發電機失磁故障的判斷及處理

劉斌　張俊超

【摘 要】發電機失磁對發電機和電力系統有很大的影響，使發電機失步進入異步運行狀態，系統電壓降低甚至崩潰。失磁保護判據能迅速判斷故障，正確動作，保證機組和系統安全穩定運行。

【關鍵詞】失磁；異步；判據

引言：隨著單臺機組容量越來越大，一臺機組出現電氣故障如果不能快速處理，保護不能正確動作，很可能拖垮局域電網。勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，對發電機和整個電力系統的安全穩定運行有著重要的影響。統計表明，60%以上的發電機故障為勵磁系統故障，失磁是其中非常嚴重的一種電氣故障。

失磁分為部分失磁和全部失磁兩種情況，絕大多數情況下屬于部分失磁，人為原因和設備原因都可能導致機組部分失磁。發電機組在正常運行情況下，即發有功功率，也發無功功率。由于有功電流磁場的交軸電樞反應，定子電流對轉子磁場有很大的削弱，轉子電流產生的磁場有很大一部分被抵消。當發電機勵磁系統出現某些故障時，勵磁電流快速下降，與失磁保護配套的低勵限制動作，如果動作成功，勵磁電流電壓被限制在低勵狀態，發電機部分失磁，從系統吸收少量無功，發電機失步，進入異步發電機狀態。如果低勵限制不動作或者動作不成功，勵磁電流直接降低到零或者接近于零，發電機將完全失磁，從系統吸收大量無功，進入深度異步運行狀態。發電機異步運行時，定子電流升高，轉子出現轉速差，轉子表面感應出差頻電流，引起轉子的額外發熱，異步運行越深，轉差越大，發熱越明顯。異步運行同時引起機組振動增大，發電機各部漏磁增加，溫度升高。發電機失磁，從系統吸收大量的無功功率，對電力系統有很大的影響。由于無功功率是分層分區就地平衡，一臺機組失磁，首先附近并網運行的機組無功輸出增加，電流增大，可能導致定轉子的過負荷；如果局部電網無功儲備不足，將直接導致電壓下降，甚至局域電壓崩潰。由此可見，失磁故障對發電機和整個電力系統有著巨大的破壞性。

失磁保護作為發電機主保護，必須在第一時間判斷失磁故障正確，做出正確的動作方式，才能確保機組和電力系統的安全穩定運行。目前失磁保護的配置方案很多，不下于幾十種，都是基于常見的失磁判據進行邏輯組合和閉鎖方式選擇，根據機組特性和電網特點進行定值整定，調試出最適合自己的一套保護參數。

失磁保護的主要判據有：

（1）逆無功判據。發電機失磁最直觀的表現之一就是無功進相。通過設定無功反向定值可以正確的判斷出失磁故障，無功反向定值一般為額定無功功率的10%。

（2）轉子低電壓判據。目前的微機保護多采用變勵磁電壓（通常定值為空載勵磁電壓的K倍，K為小于1的常數），即發電機帶一定的有功功率情況下，根據靜穩定極限所需的最低勵磁電壓來判斷是否已失磁。正常運行情況下（包括進相運行），勵磁電壓不會低于空載勵磁電壓，所以判據很靈敏，但是整定不當也容易誤動。

（3）測量阻抗的定子判據。反映發電機機端的感受阻抗，當感受阻抗落入阻抗圓內時，保護動作。失磁保護的阻抗圓常見有兩種，靜穩邊界圓和異步圓。發電機低勵、失磁后總是先通過靜穩邊界，然后進入異步運行，因此靜穩邊界圓比異步圓靈敏。如果DEH具有快速減負荷能力，一般采用靜穩邊界圓，如果機組把異步運行作為正常運行方式，失磁直接動作于跳閘，一般選擇異步圓，阻抗判據受機端PT斷線閉鎖。

