汽輪發電機失磁異步運行及其渦流損耗分析

佟宇嘉

摘 要：隨著我國經濟的快速向前發展，人們的生活質量得到了顯著的提高，相應的需求也在不斷的增加，電力需求就是其中之一。人們生活以及生產中都離不開電能，電的應用讓人們的生活變得更加豐富多彩，同時也能進一步的提高生產的效率以及質量，所以近年來，人們對于供電的質量也提出了更高的要求。但是電網在實際的運行過程中，其穩定性偶爾也會受到影響，而這就與許多因素有關，汽輪發電機的失磁故障在一定程度就會對電網的運行產生嚴重危害，因為發電機是電力系統中的重要組成部分，其性能對于用電的質量會產生一定的影響。因此，針對汽輪發電機失磁異步運行以及渦流損耗問題就值得人們進行深入的分析。

關鍵詞：汽輪發電機；失磁異步運行；渦流損耗

針對汽輪發電機失磁異步運行以及渦流損耗的問題是有必要進行深入分析的。因為這關系著汽輪發電機能夠發揮其關鍵的作用，同時對于供電的質量以及安全也具有重要的影響。只有加強汽輪發電機失磁異步運行以及渦流損耗的研究，才能找出問題所在，進而了解其運行的原理，為發電機的后續維護提供可參考性的意見或者建議，這具有重要的意義。因此，這就要求有關人員能夠重視汽輪發電機失磁異步運行以其渦流損耗的問題，在了解其原理的同時，還能利用先關軟件進行科學的分析，以采取有效的措施，提高其整體性能，降低失磁故障發生的幾率，從而保證發電機與電網的安全穩定運行，更好的滿足人們的用電需求。

1 汽輪發電機失磁故障分析

眾所周知，發電機在電力系統中扮演著至關重要的角色，能夠在電力系統中進行機電能量的轉化，從而進行發電，滿足人們的用電需求，所以，實際上發電機是電力系統的源泉所在。而如果發電機出現問題，那么無疑，其影響必然是巨大的，這就不利于電力系統的正常運行，甚至還會產生安全事故，這不是人們所愿意看到的。由此可見，發電機故障所帶來的影響是巨大的。而勵磁系統作為發電機中的重要部分，它也具有著一些功能，甚至對于發電機運行的特性還會具有比較直接的影響，而故障問題的發生在很大程度上也于此有關。就目前來看，近幾年，我國汽輪發電機的容量以及產量也在日益的增加，而且勵磁環節也是愈加的復雜，其發電機的失磁故障率也越來越高，這就在一定程度上對于發電機以及電網的運行造成了很大的危害，影響并聯運行發電機組間的正常運行。所以，本文就利用派克變換原理，基于Matlab/Simulink工具搭建了單機無窮大系統，對發電機失磁的動態特性進行仿真研究，再結合AnsoftMaxwell軟件研究失磁過程中轉子渦流損耗。

2 失磁異步運行的原理

失磁異步運行是值得人們進行深入探究的，而這與其運行的原理有很大的關系，這就要求有關人員能夠對其原理進行詳細的掌握和分析。實際上，在發電機失磁后，其電壓就會有所下降，電磁的功率也會有所減小，基于原來機械的慣性作用，在轉子上就會容易出現剩余的轉矩，從而使得發電機轉子進行加速的旋轉，甚至能夠逐漸的超過同步的轉速，繼而運行。所以，由于發電機定子與轉子之間存在相對的運動，也就會造成滑差的產生。

而在這個過程中，將會產生轉差頻率的交流的電流，而這些電流也會在很大程度上推動具有制動性質的異步轉矩的誕生，所以，發電機就能進行穩定的輸送有功功率，從而保證電力系統的良好運行。而隨著轉速的越來越快，滑差也有所加大，這時異步轉矩也會增加，最終會達到一種平衡的狀態，從而使得汽輪發電機能夠穩態的進行異步運行。

