2005 第十届全国保护和控制学术研讨会 240 发电机失磁与失步情况分析 刘 峻1，马朝辉1，何世恩2，李 诚1 （1.甘肃电力科学研究院，兰州 730050；2.甘肃电力调度通信中心，兰州 730050）
摘要：通过对一起典型的大型汽轮发电机组失磁、失步事故数据分析，阐述了大容量发电机组失磁和失步的动作过程和其行为对电网、发电机组自身的影响，说明大型汽轮机组迅速实现失磁后短时稳态异步运行与再同步，避免引发机组、系统失步的必要性和重要性，从而达到减轻危害电力系统安全稳定运行水平的目的。 关键词：失磁；稳态异步运行；失步；发电机组安全
0 概述 发电机失磁造成的主要威胁表现在对电网和发电机自身两方面。对于电网，首先，失磁的发电机将从电网吸收大量无功功率，引起附近电网系统电压下降，若系统无功储备不足，则还会破坏负荷与各电源间的稳定运行，临近的发电机被迫增加无功输送，有可能导致发电机、主变、线路过流，使故障范围扩大；其次，失磁的发电机有功功率摆动，以及电网电压下降，可能导致发电机与电网失步，引起发电机解列导致大范围甩负荷。对于发电机组，首先，失磁的发电机转子出现差频电流，转子容易出现过热，其表层与槽楔、护环等接触面更易发生局部热损伤，定子绕组和铁芯端部也易出现过热，其次，对于高效率的大型汽轮发电机，平均异步允许转矩较小，惯性常数也相对较低，在重负荷下失磁，将有很大甚至超过额定值的电磁转矩周期性作用于发电机轴系上，而转差也周期性变化，导致机座周期性振动，发电机周期性超速，严重威胁机组安全。 对于300MW及以上容量单元接线的汽轮发电机组而言，失步后振荡中心常位于发电机－主变之间，导致厂用电压周期性下降，厂用机械不能稳定运行，危害汽轮机、锅炉等主设备安全，而重负荷下的失步振荡电流与三相短路电流可比拟，呈周期性反复出现，振荡扭转力矩也周期性作用于轴系，使发电机承受力和热的损害，形成疲劳积累，严重威胁机组寿命。失步对于系统的危害，取决于系统备用容量的大小，备用充足时发电机失步不会对系统造成严重危害，只要尽快隔离失步机组即可，而系统远端引发的振荡，发电机一般能够承受15～20个振荡周期。绝大部分失步是发电机失磁后引起的。 因此，对于大型汽轮发电机组而言，发电机因某种原因失磁后，如何掌握控制机组失磁进程，有效利用短时稳态异步运行，恢复再同步，避免机组或系统失步，消除失磁和失步过程功率或电流振荡对发电机、汽轮机、锅炉及其辅机系统的安全威胁，显著降低事故影响范围和迅速恢复正常电网运行是一项具有典型现实意义的工作。按照部颁规程要求，100MW以上汽轮发电机组必须具有短时稳态异步运行能力，300MW及以上机组同时装设专门的失磁保护和失步保护。下面结合一起典型失磁、失步事故予以讨论。
1 设备概况及故障现象 刘峻等 发电机失磁与失步情况分析 241 LCH电厂选用ABB公司的UN 5000微机型自并励励磁系统，转子额定电压365V，额定电流2575A，发变组选用许继的WFB－800型微机保护，发电机额定电压20kV，额定电流10191A。 LCH电厂的300MW发电机系哈尔滨电机厂制造的水－氢－氢内冷式间接冷却发电机，遵照说明，该型发电机事故失磁情况下若60s内快减出力至60%，再90s内降负荷至40%，之后允许短时稳态异步运行15min。实际上，分阶段快减出力需要热工DEH调节以及汽轮机、锅炉系统的协调配合，对协调控制系统快速响应水平和设备运行质量要求较高，锅炉、汽轮机及其所属辅机必须实现有序配合且无异常。此次事故下因仍在调试该功能没有投入。 LCH电厂系统接线为220kV双母带旁母方式，事故中双母并列运行，当日220kV母线运行电压高限241kV，低限230kV。 