同步发电机失磁异步运行及其产生的影响
摘要：同步发电机的失磁是各种电气故障中发生最多的一种。

发电机励磁电流的变化，是影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率分配的主要因素。

因此，良好的励磁系统在保证电能质量、无功功率的合理分配及提高电力系统运行的可靠性方面，都起着十分重要的作用。

当发电机失磁异步运行时，对发电机本身和电网有很大的影响。

本文从发电机失磁异步运行的产生原因现象、物理过程及对电网的影响几个角度进行探讨。

关键字：同步发电机；失磁；励磁系统；电网；异步运行
1 引言
目前我国大多数电网中300MW及以上的大型汽轮发电机组，已成为主力机组，担负电网基本负荷和调峰负荷调节。

据统计，在各类电气故障中，由失磁引起的停机故障约占20%。

当发电机失磁后，如果采取立即解列以至停机的措施，并不是较好的办法。

突然切机，甩负荷，对电力系统的稳定和发电机组使用寿命不利。

若发电机组所处的电网，有一定的备用无功功率，在经过计算后确认，发电机失磁异步运行不会危及系统的稳定，也不会影响发电机的安全运行，则发电机失磁后，不必立即切机而可带一定有功功率在一定时间(一般为15—30nin)内异步运行，让机组人员可以在此时间内查找失磁故障原因, 恢复励磁实现在同步，恢复发电机正常运行，这对于提高电力系统稳定性和稳定运行有重要意义。

虽说失磁异步运行的存在有一定的必要性，但是当失磁发电机异步运行时超过其稳定运行的临界条件时，将破坏电力系统的稳定运行、威胁发电机自身安全。

2 失磁的原因
汽轮发电机失磁异步运行，是指发电机因某种原因失去励磁后，依然带一定有功功率以低转差并在电网中继续运行，这是一种非正常运行方式。

造成励磁系统使发电机失磁的主要原因是：自动灭磁开关缺陷掉闸；误碰误操作灭磁开关；直流回路两点接地灭磁开关掉闸；维护检修不良；失磁保护误动作；电动发电机组或整流励磁电源故障；副励磁机故障；自动励磁调节器故障等等。

其中以误操作、检修维护不良、失磁保护误动作和励磁调节器故障等造成失磁者居多。

大多数失磁故障是能够较快排除，因此提出了发电机，尤其是大型汽轮发电机能否短时间允许无励磁异步运行的问题，以便切换励磁电源，进行事故处理。

3 异步运行的基本原理
发电机失去励磁后电磁功率减小，在转子上出现转矩不平衡，促使发电机加速，转子被加速至超出同步转速运行，此时发电机转子和定子旋转磁场之间有了相对运动，于是在转子绕组、阻尼绕组以及转子的齿与槽楔中，将分别感应出转差频率的交流电流。

以下从两方面说明滑差交流电流的影响：
（1）该电流与定子旋转磁场相互作用产生异步力矩。

原动机输入的力矩在客服异步力矩的过程中做功，是机械能转化为电能。

因此发电机仍向电网送出有功功率。

当滑差由0到0.7%
2.0的小范围内波动时，异步力矩的大小是随转差
~
%
率s的增大而增大的，而原动机又因转速的升高使调速器动作，减小了原动机的输入力矩，加之发电机失磁后由自动装置或人为的减少输入功率。

如图1所示，在低滑差下，原动机的输入力矩与发电机的异步力矩相平衡时，发电机进入无励磁的稳定异步运行状态。

在这种状态下，发电机发出有功功率同时也从电网吸收无功功率，相当于异步发电机的运行状态。

此时，汽轮发电机失磁异步运行时输出的有功功率仍相当高，一般转子外冷的汽轮发电机，失磁异步运行时可能输出50%~60% 的额定功率，水内冷转子的汽轮发电机可输出40%~50% 的额定功率。

（2）将脉动磁场在空间分解为幅值为原来脉动磁场幅值一半，分别相对转子以差频正向和反向旋转的旋转磁场1F 和2F ，设定子旋转磁场的转速为0ω，转子转速为ω。

则可得转差率为0
0-ωωω=s ，即转子转速为0)1(ωωs += 则转子旋转磁场则相对于转子的转速为00ωωωs -=-
则相对转子以0ωs 正向旋转的磁场1F 相对定子旋转磁场的转速为
0002ωωωs s s =+
则相对转子以0ωs 正向旋转的磁场1F 相对定子的转速为
000)21()1(ωωωs s s +=++
因此，将在转子绕组中感应出频率为0)21(ωs +。

