淺談電力系統的非同步振蕩

摘 要：分析了電力系統產生非同步振蕩的原因，給出了處理故障的方法，可提高系統運行的穩定性，減少系統的振蕩和失步。

關鍵詞：電力系統；非同步振蕩；失步

電力系統運行中的穩定問題是安全生產的重要問題，龐大的電力系統中某個或一些發電廠一旦發生事故，故必然引起廣大地區的停電，造成嚴重的生產事故和設備損壞事故。所以我們就要分析在發生事故時靜態穩定和動態穩定的情況下，同步發電機能否保持同步的問題。（1）靜態穩定：在某一穩態運行時，發電機在經受某一微小得干擾，如負荷的變化和原動機調速工作點發生變化后，能否恢復到原來的運行狀態，如能即認為穩定，否則為不穩定。（2）動態穩定：電力系統在正常運行狀態下突然發生事故，如發電機、變壓器和輸電線路等發生短路故障時，系統內的發電機能保持同步運行及能經受住最嚴重事故沖擊的系統，其動態穩定水平最高。在實際中，靜態穩定極限總是高于動態穩定極限，故在電力系統是可以運行的，但不能超過靜態極限運行。

1、系統發生振蕩和失步過程的理論分析

當發電機與系統失去同步后，發電機的轉速將大于系統轉速，因而發電機機端電勢相量與系統電壓相量角度之間就有了相對運動，發電機功角將逐漸增大。這兩者之間的相位發生周期性的變化，將導致連接兩電壓之間的使各點電位也隨時間而發生周期性的變化。如果我們假定系統電壓相量不變，因而可以將發電機相量與系統電壓相量等效成發電機相量圍繞系統電壓相量旋轉，但不是勻速旋轉，時快時慢。因而聯解網絡中各點電壓向量的端點將分別在各圓周上運動。它們的大小將不斷地波動。同時，連接網絡中的電流也隨發電機功角的變化而變化。當發電機電勢與系統電勢方向相反時，網絡中各點電壓都降至最低，連接網絡中的電流最大。由于電壓從正值一直變化到負值，在連接網絡中的某些點電壓將下降為零，就如同在該點出現瞬時性三相短路，我們將這一點稱為振蕩中心。很明顯，在振蕩過程中，振蕩中心的電壓周期性的為零，相當于周期性的在振蕩中心處出現三相短路。如果振蕩中心出現在輸電線路上，由于系統電壓和發電機電勢幅值上一般不會完全相等，振蕩中心處的電壓不會完全為零，但仍會損失部分負荷，對系統的影響不是很大。如果由于網絡結構較強，系統振蕩時振蕩中心可能靠近發電機機端甚至是發電機內部，發電機機端三相故障對發電機來說是一個非常嚴重的故障。因此，在系統振蕩時，必須嚴格區分振蕩中心的位置，以便發電機保護做出最合適的對策。

當系統發生振蕩時，并不是所有振蕩都將導致系統失步并最后導致系統解列。由于系統阻尼的存在，對于一般不嚴重的系統振蕩在系統阻尼的作用下可能經過幾個周波的振蕩后最終自行平息。因此一般可以將振蕩分為兩種類型。一種是由于振蕩中阻尼的存在，振蕩能量慢慢被消耗，振幅越來越小，逐漸衰減，在經過一定的往返振蕩后，發電機轉子處于新的平衡位置，進入了新的穩定持續運行狀態，這種振蕩稱為穩定振蕩。另一種功率角不斷增大，在其振蕩過程中振幅越來越大，發電機轉子被拖出同步轉速，而無法進入新的穩定持續運行狀態，稱為不穩定振蕩。

2、電力系統產生非同步振蕩的原因

（1）電力系統暫態穩定破壞引起非同步振蕩。當系統中的振蕩過程自己不能拉入同步時，表計擺動幅度越來越大，振蕩越來嚴重，此時系統進入非同步振蕩。全系統的電流、電壓、功率以及頻率表計都在擺動，只是擺動的幅度和大小不同。發電機的轉子在脈動力矩的作用下產生有節奏的鳴音。

（2）電力系統的靜態穩定遭到破壞，處于正常穩態運行的電力系統時時刻刻會受到隨機性的干擾，如接入或切除不大的負荷，系統接線的切換，線路擺動，氣溫和氣壓變化引起的系統參數變化等等。所受到的干擾可以是瞬時性的，也可以是永久性的。