WFB－800型的失磁保护原理采用静稳边界阻抗圆加静稳极限边界励磁电压为主判据，定励磁低电压、机端电压低和系统电压低为辅判据，共分为四个时段，Ⅳ段t4，此时静稳边界阻抗圆加静稳极限边界励磁电压动作，经延时(1.5s)发信号或减出力；III段t3，此时系统电压低（<85V）和定励磁低电压(<100V) 满足，经固定延时0.2s出口全停；II段t2，此时静稳边界阻抗圆加静稳极限边界励磁电压经延时(100s) 出口程序跳闸；I段t1，静稳边界阻抗圆动作，同时机端电压低(<75V)，则经固定延时0.2s切换厂用电。失步保护采用三阻抗元件，即透镜特性阻抗元件Z1、阻挡器直线阻抗元件Z2、电抗线阻抗元件Z3等共同组成判据，均以机端视在阻抗Zj为依据判别是否滑极和滑极次数（k＝3），并确定是否区内失步，是则延时t＝1.0s，程序跳闸，否则（发电机－主变压器接线区外）延时1.0s发信号。此外，失磁保护与失步保护都受启动电流闭锁，只有定子电流超过一定值后（0.2~0.4Ie）才开放跳闸正电源，以避免并网阶段和系统短路的暂态过程引发误动。 2004年11月29日，LCH电厂＃3机组以300MW出力并网运行，在无任何征兆下，于09时04分26秒，＃3机组突然全停甩负荷。 停机后，检查保护和励磁装置报文、系统故障录波和热工ECS信息，综合分析得出，09时04分20秒FMK（灭磁开关）外部原因跳闸（报文：FCB External off），04分22秒569ms，发变组保护A柜、B柜低励失磁保护Ⅳ段动作，发信号，04分22秒702ms，发变组保护A柜、B柜低励失磁保护I段动作，切换厂用，04分26秒608ms，发变组保护A柜、B柜对称过负荷保护预告信号动作，发信号，04分26秒619ms，汽轮机电超速保护动作引起发变组保护A柜、B柜热工保护动作，全停II出口，＃3机组与电网解列甩负荷，04分26秒629ms，发变组保护A柜、B柜失步保护区内动作，程序跳闸出口，至此，＃3机组停机。 此次事故，FMK不明原因跳闸后，导致300MW汽轮机组在满负荷下完全失去励磁，构成发电机完全失磁故障，进而导致机组机端失步。这里，我们不再分析导致FMK跳闸的原因，而是就本篇主旨―机组失磁与失步动作行为与影响进行分析。
2 事故过程分析 2.1 转子电压、电流 发变组保护报文、故障录波和热工ECS事件记录见图1.和图2.。发电机在刚失去励磁（即t＝0时），转子仍处于同步运行状态，此时，虽然发电机转子电压下降到零并为负，转子励磁回路有较大的电感，转子电流没有即刻减小到零，而是呈现按指数规律衰减，由故障前2340A左右至故障后约320ms衰减到2005 第十届全国保护和控制学术研讨会 242936A，其后就基本不再减小，这可能与灭磁电阻的投入，转子呈短路状态有关。 转差的出现，将在转子绕组、转子齿部、槽契、铁轭等部件中分别感应出转差频率的交流电流，这种单相交流电流，就是发电机失去直流励磁后的交流励磁电流，该电流又建立了以同样频率相对于转子脉动的磁场，此时，定子同步旋转磁场和转子各回路电流所对应的脉动磁场相互作用形成异步电磁转矩。其各分量的总和即为总的异步电磁转矩，在失步阶段，异步转矩是随转差的增加而增大的。理论上，当原动机机械转矩与异步电磁转矩平衡，则发电机进入稳态异步运行区间，但是LCH#3发电机没有进入稳态异步运行，在故障2500ms后出现了脉动转子电压和单幅脉动转子电流，随着失步现象出现（定子电压出现振荡），脉动转子电压和电流也呈现有规律摆动，幅值此时达到最大，电压440V左右，电流近3000A左右。同时，由于汽轮机调门没有及时动作，热工DEH没有及时根据电磁功率调整机械功率，致使发电机没有进入稳态异步运行，转差进一步扩大而失步。
