《電機原理與維修》課件第10章

第10章同步發(fā)電機的暫態(tài)過程及異常運行10.1同步發(fā)電機三相突然短路10.2同步發(fā)電機的異常運行10.3同步發(fā)電機的失磁運行10.4同步發(fā)電機常見故障及處理方法習(xí)題

10.1同步發(fā)電機三相突然短路同步電機突然短路時，電樞(定子)電流和相應(yīng)的電樞磁場幅值會發(fā)生突然變化，定、轉(zhuǎn)子繞組間出現(xiàn)了變壓器感應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)子繞組中將會感生電動勢和電流，此電流又會反過來影響定子繞組的電流。因此，突然短路過程要比穩(wěn)態(tài)短路復(fù)雜得多。為了簡化分析，作如下假設(shè)：

(1)在整個電磁瞬態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速。

(2)不計磁飽和，因而可利用疊加原理來分析。

(3)突然短路前，發(fā)電機是空載運行。

(4)轉(zhuǎn)子上只有勵磁繞組。10.1.1突然短路時定子繞組電抗的變化圖10-1表示一臺三相同步發(fā)電機的示意圖，定子上裝有A、B、C三相繞組，轉(zhuǎn)子上僅有勵磁繞組。設(shè)電機原先為空載運行，當轉(zhuǎn)子主極軸線轉(zhuǎn)到與A相繞組軸線垂直(θ0＝-90°，A相磁鏈為零)時，定子端點發(fā)生了三相突然短路。圖10-1A相磁鏈ψA(0)=0時發(fā)生三相突然短路圖10-2畫出了突然短路后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°電角度時，勵磁電流If0、Δif∞和三相短路電流中的周期分量所產(chǎn)生的磁場分布示意圖。與圖10-1所示短路前的情況相比較，短路以后，短路電流中的周期分量產(chǎn)生二束去磁的電樞反應(yīng)磁通和一束電樞漏磁通；勵磁繞組中的感應(yīng)電流Δif=則使主磁通增加一束，主極漏磁通亦增加一束。由于感應(yīng)勵磁電流所產(chǎn)生的磁鏈的增量恰好與去磁的電樞反應(yīng)磁鏈相等，因此在短路初瞬，勵磁繞組的磁鏈保持不變，滿足換路條件。同樣可以看出，在短路初瞬，A相磁鏈亦保持不變。對于B相和C相繞組，考慮到短路電流中的非周期分量以后，其磁鏈亦保持不變。圖10-2突然短路后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°電角度時，電機內(nèi)的磁場分布把圖10-2中電樞反應(yīng)磁通、主磁通的增量和勵磁繞組漏磁通的增量加以歸并，可得圖10-3。圖10-3的特點是，把勵磁繞組中感應(yīng)電流Δif=所產(chǎn)生的磁場，不作為主磁場的增強，而作為瞬態(tài)時電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)過的磁路發(fā)生變化(因而對應(yīng)的電抗亦發(fā)生變化)這樣的效果來處理。換言之，即認為突然短路初瞬主磁通和勵磁繞組的漏磁通均未發(fā)生變化。但由于勵磁繞組中感應(yīng)電流Δif∞所生磁動勢的抵制，瞬態(tài)時電樞反應(yīng)磁通在通過主氣隙以后，將繞道勵磁繞組的漏磁路閉合。相應(yīng)地，瞬態(tài)時直軸電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)磁路的磁阻將變成直軸主氣隙的磁阻rad與勵磁繞組漏磁阻rfs的串聯(lián)值，即,而直軸瞬態(tài)電樞反應(yīng)磁導(dǎo)將成為

(10-1)式中：Λad為直軸主氣隙的磁導(dǎo)，；Λfs為勵磁繞組的漏磁磁導(dǎo)，。圖10-3從電樞端點看，突然短路磁場圖再考慮到與電樞反應(yīng)磁路相并聯(lián)的電樞漏磁磁路，可得瞬態(tài)時電樞的等效直軸磁導(dǎo)為

(10-2)式中Λs為電樞的漏磁磁導(dǎo)。由于電抗正比于磁導(dǎo)，于是可得瞬態(tài)時從電樞端點來看，同步電機所表現(xiàn)的等效直軸電抗，即直軸瞬態(tài)電抗為

