水利發電機失磁判據及措施分析

廖鐵堅

摘 要：水力發電機在運轉過程中，主要是依靠物理學中的電磁感應原理使系統中的機械能轉化為電能，而一旦電磁場出現失磁現象，就會使發電系統失衡，進而對整個發電機組造成危害，因此，在發電機出現失磁現象后對其進行正確的失磁故障判定進而有效排除失磁問題是保證水力發電機組正常運行的前提條件。文章對于發電機失磁現象產生的原因以及解決方法做出了系統分析，旨在最大限度的降低失磁現象對發電機正常運行的干擾，提高水力發電機的發電效能。

關鍵詞：勵磁系統；處理原則；失磁保護判據

水力發電機能夠將機械能轉化為電能主要是通過內部電磁場發揮作用，而保證磁場處于良好的運行狀態需要通過勵磁系統正常發揮其功能才能夠得以實現，在勵磁系統中如果電流供應出現異常情況，將會導致磁場失磁現象的發生，進而使發電機系統無法正常運轉，大量無用功和有用功瞬間疊加，系統內部的電壓也會迅速下降，發電系統會出現因電壓不足而發生斷電問題，致使發電機組無法正常運轉。解決上述問題的方法就是通過對系統采取勵磁系統保護措施來保障勵磁系統在運行過程中不受其他因素的干擾。

1 失磁現象的作用機理和引發的不良后果

發電機的正常運轉需要電磁場中轉子運動所發出的電流來保持磁場系統的穩定性，當轉子運行異常無法滿足磁場電流供應條件時，勵磁系統就會因電流的減弱或突然消失而出現故障，引發水力發電機失磁現象。發電機在處于勵磁系統失磁的狀況下，通過發電機的電流會突然減弱，而其與磁場中電流的變化不同步，使得轉子突然加速，產生電流激增現象，系統的電流保護系統會由于電流的突然增大而瞬間切斷系統保護裝置，而與此同時，由于水力發電機進入異常運轉狀態，會同時輸送大量的無用功和有用功，使得系統整體的電壓快速下降，隨著無用功功率的逐漸增加，其與有用功之間的差額也逐漸增大，進而有可能引發由于電壓下降而出現發電機系統斷電現象，切斷了系統的正常運行狀態。

一旦發電機出現失磁現象，就會對整個水力發電機組運行的環境造成破壞，對其功能造成不良的影響，更為嚴重的是，失磁現象還有可能中斷整個電力系統的電力供應，導致整個電力系統的癱瘓。

首先，發電機出現失磁現象后，其運轉速度會在一定時間之內陡增，進而使磁場內部的電流增加，產生額外的系統電能損耗，同時還會散發出大量的熱量，加劇了發電機內部結構的耗損。其次，失磁現象發生后，整個發電機系統的軸距的電磁場中的轉矩會出現嚴重的失衡現象，定子和轉子的位置會發生一定程度的偏移，導致機組功率發生明顯的變化，對發電機運行的安全運行構成了威脅。再次，失磁現象發生時，發電機組內部會瞬時出現電壓增加的情況，一旦這種情況持續一段時間，則會對發電機內部結構和部件造成部分或全部損毀，使其失去了原有的功效，因此，要盡量避免這種問題的出現。

失磁現象對于整個電力系統的影響主要表現為發電機產生的大量的無用功率被電力系統吸收，使得整個系統的電壓大幅降低，一旦電壓值降至維持系統正常運轉的范圍值之外，就會使整個電力系統停擺，嚴重者會對電力系統的組帶來致命性損傷。而同時如果電力系統本身吸收功率的負荷量有限，也會造成系統功能的破壞。

2 水利發電機失磁保護判據

鑒于上述失磁現象對整個發電機組和電力系統帶來的不利影響，在水力發電機組中加設失磁保護裝置是十分有必要的。對失磁保護方法的探究主要要根據失磁保護判據來加以確定。從不同的角度來看，失磁判據的確定主要可以分成定子判據，轉子判據和三項功率判據這三種方法，無論選擇哪一種判據方法，都要綜合其他判定方法才能實現最佳失磁保護效果。

2.1 定子側阻抗判據

定子阻抗判據有靜穩邊界阻抗判據和異步邊界阻抗判據2種。靜穩邊界阻抗判據是根據水利發電機失去靜穩時機端阻抗的變化軌跡而設立的，異步邊界阻抗判據是根據水利發電機失磁后轉入穩定異步運行時機端阻抗的變化軌跡而設立的，動作時間比較晚。靜穩邊界阻抗判據異步邊界阻抗判據動作區域都為圓。

2.2 轉子電壓判據

轉子低電壓判據也是根據水利發電機的靜穩邊界而設計的，包括等勵磁電壓判據和變勵磁電壓判據。等勵磁電壓判據動作電壓值為定值，一般為額定空載勵磁電壓的80%。變勵磁電壓判據的動作電壓值隨水利發電機輸出的有功功率變化而改變。

2.3 三相同時低壓判據與過功率判據

三相同時低壓判據分為主變高壓側三相低壓判據和機端三相低壓判據。主變高壓側三相低壓判據防止水利發電機失磁故障造成高壓母線電壓的嚴重下降，導致系統穩定性破壞，動作電壓取為母線額定電壓的80～85%。機端三相防止水利發電機失磁故障造成電廠輔機不能正常工作，動作電壓一般取為水利發電機額定電壓的80%。低電壓保護是阻抗Ⅰ，Ⅱ段的補充。當在xs很大且送出的有功很大的情況下失磁時，阻抗Ⅰ，Ⅱ段可能動作緩慢，甚至拒動，低電壓保護則可以快速動作。為防止振蕩和外部故障時誤動，低電壓保護要帶較長延時動作。

3 水利發電機失磁處理原則

對于不允許無勵磁運行的水利發電機應立即從電網解列，以免損壞設備或造成系統事故。

對于允許無勵磁運行的水利發電機應按無勵磁運行規定執行以下操作：迅速降低有功功率到允許值，此時定子電流將在額定電流左右擺動。手動斷開滅磁開關，退出自動電壓調節裝置和水利發電機強行勵磁裝置。注意其他正常運行的水利發電機定子電流和無功功率值是否超出規定，必要時按水利發電機允許過負荷規定執行。對勵磁系統進行迅速而細致的檢查，如屬工作勵磁機的問題，應迅速啟動備用勵磁幾恢復勵磁。注意廠用分支電壓水平，必要時可倒至備用電源接帶。在規定無勵磁運行的時間內，仍不能使機組恢復勵磁，則應將水利發電機自系統解列。

4 處理

失磁保護動作后經自動切換勵磁方式、減有功負荷無效而作用于跳閘時，按事故停機處理；若失磁是由于滅磁開關誤跳閘引起，應立即重合滅磁開關，重合不成功則馬上將水利發電機解列停機；若失磁是因為勵磁調節器AVR故障，應立即將AVR由工作通道切至備用通道，自動方式故障則切換至手動方式運行；水利發電機失磁后而水利發電機未跳閘，應在1.5min內將有功負荷減至120MW，失磁后允許運行時間為15min；若失磁引起水利發電機振蕩，應立即將水利發電機解列停機，待勵磁恢復后重新并網。