，發電機組跳閘。
三、發電機失磁的危害
1、對發電機本身的危害
（1）由于發電機失磁后，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，該電流在轉子中產生損耗，使轉子發熱增大，轉差越大電流越大，嚴重時可使轉子燒損；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，轉子容量過熱。
（2）失磁后，發電機轉入異步運行，發電機的等效電抗降低，從系統吸收的無功功率增大。失磁前的有功越大，轉差越大，等效電抗就越小，吸收的無功也越大，因此在大負荷下失磁，由于定子繞組過電流將使定子過熱。
（3）異步運行中，發電機的轉距有所變化，因此有功功率要發生嚴重的周期性變化，使發電機定子、轉子、基座受到異常的機械沖擊力振動，使機組的安全受到威脅，柴油發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熱。
（5）大型發電機失磁易引起發電機振蕩，失磁前的有功功率越大，失磁后吸收的無功也越大，發電機端電壓下降越大，發電機輸出功率降低，功角特性由1轉向2，從a點向b點運行，因為過剩力矩的出現，轉子加速使功角δ增大，從b點向c點運行，由于轉子慣性，使之越過c點，使功角δ大于90°，達到d點，到d點后由于異步力矩的作用及慣性的消失，向c點運行到達c點，由于慣性又向b點，這樣來回擺動，轉速時高時低，這就形成了發電機的振蕩。
2、對電力系統有危害
（1）發電機失磁后，從系統吸收相當容量的無功功率，引起系統電壓下降，如果電力系統無功儲備容量不足，將使鄰近失磁的發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）發電機失磁后，引起系統電壓下降，將使鄰近的發電機增大無功較多，甚至強磁動作，因而引起發電機、發電機、線路引起過電流、保護動作、導致大面積停電，擴大故障范圍。
四、發電機失磁和剩磁應對措施
1、充磁方法
（1）斷開自動電壓調節器（AVR）同勵磁機定子繞組的連接；
（2）將一個電壓為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）啟動機組將轉速調至額定轉速運行一段時間即可。
2、現場消磁方法
（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，反復若干次后完成消磁，也是最常用的消磁技術。具體操作方法為采用一個大小可調的直流電源在發電機高壓繞組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后結束。典型接線如圖5所示。采用直流消磁方法對前述所建發電機進行消磁，消磁后進行空載合閘。
由圖可知，消磁后所得勵磁電流幅值僅為2 A，這與發電機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，發電機此時可成功合閘。
（2）交流消磁方法
交流消磁方法與低電壓空載試驗類似，通過在被試發電機低壓側ab、bc、ca之間同時施加可調的交流電壓，并使高壓側中性點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 發電機直流消磁方法接線 |
圖6 發電機直流消磁方法接線 |
總結：
發電機失磁保護是發電機繼電保護的一種，當發電機的勵磁突然消失或部分消失至完全失去時，勵磁電流逐漸衰減至零。 當δ超過靜態穩定極限角時，發電機與系統失去同步，此時發電機保護裝置動作于發電機出口斷路器，使發電機脫離電網，防止發電機損壞和保護電網穩定運行。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，則勵磁涌流會進一步增大，使保護動作，危害設備本身。因此有必要對大容量發電機進行消磁處理。鐵芯消磁以換向衰減為基本原理，現場多使用便攜式的直流消磁裝置進行消磁。
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