發(fā)電機剩磁消失的原因和危害

發(fā)電機運行時發(fā)生失磁會對發(fā)電機本身和電力裝置造成危害，從而引起破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)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，導致附加溫升，可能引起轉子局部高溫，產(chǎn)生嚴重發(fā)燙狀況，危及轉子安全，其次，同步發(fā)電機異步運動，在定子繞組中將出現(xiàn)脈動電流，發(fā)生交變的機械力矩，使機組發(fā)生振動，危害發(fā)電機的安全。同時，定子電流增大，可能使定子繞組溫度升高。

發(fā)電機失磁故障走向圖

     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程序中外加磁場消失后鐵磁材料還保留的磁場。發(fā)電機剩磁指的是停機后定轉子鐵心保留的剩磁。

      以隱極發(fā)電機為例講解發(fā)電機失磁步驟。設發(fā)電機與無窮大裝置相連，則機端電壓在失磁步驟保持恒定不變。設發(fā)電機電勢為Eq，定子電流為I，容量因數(shù)角為φ，發(fā)電機功角為δ。

      發(fā)電機正常滯相運轉，定子電流滯后于機端電壓，發(fā)電機發(fā)出有功容量和無功功率。失磁后，發(fā)電機勵磁電流逐漸減輕，Eq隨之減小，定子電流超前于機端電壓，發(fā)電機進入進相運行狀態(tài)，發(fā)電機發(fā)出有功容量，吸收無功功率。若勵磁電流進一步衰減，發(fā)電機功角越過90°，則發(fā)電機失去同步運行狀態(tài)，此時，定子電流超前于機端電壓45°左右，為維持有功負載不變，定子電流比正常運轉增加很多。之后，發(fā)電機會進入穩(wěn)定異步運行狀態(tài)。

      發(fā)電機定子側阻抗判據(jù)有兩種阻抗圓，異步阻抗圓或靜穩(wěn)邊界圓，動作方程為：

      對于阻抗判據(jù)，可以選購與無功反向判據(jù)結合： Q－Qzd。 圖2為靜穩(wěn)阻抗繼電器和異步阻抗繼電器特點圖，圖中陰影區(qū)域為動作區(qū)，虛線為無功反向動作邊界。  

      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，通過正反饋使發(fā)電機輸出電壓逐漸升高，最后達到額定電壓。如果沒有剩磁，發(fā)電機就沒法發(fā)電了。

      發(fā)電機數(shù)據(jù)通常采用不飽和值。以660KW斯坦福交流發(fā)電機為例，根據(jù)發(fā)電機額定功率和額定電壓可得到1p.u.=0.545 。若阻抗判據(jù)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(fā)電機和系統(tǒng)的聯(lián)系阻抗為3.8 ，則靜穩(wěn)極限阻抗圓的上下端點為3.8Ω和32.4Ω。繪制發(fā)電機失磁后機端阻抗的運動軌跡，如圖3所示。

      通過比對失磁參數(shù)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(wěn)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(fā)電機失磁前有功功率239KW，約為額定容量的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(wěn)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(wěn)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。

      基于P-Q坐標平面的失磁保護判據(jù)，是由發(fā)電機運轉特征曲線和靜穩(wěn)極限阻抗圓映射到P-Q坐標平面的靜穩(wěn)極限圓共同構造的。

      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(wěn)圓作為動作條件。其中0.85倍額定電壓下的靜穩(wěn)圓動作于報警，0.95倍額定電壓下的靜穩(wěn)圓經(jīng)延時動作于跳閘。失磁保護需要綜合考慮發(fā)電機的特性曲線所示。

      通?？蓺w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事故、誤碰勵磁開關、轉換后備勵磁“非法”、勵磁裝置失去廠用電源、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(tǒng)發(fā)生故障、轉子滑環(huán)著火或燒斷。

      由于該發(fā)電機存在絕緣制造缺點，或運轉中絕緣短處逐步惡化，產(chǎn)生放電現(xiàn)狀，引起勵磁變保護動作跳閘，失磁保護動作引起機組跳閘。應嚴格執(zhí)行規(guī)程、標準，開展定時試驗、落實情況、清除問題。對照相關規(guī)程、標準，認真開展絕緣專業(yè)定時試驗落實狀況。

     事故緣由為電刷壓簧壓力不均，造成部分電刷電流分布不均，導致個別碳刷電流過度，致使發(fā)燙。另外碳刷存在臟污現(xiàn)象，污染了電刷和滑環(huán)接觸面，造成部分電刷和滑環(huán)接觸電阻增大繼而出現(xiàn)打火，另外正、負極電刷損傷程度不均衡，負極磨耗一直比正極嚴重，因損傷嚴重造成滑環(huán)表面不平度加大，因未及時得到控制造成滑環(huán)環(huán)火。

