發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的問題分析

1、發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的問題分析發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁回路因種種故障或事故，造成全失磁或部分失磁時(shí)有發(fā)生。 此時(shí)如何處置，是立即跳主開關(guān)甩負(fù)荷停機(jī)？還是讓電機(jī)異步運(yùn)行，尋找失磁原 因恢復(fù)勵(lì)磁再同步，這是電力工作者的分歧。多年來世界電力工作者均作了許多 實(shí)踐研究，其結(jié)果表明發(fā)電機(jī)失磁轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行后，迅速將有功功率減到0.40.5 倍額定有功功率（以定子電流不超過額定值為準(zhǔn)）就可在甚低的轉(zhuǎn)差率下穩(wěn)態(tài) 異步運(yùn)行。目前世界上一些國家都已采用。1982 年中國在福州舉行的第三次全國電機(jī)專業(yè)會(huì)議，將發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行”列為研究課題之一，此后，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國部分電力試驗(yàn)研究院與電廠，在tqq-100-2 型、

2、q fs-125-2 型、sqf-100-2 型與 qfss-200-2 型發(fā)電機(jī)上，共作了 10 多臺(tái)次的試驗(yàn)研究工作，取得了一定的成果。但終因同行在理論、觀點(diǎn)和應(yīng)用上 尚未取得共識(shí)，使這種有助于電力生產(chǎn)發(fā)展的運(yùn)行技術(shù)，未獲得應(yīng)用。本文針對(duì)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的有關(guān)問題， 列出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，理論計(jì)算與實(shí)踐 相結(jié)合，說明、分析、消除疑慮，讓發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行盡快應(yīng)用。1 應(yīng)用發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的必要性目前中國電力系統(tǒng) 100 mw 及以上的發(fā)電機(jī)，已成為主力機(jī)組，擔(dān)負(fù)著基荷和調(diào) 峰負(fù)荷。一些發(fā)電部門，由于對(duì)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的機(jī)理、特性了解不夠，當(dāng) 發(fā)電機(jī)失磁后，往往采取立即甩負(fù)荷以致停機(jī)的措施

3、， 發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)有的也 是如此整定的，這不是好的辦法。因?yàn)橥蝗凰ω?fù)荷停機(jī)，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定 運(yùn)行，既降低了供電的可靠性，又增加了開停機(jī)次數(shù)會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命，更增加了起動(dòng)電機(jī)消耗的能源。同時(shí)，還會(huì)因突然甩負(fù)荷而引起一些惡性事故，造成重大的損失，這在電力系統(tǒng)中是有先例的。此外，勵(lì)磁系統(tǒng)的事故統(tǒng)計(jì)表明，在 100 mw 及以上的火電機(jī)組 182 臺(tái)中，交流 勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) 153 臺(tái)，直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) 29 臺(tái)。就汽輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的事故 統(tǒng)計(jì)列于表 1。在表 1 勵(lì)磁系統(tǒng)的事故統(tǒng)計(jì)中，僅短短 4 年每年就有 45.5 臺(tái)事故，因此大型汽 輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中突然失磁，若處理不當(dāng)是造成發(fā)電機(jī)或

4、電力系統(tǒng)事故（或故障）的主要原因之一。若將運(yùn)行中失磁的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，然后速將有功功率降 低，使定子電流不超過額定值，尋找失磁原因?qū)崿F(xiàn)再同步，即可避免由失磁可能 造成的事故（或故障）。所以應(yīng)用發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行是很有必要的。2 發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行需考慮的問題2.1 系統(tǒng)的無功容量?jī)?chǔ)備要足夠經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的實(shí)測(cè)表明，失磁異步運(yùn)行時(shí)需從系統(tǒng)吸收的感 性無功功率約為 172.38 倍異步輸出的平均有功功率，以磁化轉(zhuǎn)子形成異步轉(zhuǎn) 矩與輸入轉(zhuǎn)柜相平衡，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出有功功率。因此，發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的要求是無功儲(chǔ)備要足夠，否則會(huì)使系統(tǒng)電壓巨降甚至失去穩(wěn)定性。 但是，隨著電

5、力系統(tǒng)容量增大，高電壓、大電網(wǎng)，無功儲(chǔ)備通常均可滿足單臺(tái)機(jī) 組失磁異步運(yùn)行的無功需求。 其次對(duì)電機(jī)本身要求定子端部金屬結(jié)構(gòu)件不能超過 其溫度限值。2.2 定子端部金屬結(jié)構(gòu)件溫度增高發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中定子端部金屬結(jié)構(gòu)件溫度的高低，除與應(yīng)用的金屬材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、 屏蔽方式有關(guān)外，還與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式及工況密切相關(guān)。 發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行 是進(jìn)相運(yùn)行的極限情況，因此其端部金屬結(jié)構(gòu)件的溫度， 會(huì)比遲相、進(jìn)相運(yùn)行的都要高，但不得超過中國有關(guān)發(fā)電機(jī)定子端部鐵芯和金屬結(jié)構(gòu)件表2 溫度規(guī)定的限值。實(shí)測(cè)表明，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中定子端部鐵芯溫度較高的部位，通常是在14 段鐵芯齒，而沿電機(jī)端部周向定子各槽齒部的溫度分布，則與定子