(10-3)式中，xfs為勵磁繞組的漏抗。和穩(wěn)態(tài)時相比較，由于瞬態(tài)時的電樞磁導(dǎo)要比穩(wěn)態(tài)時的Λd小很多，因此直軸瞬態(tài)電抗要比直軸同步電抗xd小很多，所以突然短路電流要比穩(wěn)態(tài)短路電流大很多。10.1.2突然短路電流

1.突然短路電流的示波圖圖10-4(a)表示三相突然短路時A相電流的波形圖。從圖可見，A相電流的上、下包絡(luò)線與橫坐標對稱，即A相電流中僅有周期分量。在短路初瞬，A相電流的初始幅值很大(標么值可達4～7)，以后A相電流逐步衰減，經(jīng)過2～4s，瞬態(tài)實際消失，短路電流就下降到穩(wěn)態(tài)值Im。圖10-4ψA(0)=0時三相突然短路電流的波形圖(a)A相電流；(b)B相電流；(c)C相電流圖10-4(b)和(c)表示B相和C相電流的波形圖。從圖可見，B相電流的上、下包絡(luò)線與橫坐標不對稱，這說明除了周期分量之外，B相電流中還有一個非周期分量。同理可知，C相電流中除周期分量外，亦有非周期分量。把B、C兩相的周期分量與A相相比較，可知這三個周期分量的初始幅值、衰減速率和穩(wěn)態(tài)幅值完全相同，差別僅在于相位不同，B相的周期分量滯后于A相120°電角度，C相又滯后于B相120°電角度。為什么突然短路電流的初始幅值會這樣大，某些相中除周期分量外還會出現(xiàn)非周期分量，下面從物理概念來說明這兩個問題。

2.短路電流的周期分量設(shè)空載運行時的勵磁電流為If0，If0產(chǎn)生主磁通，將在定子三相繞組內(nèi)感生勵磁電動勢E0。由于有E0，三相短路時定子繞組內(nèi)將產(chǎn)生對稱的三相短路電流，這組對稱的三相電流就會形成電樞旋轉(zhuǎn)磁動勢，并產(chǎn)生相應(yīng)的電樞反應(yīng)。由于定子繞組本身的電抗遠大于電阻，短路時電樞電路接近于純電感性，因此此時的電樞反應(yīng)基本為純直軸去磁性的電樞反應(yīng)。穩(wěn)態(tài)短路時，電樞磁動勢是一個恒幅、同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢，與轉(zhuǎn)子相對靜止，轉(zhuǎn)子中沒有感應(yīng)電流。突然短路時，突然出現(xiàn)的直軸去磁性電樞反應(yīng)將在勵磁繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流Δif=。根據(jù)換路定律，在短路初瞬，勵磁繞組的磁鏈不能躍變，所以由此產(chǎn)生的磁鏈LffΔif=應(yīng)與電樞繞組所產(chǎn)生的直軸去磁性磁鏈Mfaid相抵消,即LffΔif=-Mfaid=0

(10-4)由此可見，Δif=一方面由去磁性的電樞反應(yīng)感應(yīng)產(chǎn)生，另一方面，它又起到抵消電樞反應(yīng)的作用。

Δif=的出現(xiàn)，使勵磁電流從原先的If0增大為If0+Δif=,不計飽和時，主磁通和勵磁電動勢E0將按同樣的倍數(shù)增大，從而引起短路電流周期分量初始幅值的大幅度增大。與穩(wěn)態(tài)短路電流Im相比較，這一增大的部分就稱為短路電流的瞬態(tài)分量。由于Δif=不是由外加勵磁電壓uf所產(chǎn)生，而是一個感應(yīng)電流，因此它是一個無源的自由分量。隨著時間的推移，Δif=將按指數(shù)曲線逐步衰減，如圖10-5所示。用式子表示時，勵磁電流的非周期分量if=為