（4）機端低電壓判據。當失磁導致機端電壓低（定值一般為70%額定電壓），對廠用電構成威脅時，保護動作于短延時報警，長延時切換廠用電，保證廠用設備安全運行。

（5）系統低電壓判據。反映系統三相同時低電壓（定值一般為85%額定電壓）。本判據主要用來防止由發電機失磁故障引發系統無功儲備不足，導致系統電壓崩潰。這種判據在系統容量小，電廠與系統聯絡薄弱，無功不足的情況下能可靠動作。

逆無功判據和轉子低電壓判據為基礎判據，為其他判據成立的閉鎖條件，通過以上各種判據的邏輯組合，基本能滿足各種情況的失磁故障需要。

根據失磁后發電機及電力系統的運行情況，失磁保護有特定的動作方式應對失磁故障。首先，失磁動作于減負荷（有功定值一般為40%），通過降低發電機的有功出力，減少交軸電樞反應對轉子磁場的削弱，配合低勵限制，部分失磁后進入異步運行的機組會重新拉入同步，完全失磁的機組也會降低異步運行深度，有利于機組的安全運行。減出力后如果失磁基礎判據依然成立，但是定子阻抗判據及機端低電壓和系統低電壓判據不成立，值班人員應該手動切換調整勵磁，進行失磁故障處理，發電機失磁運行時間一般不超過15-30min，如果故障仍然消除不了，解列停機處理；定子阻抗判據及機端低電壓和系統低電壓判據成立，保護動作，按照事故跳閘處理原則處理。

在機組的實際運行中，失磁情況有很多，處理方法也不盡相同，下面簡單列舉幾個實際失磁故障，供大家參考研究。

2014年某330MW機組無功功率由134Mvar突降至-73Mvar，有功功率由316MW降至306MW，定子電壓由21.51KV降至19.32KV，勵磁電壓由286V降至-4.4V，勵磁電流由1410A降至972A，低勵限制動作。這是典型的部分失磁故障，由于當時減負荷壓板未投入，沒有突降有功負荷，值班人員手動迅速增磁，快速增加無功功率，恢復正常。此后這臺機組又先后出現過兩次類似的事故。經過多次故障分析，最后確認故障為勵磁調節器A套（主）板件出現問題導致，更換后再未出現類似事故。

2016年某330MW機組無功功率由148Mvar突降至-56Mvar，有功功率308MW基本不變，定子電壓由21.89KV降至19.78KV，勵磁電壓由297V降至162V，勵磁電流由1430A降至1060A，低勵限制動作。由于當時減負荷壓板未投入，沒有突降有功負荷，值班人員退出AVC自動，手動增磁無效，勵磁調節器就地增磁成功，無功恢復正常。故障分析查找最后確認為熱工DCS減磁繼電器粘連導致減磁指令一直發出，更換后正常。

2016年某150MW機組脫硝環保改造后啟動并網，有功功率50MW，無功功率31 Mvar，準備做超速試驗。無功功率由31Mvar突降至-113Mvar，有功功率50MW基本不變，定子電壓由13.73KV降至12.07KV，勵磁電壓由118V升至350V，勵磁電流由962A降至-2A，欠勵信號發出，運行值班人員切換調整無效。9分鐘后，無功功率突增至239Mvar，勵磁電流顯示到達上限3000A，發電機出口電壓升至16.08KV，轉子一點接地、過激勵信號發出，滑環著火，停機3天處理好。此次事故為人為原因，電氣試驗人員誤將勵磁碳刷全部拆除導致完全失磁，在較高勵磁電壓下恢復碳刷，導致電弧灼傷滑環接地著火。

以上幾個事故都是失磁的相關故障，故障象征有共同點，但是也有很多的不同，尤其故障原因和故障處理過程更是差別很大，由此可以看出失磁故障的復雜性和多樣性。作為一線的運行值班人員，我們不能只是套搬規程和事故案例，要依據失磁的原理，結合實際故障象征，根據運行參數變化，這樣才能正確判斷處理好失磁故障。

【參考文獻】

[1]彭豐.發電機失磁保護的動作分析和整定計算的研究.2000，7.

[2]王維儉.電氣主設備繼電保護與應用.1996.

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