6、繞組的結(jié)構(gòu)（線圈節(jié)距）有關(guān)。因?yàn)?，電機(jī)端部合成磁勢(shì)的基波在周向各點(diǎn)的幅值相同，但其高次 諧波在各點(diǎn)的大小則不一樣。若僅考慮幅值較大的 5 次和 7 次諧波，在基波幅值 位置，即由 co t=異相相帶搭接位置）時(shí)，總磁勢(shì)的幅值為： 式中 fl基波磁勢(shì)幅值；kw1、kw5、kw7基波、5 次諧波與 7 次諧波系數(shù)；B 相帶中央為起始點(diǎn)的圓周角。處，即相帶中央為最大（溫度最高）。據(jù)此，在作發(fā)電機(jī)進(jìn)相、失磁異步運(yùn)行試驗(yàn) 或電機(jī)制造廠需在定子端金屬結(jié)構(gòu)件上埋設(shè)測(cè)溫元件，以監(jiān)測(cè)溫度時(shí)，要由該電機(jī)繞組節(jié)矩yV0.83 或0.83）的值來確定埋設(shè)測(cè)溫元件的位置，方能測(cè)得最高 溫度，正確指導(dǎo)電機(jī)運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)

7、發(fā)電機(jī)作進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)， 溫度的實(shí)測(cè)結(jié) 果也證實(shí)了這點(diǎn)。2.3 發(fā)電機(jī)定子電流不能超過額定值 發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)定子電流是由同步電抗 xd 確定的，異步運(yùn)行時(shí)在小轉(zhuǎn)差范圍 內(nèi)，當(dāng) s（轉(zhuǎn)差率）增大時(shí)，xd（s）減?。ɑ旧嫌蓵簯B(tài)電抗 xd 確定），故會(huì)引起定子 電流急劇增加。此時(shí)若發(fā)電機(jī)仍輸出額定有功功率異步運(yùn)行，定子電流必超過額定值。因此，若發(fā)電機(jī)在額定有功功率下失磁異步運(yùn)行時(shí)，要迅速將有功功率減小到（0.40.5）倍額定有功功率，以定子電流不超過額定值為限，讓其穩(wěn)定異步 運(yùn)行。此外，考慮到廠用電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，廠用電壓不得低于0.9 倍額定電壓。3 發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行基本問題分析發(fā)電機(jī)失磁

8、異步運(yùn)行尚未廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)，有諸多原因，究其主要的有下列幾種，現(xiàn)作下列分析。3.1 轉(zhuǎn)差率的大小 據(jù) 50 年代的電雜志上記載，某電力公司的代表認(rèn)為，汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行 要輸出額定有功功率，其轉(zhuǎn)差率要達(dá)到 3%5%，這在轉(zhuǎn)子中要產(chǎn)生較大的損耗。 但經(jīng)近年對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的試驗(yàn)研究表明，并非如此，其實(shí)測(cè)結(jié)果列于表 3。探 1、2、3 分別為轉(zhuǎn)子繞組徑自同期電阻、硅整流元件和備用勵(lì)磁機(jī)電樞短路失 磁。4 為經(jīng)滅磁電阻短路失磁。輸出有功功率和吸收的無功功率，均為波動(dòng)范圍的平均值。表 2 試驗(yàn)結(jié)果表明，汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)差率的大小除與輸出有功 功率的多少有關(guān)外，還與轉(zhuǎn)子繞組

9、的接線方式有關(guān)，在輸出相同的有功功率之下， 外接電阻越小，sar 值就越小，外接電阻越大，sar 值也越大。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組開路失 磁異步運(yùn)行時(shí)的 sar 值為最大，直接短路失磁異步運(yùn)行時(shí)之值為最小。表3 中轉(zhuǎn)子繞組在不同接線方式下失磁運(yùn)行時(shí)，其 sar 的變化范圍為 0.083%1.235%（轉(zhuǎn) 子繞組開路），遠(yuǎn)小于 3%5%。3.2 滑頻電流在轉(zhuǎn)子本體中的滲透深度 在 80 年代還有一些電力工作者和書中，對(duì)于發(fā)電機(jī)在失磁異步運(yùn)行與不對(duì)稱運(yùn) 行下，轉(zhuǎn)子本體中感生電流的滲透深度與分布規(guī)律還不清楚，兩者混淆不清，也是使失磁異步運(yùn)行技術(shù)未能廣泛應(yīng)用的原因之一。例如，有的書中寫道：在異步狀態(tài)下，汽輪發(fā)電機(jī)