(10-5)式中，為直軸瞬態(tài)時間常數(shù)。圖10-5突然短路時勵磁電流的非周期分量隨著Δif=的逐步衰減，定子短路電流中的周期瞬態(tài)分量將同時衰減,直至Δif=衰減為零，勵磁電流恢復(fù)到If0，短路過程就進入穩(wěn)態(tài)短路。所以，突然短路時，定子電流的周期分量i~可表示為

(10-6)

式中，為各相的初相角；對A相，；對B相，；對C相，。

3.短路電流中的非周期分量

若突然短路時A相的主磁鏈為零，則該瞬間A相勵磁電動勢的瞬時值將為最大。由于短路電流滯后于勵磁電動勢90°，因此在短路初始瞬(即t=0+時)，A相電流周期分量的瞬時值為零。在短路前一瞬間(即t=0-時)，電機為空載，A相電流亦為零，因此對A相而言，滿足短路初始瞬間電流不能躍變的換路條件，所以A相電流中沒有非周期的自由分量。對B、C兩相來說，情況就不一樣。以B相為例，短路前一瞬間，iB(0-)=0,在短路初瞬(即t=0+時)，根據(jù)式(10-6)，B相電流的周期分量iB~(0+)為

(10-7)由于短路初瞬電流不能躍變，故B相電流中必有一個非周期的自由分量iB=，使iB~(0+)+iB=(0+)=iB(0-)