（3）發電機失磁引起系統非同步振蕩。失磁后的發電機將要進入異步運行狀態，并要從系統中吸取大量無功功率，使得系統電壓下降，可能引起系統振蕩，威脅到系統的穩定運行。

（4）電源間非同步合閘未能拖入同步，大容量機組故障跳閘，使系統等阻值阻抗增加，并使電壓下降造成聯絡穩定極限下降，引起系統的非同步振蕩也是比較常見的。

綜上所述，盡管引發系統振蕩的原因多種多樣，但是結果都是表現為一臺或幾臺發電機的功角相對其他發電機的功角發生周期性的擺動，系統振蕩對發電機會導致巨大的危害，我們必須深刻認識振蕩過程，采取一切措施平息振蕩。

3、系統發生振蕩和失步的現象

（1）定子電流表的指針向兩側劇烈擺動，電流超過正常值的情況。這是因為發電機電勢間的夾角發生了變化，出現電勢差，在此作用下造成定子電流表的指針來回擺動，而這個電流值就超過正常值。

（2）發電機電壓表和其他母線電壓表的指針劇烈擺動，且經常是降低。在兩個振蕩部分間的各點電壓，包括發電廠的主母線及發電機母線的電壓，都與振蕩部分發電機電勢間的夾角有關。夾角變化，電壓就擺動，其它各點電壓比正常低。

（3）有功電力表的指針在全刻擺動。這是因為發電機在未失步時的振蕩過程中，向系統送出有功功率的緣故。

（4）轉子電流表的指針在正常值附近擺動。這是因為發電機在振蕩和失步時，定子磁場和轉子磁場之間有相對速度的緣故，這樣轉子的鐵芯表面和繞組等處感應出交流電，她隨著定子電流的波動而波動，并在轉子入組中疊加在原來的勵磁電流上，使轉子電流表的指針在正常值附近擺動。

（5）失去同步的發電廠間聯絡線的輸送功率往返擺動，有時送出有功功率或吸收無功功率，送電端部分系統的周波升高，受電端則降低，并略有擺動。

4、發電機振蕩或失步的危害

正常運行時，電力系統中各臺發電機都處于穩定狀態，當系統發生某些重大事故（例如穩定破壞、非同期合閘而拖入同步等），就會破壞發電機的穩定運行，使發電機產生振蕩。如果事故的情況不嚴重，則發電機的電流、電壓和負荷經過短時間的波動之后，就會恢復到平衡狀態，繼續穩定運行。如果事故嚴重，就可能使發電機產生強烈的振蕩，使發電機與系統失去同步，萬一處理不當或保護拒動將導致大面積停電以致整個系統瓦解，其后果是極其嚴重的。

5、系統發生振蕩和失步的處理

當發生振蕩或失步時，應迅速判斷是否由于本廠范圍內在執行重大操作過程中發生了誤操作，同時，觀察是否某臺發電機發生了失磁。如本廠情況正常，則應了解是否發生了系統故障，以判斷發生振蕩或失步的原因。

由于電力系統的逐步完善，采取了很多提高穩定性的措施，例如采用多回線環網運行，裝設了先進的快速自動調節勵磁裝置；使用快速繼電保護等。一般情況下，即使發生了波動，也能在很短的時間內自動恢復正常，有時可能振蕩數秒鐘，也能自動恢復。

5.1 人工再同步

（1）人為調整，使失去同步的系統各部分間頻率相等，即頻率降低部分的系統發電廠增加有功功率，升高頻率，必要時切除部分負荷，把電壓提高到最大值；頻率升高的部分應降低有功功率，以降低頻率（不應低于48~49HZ，否則自動低頻裝置動作）。

（2）將頻率升高的送端系統中部分機組解列，并入頻率降低的受端系統中去（即頻率最低可降至49.5，若繼續下降則按事故拉閘順序拉閘，使頻率升至49.5以上）。

（3）按值班調度員命令，啟動若干備用機組并入到頻率降低的受端系統中去。

（4）增加各臺發電機的勵磁。使勵磁電流達到最大值，以幫助恢復同步。

5.2 系統解列法

在經上述處理方法無效時，系統值班員應在事先規定的適當地點將非同期的兩部分系統解列運行，以免發電機因持續過電流而損壞。其解列地點的選擇原則如下：

在易于振蕩的系統部分之間潮流分界點上，或者在交功率最小處。

應使解列后的系統容量足夠大，因為大容量系統抗干擾能力強。故在系統間設置小量的解列點，但發電機出口主斷路器不能作為解列點。

選擇操作方便、通信方便，遠動技術先進的處所。

按以上分析處理電力系統產生非同步振蕩的原因及處理故障的方法，可提高系統運行的穩定性，減少系統的振蕩和失步。

作者簡介：

孫卉（1984-），女，本科，從事電氣工程及自動化專業實驗教學工作。