10、整塊鋼轉(zhuǎn)子中，流過轉(zhuǎn)差頻率的電流，由于顯著的集膚效應(yīng)， 此電流在轉(zhuǎn)子鋼塊的薄層上分布不均勻，只在薄的表面層中流過。”但事實(shí)上由于在異步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子中感生滑頻電流的頻率極低，就以上列轉(zhuǎn)差率sar 的范圍計(jì)算也僅有 0.041 50.61 7 5hz（僅在轉(zhuǎn)子繞組開路狀態(tài)才能出現(xiàn)）。因此滑頻 電流（近似于直流）無集膚效應(yīng)，在轉(zhuǎn)子中的滲透是很深的，可謂遍布轉(zhuǎn)子本體。 如tqn-100-2 型發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中渦流分布的一例，示于圖1。圖 1 表明，汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子本體渦流遍布各部，且分布不均勻， 軛部最多，大齒（磁極）齒部次之，線槽齒部最少。完全不是像書中所言，在轉(zhuǎn)子鋼塊的

11、薄層上分布不均勻 ”更不是 只在薄的表面層中流過”而發(fā)電機(jī)在不 對(duì)稱狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子部件感生的主要為倍頻（100 hz）渦流，因轉(zhuǎn)子本體強(qiáng)阻尼作用和電流集膚效應(yīng)的結(jié)果，其滲透深度約為 20 mm,分布規(guī)律是端部護(hù)環(huán)嵌面（阻尼環(huán)）最大，約為定子負(fù)序電流 i2 的 7 倍；大齒面上的次之， 約為 i2 的 5.5 倍；緊靠大齒嵌線槽槽楔中的為第三，約為 i2 的 5.5 倍。因此，兩 者是截然不同的，危害也不一樣，后者最大，絕對(duì)不可混淆。3.3 附加損耗在轉(zhuǎn)子本體中的分布上已述，由于汽輪發(fā)電機(jī)在失磁異步運(yùn)行下，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的滑頻電流是遍布轉(zhuǎn)子本體各部的，因此轉(zhuǎn)子中的附加總損耗 sarp

12、ar）,也是與滑頻電流的分布相 對(duì)應(yīng)的?，F(xiàn)將 tr-b00 型發(fā)電機(jī) pa 匸 140 mw 異步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子損耗的計(jì)算值列于表 4。表 4 表明：汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中的損耗分布與繞組的接線方式有 關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組開路時(shí)，轉(zhuǎn)差率最大，損耗也最大，分擔(dān)最多的為軛部，占總損耗邙的 55.75%,齒部第二，占的 41.81%，槽楔的最少，占 邙的 2.44%。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)滅磁電阻短路時(shí)，轉(zhuǎn)差率比開路時(shí)的小，損耗也小，分擔(dān)最多的在 齒部，占總損耗邙r的49.63%,軛部第二， 占o(jì)r的38.78%， 繞組中最少， 僅 占邙 的1.75% ;當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組直接短路時(shí)，轉(zhuǎn)差率最小，損耗也最少，分擔(dān)最多

13、 的也是齒部，占總損耗A）r 的 41.54%,繞組中居第二，占o(jì)r 的 33.75%，槽楔 中最少，僅占 1.35%。因此，汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，無論轉(zhuǎn)子繞組的接線 方式如何，承受損耗最多的部位均在轉(zhuǎn)子軛部或齒部，繞組中最多的僅占總損耗的三分之一，三分之二的總損耗均由轉(zhuǎn)子軛部、齒部和槽楔分擔(dān)了。這與正常運(yùn)行時(shí)繞組中施加直流，產(chǎn)生勵(lì)磁銅損耗（i2err）并集中于轉(zhuǎn)子繞組中，使其發(fā)熱是 完全不一樣的。因此，認(rèn)為汽輪發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)，其總損耗or 不能超過額定勵(lì)磁損耗邙 ne 是不全面的，由它來作失磁異步運(yùn)行的判據(jù)更是不妥的。因?yàn)榘l(fā) 電機(jī)在異步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組分擔(dān)的損耗少，絕不會(huì)引起過熱，現(xiàn)行的汽輪發(fā) 電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，對(duì)間接冷卻的轉(zhuǎn)子，其總損耗 or 不應(yīng)大于額定勵(lì)磁損耗）ne；對(duì)直接冷卻的轉(zhuǎn)子，其 A）r 不應(yīng)大于 1/3pne 的規(guī)定是不符合實(shí)際的，應(yīng) 修訂。4 結(jié)論_1） 發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行科研工作，已進(jìn)行了許多年，取得了豐碩的成果。但一直 未能應(yīng)用于電力生產(chǎn)，究其主要原因是受誤導(dǎo)而又不及時(shí)更正的結(jié)果。2） 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中失磁是常見故障，失磁時(shí)不斷主開關(guān)，讓電機(jī)異步運(yùn)行，此時(shí)迅速將輸出功率降至 0.40.5 pn,以定子電流不超過額定 值為限繼續(xù)運(yùn)行，找出失磁原因再