(10-8)由此可知，B相電流的非周期分量。由于此分量是自由分量，因此隨著時間的推移，它將按指數(shù)曲線衰減，即

(10-9)式中，Ta為電樞電流中非周期分量衰減的時間常數(shù)，稱為電樞時間常數(shù)。同理可知，C相電流中除周期分量外，亦有一個非周期分量iC=。定子短路電流中的非周期分量，將在電機內(nèi)產(chǎn)生一個固定不動的電樞磁動勢和磁場。當同步旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子“切割”這一磁場時，勵磁繞組內(nèi)將感應(yīng)出一個基波頻率的周期分量if~。在t=0+時，該周期分量if~的值恰好與Δif=的值相等，相反，以滿足勵磁電流不能躍變的換路條件。隨著時間的推移，if~將和感生它的定子非周期分量一起以時間常數(shù)T衰減。圖10-6表示突然短路后整個勵磁電流的波形，圖中1表示If0，2表示考慮了Δif=，3表示再加上if~后的波形。圖10-6三相突然短路后勵磁電流的波形勵磁電流的周期分量if~將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個脈振磁動勢，將此磁動勢分解成兩個幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢，再考慮到轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速，則反向磁動勢將在空間靜止不動，正向磁動勢將以兩倍同步轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)，后者將在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)出一組二次諧波短路電流。所以嚴格地說，定子短路電流一般應(yīng)為周期分量、非周期分量和二次諧波等三個分量之和。10.1.3突然短路電流對電機的影響突然短路所引起的各種不良影響主要是由于短路初瞬過大的沖擊電流所引起的。過大的電流流過電樞繞組，將使繞組電阻ra上的功率損耗大幅度增加。但由于沖擊電流僅在幾秒鐘內(nèi)就衰減為穩(wěn)態(tài)短路電流，而一般同步發(fā)電機其穩(wěn)態(tài)短路電流往往還不及額定電流大，因此在此極短促的時間內(nèi)，突然短路所產(chǎn)生的熱能，對電機溫度的升高幾乎不會有所影響。但是過大的沖擊電流將在電機中產(chǎn)生較大的電磁力。在圖10-7中畫出了同步電機的電樞繞組端部因沖擊電流而產(chǎn)生電磁力的情況。在短路時，由于電樞反應(yīng)幾乎為純?nèi)ゴ抛饔茫谑怯呻姌欣@組產(chǎn)生的電磁力或由電樞電流產(chǎn)生的漏磁場，使得勵磁繞組出現(xiàn)的電磁力成為兩線圈相互排拆的力，如圖10-7的F1。此外，電樞繞組與電樞鐵芯之間，根據(jù)鏡像法分析還將使繞組端部受到向鐵芯靠近的電磁力，如圖中的F2。因此所形成的合力將使電樞繞組向外脹開。電機在發(fā)生突然短路時，其沖擊電流將達到額定電流的15～20倍，而電磁力是與電流的平方成正比的，因而突然短路時繞組端部所受的電磁力將為額定運行狀態(tài)時的200～400倍，這就有可能使電樞繞組的端部遭到損壞。為此必須對電樞繞組的端部加強支撐和固定。圖10-7突然短路時電樞繞組端部的電磁力另外，突然短路時，三相電樞電流中的非周期分量將產(chǎn)生一個在空間上不動的磁場，那么轉(zhuǎn)子磁場在旋轉(zhuǎn)時與此不動的磁場相作用，使轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生往復(fù)擺動的力矩，其擺動的頻率為100周，這將給發(fā)電機組的機件和結(jié)構(gòu)，特別是焊接結(jié)構(gòu)帶來不利的影響。又由于突然短路時電樞電流幾乎全為去磁的無功電流，此時同步發(fā)電機的電磁阻力矩幾乎為零，在原動機的調(diào)速機構(gòu)尚未來得及動作時，轉(zhuǎn)子將因此而加速。10.2同步發(fā)電機的異常運行10.2.1不對稱運行在電力系統(tǒng)中確實存在著許多單相負載，小的有照明燈具及家用電器等，較大的有單相電爐以及電力機車等。但在實際運行中供配電人員都力爭使眾多的單相負載在三相電源下對稱分布以便盡可能使三相功率保持平衡。特別是當今同步發(fā)電機大都是并聯(lián)在大電網(wǎng)上運行的，由于電網(wǎng)容量都相當?shù)凝嫶?，即使較大的單相負載在龐大的電力系統(tǒng)中也不會給不對稱帶來明顯的影響。因此，研究同步發(fā)電機不對稱負載運行，并無多大的現(xiàn)實意義，但是當同步發(fā)電機發(fā)生不對稱短路的故障情況，諸如單相短路、兩相短路、兩相對中點短路以及斷相運行等都是可能發(fā)生的。在對短路故障進行分析時，我們?nèi)匀恢豢紤]其基波的問題，也就是認為同步發(fā)電機中的各個電磁量都是在時間上按正弦規(guī)律變化和在空間上按正弦規(guī)律分布的。分析的方法仍是采用對稱分量法。對稱分量法是屬于線性變換方法，它適用于線性系統(tǒng)。這對于分析飽和狀態(tài)下電機的運行情況，會有一定的誤差。但在分析電機的各種不對稱短路時，由于此時電機的磁路認為是處在不飽和狀態(tài)，故是可以用對稱分量法進行分析的。同步發(fā)電機對稱穩(wěn)態(tài)運行時的電壓方程式，由于三相對稱故只需寫出其中的一相就可以了。但對于三相不對稱的情況下，就要同時寫出A、B、C三相的電壓方程式。在采用對稱分量法后，將三相不對稱系統(tǒng)通過線性變換成正、負和零序三組對稱系統(tǒng)。由于每一相序都是一組對稱系統(tǒng)，故對應(yīng)每一序也只需寫出其中一相的電壓方程式，三個序也是三個電壓方程式。下面我們以隱極式同步電機為例列出其A相的正序、負序和零序電壓方程式。式中暫用、和來分別表示A相的正、負和零序的空載電勢，以避免將原用的空載電勢符號E0誤認作零序電勢。必須強調(diào)指出，我們所討論的不對稱問題只限于負載端的不對稱對電機運行的影響問題，至于同步發(fā)電機本身無論是結(jié)構(gòu)還是接線方式都認為是完全對稱的。因此，當轉(zhuǎn)子通入直流勵磁，并由原動機帶至同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后，各相繞組中的空載電勢是完全對稱的，各相繞組中的各種阻抗也都是對應(yīng)相等的。由于轉(zhuǎn)子只可能沿某一個方向旋轉(zhuǎn)，且又規(guī)定了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向即為正序方向,因此在電樞繞組中，由正序勵磁磁場所感生的電勢就只能有正序電勢、和，其關(guān)系為

