同步发电机失磁保护研究

同步发电机失磁保护研究

王晓明

海南省东方市华能东方电厂检修部海南省东方市572600

摘要：本文针对大型同步电机容易产生失磁效应的问题进行技术改造研究，采用数值计算和模拟试验相结合的方法对同步电机失磁的动态过程进行仿真分析，并对相应的失磁保护方法进行归纳总结，为今后同类型同步电机设计和故障诊断提供参考依据。

关键词：同步电机；失磁保护；模拟试验；故障诊断

中图分类号：TP303+.3文献标识码：A文章编号：

1引言

我国的能源分布特点决定了我国主要以燃煤、水利、核能为主要的发电方式，占电力总装机容量的99%以上。而不论上述哪一种发电方式都需要发电机组的支持，随着火电和核电向着高参数、大容量、高效节能的方向发展，机组逐步大型化，其中600MW、1000MW及以上超（超）临界机组已成为主力机组。发电机组作为三大主机中最为关键的部分，承担着将机械能转化为电能的任务，而同步电机励磁系统又是发电机组中核心组成部分，如何保证同步电机的励磁效率以及失磁保护也成为非常重要的课题之一。同步电机的励磁系统作为影响发电效率的关键因素，其故障发生率占总事故的70%以上，因此提高电机励磁系统的稳定性和可靠性，以及的提高故障保护和诊断效率对于电力系统非常重要。尤其是在当前机组大型化的趋势下，同步电机励磁效率下降引起供电系统紊乱，能源利用率直线降低，这也不符合国家“十三五”期间制定的节能减排战略目标。

常见的发电机励磁系统故障主要以失磁为主，分为全部失磁和部分失磁两种情况，失磁会使得电机进入无励磁失步、异步状态。在此状态下极易产生电机功率震荡，对于汽轮发电机下的无励磁异步运行会产生大量无用功，引发汽轮机和发电机连轴转子回路谐振。而对于水轮发电机下的失磁状况会导致转子异动甚至力矩不足飞车。

对于同步发电机的失磁保护主要建立在稳定性分析的基础上，主流的失磁保护判断方法分为由等无功阻抗圆和励磁电压与功率间的非线性函数表达的静稳定边界以及无励磁异步边界判定方法，这三种判断方法从原理上来说都存在不足之处。其中传统的基于等无功阻抗圆和参数关系的静稳定边界方法都是通过小干扰稳定性理论来实现，而大型发电机组的同步电机失磁属于大干扰条件，功角时刻都在发生变化，如果仅按照静态特性功角来比较变形则显然不合适，即使通过试验找出其特性曲线并拟合形成非线性函数表达式，也远远无法表达其变化过程。尤其是对于现代大型超（超）临界的大容量发电机机组而言，急剧衰减的励磁系统电流和时刻变化的异步动率也使得诊断过程无法通过简单的静态功角来判断。另外一种基于无励磁异步边界条件的判断方法则是通过假设正常运行的电机一直处于无功边界的阻抗圆之外，虽然该方法在大型发电机组中广泛应用，但根据经验总结无法得出该假设是否一直成立，在使用该判定方法时需保持谨慎，不能一概而论。

本文基于传统的电机失磁判断方法，对同步电机失磁过程的进行了动态仿真与模拟验证，针对同步电机失磁作用原理和失磁保护方法进行研究。

2失磁动态过程

根据现有的失磁保护原理针对电机运行的稳定性进行研究，企图模拟出同步电机的动态运作过程，并利用多种耦合传感器对其进行监测，提取出可靠的数据。

2.1初始化设置

利用某同步电机的额定阻抗为初始点，其中纵轴表示同步电抗，横轴表示对应的同步电阻，以此设置相应参数得到该同步电机的异步边界阻抗圆，如下图1所示。

图2参数动态变化过程

2.3初期功角特性

同步电机失磁初期，随着励磁电流在逐渐消磁情况下的不断衰减，呈现波动形式，而同步有用功则逐步衰减至零值，失磁导致的异步功率波动至与电机额定功率相等，最终机组发电机进入无励磁空载运行阶段，不产生任何电能。在失磁运行过程中，发电机完全进入无用功状态，此时的功角特性不再呈现正弦波动形式，因此可计算得出失磁动态功角的极坐标。

2.4励磁系统与异步阻抗圆的关系

从等无功阻抗圆的静态边界判定方法可知，完全失磁同步电机的阻抗已并入异步阻抗圆中，但其它部分失磁状态的进入阻抗圆的情况仍然无法判定。异步边界下的阻抗圆属于完全无功边界条件，可通过测量异步阻抗值来判定与阻抗圆的函数关系。在判定过程中吗，可以依据同步电动势以及静态功角特性计算同步电机的阻抗。通常情况下，当励磁系统发生故障时的电机功角超过π时，则可认为发电机励磁系统阻抗值进入异步阻抗圆内。

3动态模拟试验

由于同步电机的失磁过程是一个动态过程，无法通过特定的函数表达式来表征参数之间的内在联系，因此为了对失磁电机的同步控制进行讨论研究，设置典型的动态模拟试验。

3.1设备及参数设定

试验用模拟同步电机符合国家相关法律法规的要求，具备良好的可操作性能和数据提取功能。根据电机说明书中的标示，其额定容量20kVA，额定电压380V，额定电流22A，额定转速1200rad/min，额定频率50Hz，功率因数0.85。针对模拟电机的参数，设置基准频率为20kVA，模拟用同步电机的电抗取4.5Ω，惯性常数取5.5，接口电网电抗3.5Ω，电压380V。

3.2试验结果分析

在完成参数设置后，利用测试平台对典型的电机失磁未失步工况和转子电路短路工况进行模拟分析，试验过程中发电机空载励磁，避免负载对试验结果的影响。经过模拟试验，测得两种故障工况下的失磁前后数据，统计结果如表1和表2所示。

表1失磁未失步工况

表2为电机转子电路发生短路条件下的模拟数据，短路发生时的励磁电流由3.86A降至0A，发电机的输出功从11.5kW降至05.6kVA，端口电压从289V降至84V，功角从0.1π变为0。

4失磁保护方法

根据上述模拟试验分析可知，对于同步电机的失磁保护可以从两方面入手，即从功角保护和异步阻抗保护。主要可以概括为以下几点，首先可以将电机故障诊断中的间接检测变为直接检测，直接检测电机励磁功角和转差率的数据变化，能够快速实现电机断电保护，实现安全运行的目的。其次通过监测电机励磁功角和转差率的变化，对电机控制系统进行快速诊断调节，减少机组停机次数，最大限度的保护机组，提高运行寿命。最后，对励磁功角和转差率的实时监测便于机组检修停机后的启动，缩短检修周期，提高检修效率。

5结语

本文通过同步电机失磁保护的动态仿真与模拟，对传统失磁判断方法进行了探讨，得出了相关数据和结论，并对相应的失磁保护方法进行归纳总结，为今后的同步电机设计和故障诊断提供借鉴依据。

参考文献

[1]崔佳.西门子7UM62中的失磁保护原理及调试分析[J].科技传播,2014,4:167-168.

[2]任保瑞.发电机低励限制和失磁保护的参数配合分析[J].电工技术,2013(8):10-11.

[3]徐健,徐金,王翔.发电机失磁保护和失步保护的冲突与协调[J].电力系统自动化,2007,31(17):61-64.

[4]张春林.发电机失磁保护的探讨[J].电工技术,2012(5):13-14.

[5]高利孝,张海瑞.基于实测功角加速判据的发电机失磁保护配置研究[J].电工技术,2012(12):60-61.