（图中灭磁开关辅助触点变位滞后FMK实际跳闸约80ms， 励磁变低压侧U为50Hz交流量，实际录波信息为经变送器二次输出的直流量） 图1 300MW发电机开始失磁时刻故障录波 2.2 定子电压、功率、电流和系统电压
随着转子电流衰减，定子绕组感应电势Et要对应衰减，但是并网运行的完全失磁发电机仅在失磁初始的暂态时间段内按指数衰减，随后由于转差电势的补偿作用，Et下降不规律且很缓慢，录波图也说明了这一点，定子电压在失步前3500ms才基本由额定衰减到10kV左右。根据发电机的功角特性，发电机电磁功率Pe随着Et下降而下降，而Et下降的慢则Pe也下降的慢，在失步前Pe仍然保持最低大于200MW的出力，尽管如此，电磁功率的下降在转子上引发了转矩的不平衡，原动机出现了剩余转矩驱使转子加速，因此功角δ不断变大，在δ≤90º以前，功角特性下移，sinδ的增大弥补了Et的下降，维持了Pe与Pm间的暂态平衡；δ>90º发电机进入临界失步，由于Et持续下降，功角特性持续下移，原动机机械功率持续大于电磁功率，转子在剩余转矩作用下持续加速，而最终超过同步转速运行，出现转差电势；当δ趋近于180º时，sinδ则趋近于零值，转差电势已不能补偿Et的衰减，转子进入滑极失步区域。从失磁到临界失步的时间（ts）由励磁回路时间常数T´d与失磁前有功大小决定，T´d越大与并网前有功刘峻等 发电机失磁与失步情况分析 243 越小则发电机经历的ts越长。发电机空载运行即使完全失磁也不会失步。照此可推算，该机组失磁3500ms左右，δ接近90º，约5200ms开始滑极失步， 6136ms时区内失步保护动作。
图2 300MW汽轮发电机滑极失步至全停时刻故障录波 发电机失磁后，由于需要建立工作磁通（磁化电流）和漏磁通，致使无功功率增大，而且只能从网上吸收，此时的无功受转差s影响，最大时吸收的无功值大于平均有功的2倍，所以系统需要有充足的无功储备。根据事故数据记录,失步时刻无功绝对值达到645MVar，该厂同一母线运行两台100MW机组据记录送出无功各100MVar，远大于额定无功。定子电流在同步运行时由Xd决定，失磁时由X´d决定，随着Et不断减小，转差s增大，X´d远小于Xd，导致定子电流明显持续增大，在额定有功下，定子电流必将超过最大允许值，故障之初，定子电流二次值为8.52A（额定为3.41A），随后对称过负荷保护预告信号（Iy＝3.8A，t＝5s）发，但由于热工ETS环节原因，电气减负荷的目的没有达到，在失步保护动作时刻定子电流升为13.58A，超过额定电流的3.9 倍，220kV母线压降显著增大，终于在6.5s时刻，母线电压由最初的237kV下降到190kV（依然略大于失磁保护系统低电压动作一次值187kV）。 2.3 发电机构件变化和其它设备所受影响 由于事发突然，不能取得发电机转子各部件和定子各相关部件受差频电流和扭转力矩影响的直接数据，但间接从最高转子感应电流达到近3000A（一次值）左右，定子电流达到13.58A（二次值）左右，以及区内失步达到滑极7次等数据表明发电机各相关部件均受到较大冲击。热工温度记录表明在失磁、失步过程受监视的发电机各点温度均未见明显超标，普遍低于100℃,说明作为F/F级绝缘间接冷却的发电机运行异步运行的能力较强，但由于定子端部、齿部，转子槽楔、护环、轭部等区域并未或未全部监测，因此不能完全定性。 汽轮机由于未能及时调整抽汽逆止门开度，在完全失磁下，由于转差s作用，吸收无功达到最大645MVar时，汽轮机转速达到3300rpm，电超速保护动作，汽轮机打闸联动电气热工保护动作出口机组全停，实际上从报文上看，失步区内保护动作晚于热工保护10ms出口。根据汽轮机保护定义，发电机转差必须小于3%，才不会导致超速保护启动（s≥3%）。另外，汽轮机、锅炉系统若干辅机在厂用母线电压下降低于0.9Un时跳闸。