(10-10)為A相空載電勢。至于零序電勢和負序電勢則皆為0，即

(10-11)于是可列出隱極式同步發(fā)電機A相的各序電壓方程式為

(10-12)其中Z+、Z-、Z0分別為同步發(fā)電機中的正序阻抗、負序阻抗和零序阻抗。與之相應(yīng)，同步電機的各序等值電路圖如圖10-8所示，其中圖(a)為正序，圖(b)為負序，圖(c)為零序。當忽略其中的所有電阻時，則可將方程式(10-12)改寫為(10-13)式中，x+、x-、x0分別為同步電機中的正序電抗、負序電抗和零序電抗。圖10-9為與之相應(yīng)的忽略電樞電阻ra的情況下的正、負和零序等值電路。

圖10-8各序等值電路(a)正序；(b)負序；(c)零序圖10-9忽略電樞電阻后的各序等值電路列出同步電機的各序電壓方程式時，關(guān)鍵問題是必須預(yù)先得知該同步電機的正序阻抗、負序阻抗和零序阻抗。對于同步電機來說不像變壓器那樣交鏈于各相繞組的不論是正序還是負序都是脈振磁場，變壓器的原邊繞組和副邊繞組之間又無相對位移，因而所涉及的都是時間相量而無空間矢量問題。正序與負序?qū)τ谧儔浩鞯拇怕凡]有什么差異，故在變壓器中正序阻抗與負序阻抗是相等的。然而在同步電機中，交鏈于各個繞組的是旋轉(zhuǎn)磁場，而正序旋轉(zhuǎn)磁場與負序旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是相反的。因而正序和負序的磁路情況以及在各繞組中所感應(yīng)的各電磁量的情況也都是不相同的。問題的本質(zhì)在于旋轉(zhuǎn)電機中不僅有產(chǎn)生在各相繞組中的三個時間相量，還有在空間上由三相合成的各空間矢量。因此在同步發(fā)電機中正序阻抗與負序阻抗將有著不同意義。此外，同步發(fā)電機中還有著與變壓器中的所形成的原理不完全相同的零序阻抗，于是了解同步發(fā)電機中的正序阻抗、負序阻抗和零序阻抗的物理含義，了解它們各自形成的電磁機理，掌握其在各主要類型的同步電機中數(shù)值的大致范圍是我們分析問題的關(guān)鍵。10.2.2不對稱運行對發(fā)電機的影響不對稱運行將使電樞繞組以及外部電路中出現(xiàn)負序電流和零序電流(如果發(fā)電機有中線引出的話)。從同步電機的理論分析和運行實際表明產(chǎn)生各種不良影響的關(guān)鍵在于負序電流。因為它會建立負序磁場，引起諸如附加轉(zhuǎn)矩和電磁力、損耗和發(fā)熱以及高頻干擾等等。而零序電流的影響并不大，因此下面將著重分析負序電流所產(chǎn)生的各種不良后果。一般認為，如果負序電流之比不超過5％時，則視系統(tǒng)仍為對稱的。前已指出，由負序電流建立的負序磁場以同步速度逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，它將以兩倍同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子上的各導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子的阻尼繞組和勵磁繞組中感應(yīng)出兩倍額定頻率的電勢。由于阻尼繞組本身是短路的，勵磁繞組也是通過直流電源構(gòu)成回路的，且都具有一定的電阻。因此在這些繞組中產(chǎn)生有兩倍額定頻率的交流電流，并因電阻而產(chǎn)生損耗和發(fā)熱，使轉(zhuǎn)子溫度升高。另外轉(zhuǎn)子鐵芯也將在此磁場作用下產(chǎn)生渦流損耗，也使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，這一切都將使勵磁繞組散熱困難。特別是汽輪發(fā)電機的整塊鍛鋼的轉(zhuǎn)子鐵芯，所產(chǎn)生的渦流和發(fā)熱更為嚴重，而汽輪發(fā)電機勵磁繞組的散熱條件又特別差，因而影響就更大，尤其要指出的是汽輪發(fā)電機都采用的是金屬槽楔，在負序磁場作用下所感應(yīng)的電勢，就會在槽楔與轉(zhuǎn)子本體以及端部護環(huán)之間形成環(huán)流。