      直流系統(tǒng)產(chǎn)生正極接地后，因為長電纜存在分布電容，而電容兩端電壓無法突變，致使發(fā)電機滅磁開關外部跳閘回路長電纜電容電流流經(jīng)其外部跳閘出口中間繼電器，繼電器動作跳開發(fā)電機滅磁開關，造成發(fā)電機失磁保護動作跳機。

      發(fā)電機勵磁裝置調(diào)節(jié)器 EGC 板損壞，造成發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器轉子過電壓保護動作，致使失磁保護動作跳閘。

      在啟動電泵程序中，導致裝置電壓減少，勵磁裝置發(fā)出輔助電源事故報警，由于切換回路繼電器輔助觸電電阻過大，引起電源切換失敗，整流柜風機不能正常運轉，致使整流柜超溫跳閘，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(zhì)量低劣，運行中銅與空氣接觸發(fā)生氧化層，造成觸頭接觸電阻增大，隨著電流增大，溫度升高致使觸頭發(fā)熱，處理流程中致使失磁保護動作，發(fā)電機組跳閘。

（1）由于發(fā)電機失磁后，轉子與定子出現(xiàn)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)燙增大，轉差越電網(wǎng)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，熱容量裕度相對減少，轉子容量高溫。

（2）失磁后，發(fā)電機轉入異步運行，發(fā)電機的等效電抗減輕，從系統(tǒng)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，因此在大負載下失磁，因為定子繞組過電流將使定子高溫。

（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震動，使機組的安全受到威脅，柴油發(fā)電機因為同步電抗較大，平均異步功率較大，調(diào)速系統(tǒng)也比較靈敏，于是振動不是十分嚴重。

（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，失磁后吸收的無功也越大，發(fā)電機端電壓下降越大，發(fā)電機輸出容量降低，功角特點由1轉向2，從a點向b點運行，由于過剩力矩的產(chǎn)生，轉子加載使功角δ增大，從b點向c點運行，因為轉子慣性，使之越過c點，使功角δ大于90°，達到d點，到d點后因為異步力矩的功能及慣性的消失，向c點運行到達c點，由于慣性又向b點，這樣來回擺動，速度時高時低，這就形成了發(fā)電機的振蕩。

（1）發(fā)電機失磁后，從系統(tǒng)吸收相當功率的無功容量，導致裝置電壓下降，如果電力系統(tǒng)無功儲備功率不足，將使鄰近失磁的發(fā)電機組部分裝置電壓低于允許值，威脅負載和各電源間的穩(wěn)定運行，甚至引起系統(tǒng)電壓崩潰而瓦解。

（2）發(fā)電機失磁后，導致裝置電壓下降，將使鄰近的發(fā)電機增大無功較多，甚至強磁動作，因而致使發(fā)電機、發(fā)電機、線路致使過電流、保護動作、導致大面積停電，擴大損壞范圍。

（2）將一個電壓為24V的直流電源(如電瓶)與勵磁機定子繞組連接（注意兩者的正負極要相互對應）；

      直流消磁步驟通過單相通入正、反向直流電流，反復若干次后完成消磁，也是較常載的消磁技術。詳細使用方法為采用一個大小可調(diào)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(wěn)定后斷開電源，再反向通入減輕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。典型接線所示。采用直流消磁步驟對前述所建發(fā)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(fā)電機空載電流大小相符合，且較大和較小幅值對稱說明剩磁極小，發(fā)電機此時可成功合閘。

      交流消磁方法與低電壓空載試驗類似，通過在被試發(fā)電機低壓側ab、bc、ca之間同時施加可調(diào)的交流電壓，并使高壓側中性點接地以保證消磁步驟中的對稱性，接線所示。

      具體使用為采用調(diào)壓器將電壓升至額定電壓的30%，保持5min后，將電壓緩慢平穩(wěn)將至0，重復此方式3—5次即可達到消磁目的。與直流消磁程序相比，此方法所需的設備較多，試驗部署更復雜一些。

      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，勵磁電流逐漸衰減至零。 當δ超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時，發(fā)電機與裝置失去同步，此時發(fā)電機保護裝備動作于發(fā)電機出口斷路器，使發(fā)電機脫離大電，避免發(fā)電機事故和保護大電穩(wěn)定運行。綜上所述，鐵磁材料的磁滯情形是致使剩磁存在的主要因由，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較大，勵磁涌流也較大。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，損害裝置本身。因此有必要對大功率發(fā)電機進行消磁處理。鐵芯消磁以換向衰減為基本機理，現(xiàn)場多操作便攜式的直流消磁裝備進行消磁。