所产生的这一交流电流以定子绕组原有的工频电流相叠加，将使定子电流增大，并以二倍差频02sf 脉动,同时还将产生以二倍差频变化的交变力矩。

而另一个相对转子以0-ωs 旋转的反向磁场2F ，相对定子的转速应为000)1(ωωω=++-s s ，即为定子绕组中感应工频电流。

4 失磁异步运行和同步运行的主要区别
发电机失磁异步运行与同步运行，主要有以下三点不同：
（1）失磁异步运行时，因发电机的电磁转矩与原动机的转矩不平衡而产生剩余转矩，使机组转速增高超过同步转速，产生转差率s 。

而同步运行时，电磁转矩与原动机转矩是平衡的，不会产生转差率。

（2）失磁异步运行是进相运行的极端，发出有功功率而吸收无功功率。

而同步运行时，通常是发出有功和无功功率。

（3）同步运行时，转子回路中的励磁电流主要是直流分量，定子回路中的电
流主要是基频()f 分量。

而失磁稳态异步运行时，转子回路中无直流分量，但有由定子方面感应产生其频率为sf 的交流电流。

定子回路中除基频()f 分量外，尚有()f s -1及()f s 2-1分量电流。

5 失磁异步运行的影响
5.1 对电力系统的影响
发电机多数是并联在大容量电网中运行的，正常运行时，发电机向电网发出有功功率和无功功率。

若突然失磁，则对电力系统的影响主要表现在以下几方面：
发电机失磁之后，不仅不能向电网输出无功功率，反而还要从电网中吸收大量无功功率以建立磁场。

所需无功功率的大小，主要取决于发电机本身的参数（ad 21,X X X ，）以及实际运行时的转差率s 。

如图2所示，当转差率s 增加时()s s R -12减小，电流随之增大，则相应所需的无功功率也要增加。

假设失磁前发电机向系统送出无功功率1Q ，而失磁以后从系统吸收无功功率2Q ，则系统将出现21Q Q +的无功功率差额。

图2 异步发电机等效电路图
（1）如果系统的容量小或无功功率储备不足，使邻近发电机处电网无功缺乏，则导致发电机出口侧电网母线电压或其他邻近处的电压值低于其正常允许值。

从而破坏负荷与各电源间的稳定运行。

因此发电机能否允许失磁异步运行，要求电网有一定的无功功率储备。

根据国内对100MW 以上汽轮发电机试验所得到的初步结果是：
①系统无功功率储备()N R P Q 5.1~3.1=,例如发电机额定容量为100MW ，则
无功储备需要130~150Mvar左右。

②系统母线电压降不低于90%额定电压、厂用母线电压不低于80%额定电压时，发电机是可以异步运行的。

（2）由于其他并联运行发电机组要向失磁发电机提供无功功率，可能造成系统其他的发电机过电流。

失磁发电机的容量越大，这种过电流现象越严重。

如果某台发电机因过电流而保护动作跳闸，将会使系统无功功率缺额更大，造成系统电压进一步下降，严重时将会因电压崩溃而造成系统瓦解。

5.2 对发电机自身的影响
（1）定子电流
发电机失磁异步运行时，要从系统吸收大量的无功功率，定子电流增大。

但定子电流不应超过额定电流值，这样不会影响电机安全运行。

（2）定子端部铁心及结构件发热
汽轮发电机异步运行时，定子端部漏磁场引起的边端铁心和结构件的损耗相应增加。

失磁异步运行是进相运行的极端情况，端部发热情况要比额定工况下高许多。

所以，发电机端部温度可能是限制异步运行的条件之一。

（3）转子发热
汽轮发电机失磁异步运行时，平均转差率s一般很小，约1%左右。

在转子本体中感应产生sf频率的交变电流，沿着转子回路和励磁回路而产生附加损耗，引起转子局部高温发热，危机转子安全。

显然，当转差率越大时，所引起的发热越严重。

（4）机组的振动
发电机异步运行时，转子感应电流的磁场与定子旋转磁场的相互作用，产生恒定的异步转矩和交变的异步转矩。

其中交变的异步转矩将使发电机产生振动，同时这个振动也限制了发电机的异步运行。

（5）励磁绕组开路失磁时转子过电压
励磁绕组开路造成发电机失磁异步运行时，将会在励磁绕组中产生过电压。

由于转子本体及其部件的屏蔽作用，在转差率不大时，过电压值并不大，当转差率很大时，这个过电压可能会对转子绝缘构成威胁。

6 结语
发电机失磁异步运行已进行多年研究，取得了非常丰富的成果，但是还没有应用到电网中去。

失磁异步运行时发电机的特殊运行方式，在实际的运行过程中也是常见的故障。

在一定的时间范围内，汽轮发电机的失磁异步运行具有一定的必要性。

短时的异步运行对发电机的使用寿命和系统稳定性有一定的好处。

在系统无功储备充足时，异步运行的发电机可以向系统提供50%~60%的额定有功功率，短时间内可以保持系统和发电机之间稳定性。

这对电网的正常运行起到十分重要的意义。