3 暫態系統模型的建立

3.1 仿真圖形的建立

發電機組采用的數學模型是單機無窮大系統，基于MATLAB/Simulink 仿真平臺，以模塊化建模的方法，搭建系統仿真模型。本仿真研究的是汽輪發電機從正常穩態運行到突然發生失磁故障進而異步運行的暫態過程。設仿真失磁故障類型為勵磁機直接短路失磁，仿真時用階躍信號來模擬勵磁電壓的變化，即為故障信號量。仿真時分別通過示波器采集發電機的勵磁電壓、勵磁電流、定子電流幅值、轉子轉速、有功功率和無功功率的波形。

3.2 發電機參數設定

本文以一臺125MW，額定電壓為13.8kV，功率因數為0.9，極對數為1 的汽輪發電機為樣機，分析其發生失磁動態過程，及轉子渦流損耗分析。

3.3 波形分析

失磁初始階段，定轉子之間的勵磁磁場減弱，致使定子電流開始降低。隨著功角δ的逐漸增大，發電機進入異步運行，將逐漸從系統吸收大量無功功率建立定轉子之間的磁場，從而使此時發電機定子電流幅值較失磁前明顯增大。定子電流的增加使其熱超過穩定效應上限值，將導致定子繞組發熱，破壞繞組間的絕緣，而使發電機定子繞組被損壞。

失磁后，勵磁電壓降低，由于初始階段發電機的功角δ變化很微小，使電磁功率降低；隨著功角δ的增大，sinδ的增大可以彌補機端電壓Ut的降低，使發電機的有功功率發生微小波動，此過程稱之為“等有功過程”。隨著轉子轉速的逐漸增大，功角δ增大至靜態穩定角，此時隨著δ的增大，sinδ 減小，致使發電機的有功功率降低，但由于滑差電勢的作用，發電機由于異步轉矩的作用仍向系統輸送能量而不會從電網吸收功率。

從失磁故障開始階段，發電機的無功功率將逐漸降低并反向。但是隨著異步過程的進行，發電機將不斷從電網中吸收大量的無功功率，建立定轉子之間聯系的磁場。從而導致發電機機端電壓和電網電壓降低，系統潮流分布不均勻，電網的穩定性將被破壞。

失磁初期，由于原動機的機械慣性作用，發電機轉子轉速將在原有轉速基礎上發生微小波動。隨著電磁轉矩的逐漸減小，而原動機的機械轉矩不變，將在轉子上出現剩余轉矩，于是轉子加速。最終，發電機轉子在原動機的調節作用下趨于一種穩定，此時發電機進入穩定異步運行階段。

4 渦流耗損

發電機失磁時，轉子上出現剩余轉矩，促使發電機轉子加速旋轉，隨著時間的推移，定轉子之間轉速差超過發電機本身的調節能力，使發電機進入一步運行狀態，而在轉子上出現轉差電流，進而產生渦流。在發生失磁故障時，轉子的渦流損耗都比較集中于外表面上，而在大齒側的損耗是最為嚴重的，發熱也較為嚴重，這就需要人們能夠加以重視，在失磁時，能夠采取降負荷的措施，來提高整體汽輪發電機的性能。

5 結束語

隨著時代的不斷向前發展，人們的生活方式以及工作方式發生了很大的改變，各個行業都獲得了較大的發展，我國的電力行業也同樣取得了一定的進步，但是同時也面臨著一些問題，這些問題的出現極不利于電網的穩定運行，對于人們的生活以及工作都會產生重要的影響。而汽輪發電機的失磁故障就是其關鍵問題之一，這就要求有關人員能夠針對失磁異步運行以及渦流損耗的變化等進行深入的分析，懂得利用先進的仿真軟件來進行研究，從而有助于工作人員能夠在失磁的過程中，還能有效的保證發電機的穩定性，以方便維護人員有充足的時間找尋故障，加以排除，以進一步的保證供電的質量與安全，促進我國電力事業的良好發展。

參考文獻

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