當遇到這些零件之間的接觸電阻較大時，就會產(chǎn)生局部過熱而燒壞勵磁繞組絕緣，有時局部發(fā)熱過于嚴重時還會使槽楔等部分熔化。對于凸極式同步電機,由于磁極鐵芯是由沖片疊成的,片間環(huán)流相應(yīng)較小,且兩極之間有較大的空隙可供通風(fēng)冷卻，不及汽輪發(fā)電機那樣嚴重。另外，負序旋轉(zhuǎn)磁場的作用，還將使定、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生頻率為100Hz的振動力矩，使得轉(zhuǎn)子連同繞組和機軸、定子連同繞組、鐵芯和機座等都會發(fā)生100r/s的強迫振動。這種振動對于用焊接制成的零部件特別不利。例如汽輪發(fā)電機的定子機座等在100Hz的強烈振動下其焊縫會開裂而使整個電機損壞。從另一方面說，由于阻尼繞組的存在，通過它的磁勢平衡作用，迫使阻尼繞組電流所產(chǎn)生的磁勢對負序磁勢起去磁作用，以削弱氣隙中的負序磁場，這樣就減輕了上述種種不良影響，這是阻尼繞組的又一有利之處。至于零序電流，前已說明零序磁場只有漏磁場，它穿過氣隙的磁場為0，故不會在轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢和電流，也就不會有附加損耗和附加轉(zhuǎn)矩。故對同步發(fā)電機影響不大，而且一般同步電機多采用Y接而不引出中性線，故一般也不會有零序電流。10.3同步發(fā)電機的失磁運行發(fā)電機在運行中由于某種原因失去勵磁電流，使轉(zhuǎn)子的磁場消失，叫做發(fā)電機失磁。失磁后的發(fā)電機若不從電網(wǎng)上解列，則它將進入(帶一定的有功功率，以某一轉(zhuǎn)差與電網(wǎng)保持聯(lián)系的)異常運行狀態(tài)。從提高供電可靠性的觀點上看，失磁后的汽輪發(fā)電機最好不要立即從系統(tǒng)解列，應(yīng)維持一段時間在電網(wǎng)上運行，這樣有可能尋找失去勵磁的原因及恢復(fù)勵磁。因此，無勵磁異步運行，作為一種過渡的運行方式有很大的實際意義。發(fā)電機失去勵磁的原因很多，一般在同軸勵磁系統(tǒng)中，常由于勵磁回路斷線(轉(zhuǎn)子回路斷線、勵磁機電樞回路斷線、勵磁機勵磁繞組斷線等)、自動滅磁開關(guān)誤碰或誤掉閘、磁場變阻器接頭接觸不良等而使勵磁回路開路，以及轉(zhuǎn)子回路短路和勵磁機與原動機在連接對輪處的機械脫開等等原因造成失磁。大容量發(fā)電機(125MW及以上)半導(dǎo)體靜止勵磁系統(tǒng)中，常由于晶閘管整流元件損壞、晶體管勵磁調(diào)節(jié)器故障等原因引起發(fā)電機失磁。發(fā)電機失磁以后，向電網(wǎng)送出的有功功率大為減少，轉(zhuǎn)速迅速增加，同時從電網(wǎng)中吸收大量無功功率，其數(shù)值可接近和超過額定容量，造成電網(wǎng)的電壓水平下降。當失磁發(fā)電機容量在電網(wǎng)中所占比重較大時，會引起電網(wǎng)電壓水平的嚴重下降，甚至?xí)痣娋W(wǎng)振蕩和電壓崩潰，造成大面積的停電事故，這時失磁發(fā)電機應(yīng)靠失磁保護動作或立刻從電網(wǎng)中解列，停機檢查。當失磁發(fā)電機在電網(wǎng)容量中占比重較小，電網(wǎng)可供其所需的無功而不致使電網(wǎng)電壓降得過低時，失磁發(fā)電機可不必立即從電網(wǎng)解列。無勵磁狀態(tài)下的發(fā)電機能送出多少有功功率，這與機組本身的特性和失磁后的狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)我國一些單位的試驗得知，一般轉(zhuǎn)子外冷的汽輪發(fā)電機，無勵磁運行時可帶50％～60％的額定功率；水內(nèi)冷轉(zhuǎn)子的發(fā)電機可帶40％～50％的額定功率。當失磁后，勵磁回路閉合于低阻(如勵磁繞組經(jīng)勵磁機電樞繞組閉路)比閉合于高阻(如勵磁繞組經(jīng)滅磁電阻閉路或完全開路)帶同樣有功功率時，轉(zhuǎn)差率要小。這是由于低阻時有較大的電流和力矩的緣故。轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)子損耗也小些。10.3.1失磁運行的物理過程發(fā)電機失去勵磁后，由于勵磁繞組電感較大，勵磁電流If及其產(chǎn)生的磁通將按指數(shù)規(guī)律衰減到零，如圖10-10所示。在勵磁電流If減小時，電動勢E0也隨著減小，功率極限也隨之下降，如圖10-11所示。功率角θ將增大，定子合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場間的引力減小。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子力矩平衡關(guān)系將隨著電磁力矩的下降而打破。由于原動機主力矩未變，因此轉(zhuǎn)子將獲得使其加速的過剩轉(zhuǎn)矩。圖10-10勵磁電流衰減曲線圖10-11轉(zhuǎn)矩電動勢減小后的有功功率與功率角的關(guān)系當θ角增大到90°以上，轉(zhuǎn)子就可能超出同步點而失步，進入異步運行狀態(tài)。發(fā)電機失磁進入異步運行狀態(tài)，定子繞組就向電網(wǎng)吸收無功功率，在氣隙內(nèi)產(chǎn)生磁場。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間發(fā)生相對運動，其轉(zhuǎn)差n1-n=sn1(n1為定子磁場的同步轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子失磁后的轉(zhuǎn)速，s=(n1-n)/n1，稱為轉(zhuǎn)差率)，轉(zhuǎn)子以sn1的速度切割定子旋轉(zhuǎn)磁場。于是在轉(zhuǎn)子體、轉(zhuǎn)子繞組(若閉合時)、勵磁繞組和阻尼繞組中(若有時)感應(yīng)出頻率為fs-fg(fs為系統(tǒng)頻率，fg為發(fā)電機頻率)的交變電流(也稱差頻電流)。這個電流與定子磁場相互作用，便在定子繞組中感應(yīng)出電流，形成向系統(tǒng)送出的異步有功功率。此異步功率的大小取決于異步運行的轉(zhuǎn)差率。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不會無限制地升高，因為轉(zhuǎn)速越高，異步功率產(chǎn)生的阻力矩越大。當這臺發(fā)電機的異步轉(zhuǎn)矩在一定的轉(zhuǎn)差下與原動機的拖動轉(zhuǎn)矩相等時，發(fā)電機便穩(wěn)定地運行在異步狀態(tài)。此時發(fā)電機輸出的異步功率(有功功率)則保持不變。試驗得知，大多數(shù)汽輪發(fā)電機可帶額定功率，其轉(zhuǎn)差不超過0.5％，帶60％額定功率運行30min是沒有問題的。10.3.2失磁運行各物理量的變化

失磁運行時表計的指示變化與原因分析

(1)轉(zhuǎn)子電流表的指示為零或為零后又以定子表計擺動次數(shù)的一半而擺動。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于接線不同造成的。若失磁后的轉(zhuǎn)子繞組是通過滅磁電阻或自同步電阻成閉合回路時，在定子磁場的作用下此回路將感應(yīng)出差頻電流。若轉(zhuǎn)子電流表的分流器在此回路時，直流電流表上反映的是差頻電流的變化，因表計是單相的，所以是“一起，一落”以轉(zhuǎn)差頻率擺動。如果發(fā)生失磁的原因純屬勵磁回路開路造成，則轉(zhuǎn)子電流應(yīng)為零。

(2)定子電流表的指示升高并擺動。失磁后的發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)時，既向電網(wǎng)送出有功功率，又從電網(wǎng)吸收無功功率，所以造成電流指示值的上升。擺動的原因簡單地說是由于轉(zhuǎn)子回路中有差頻脈動電流所引起的。

(3)有功功率表的指示降低并擺動。異步運行發(fā)電機的有功功率的指示平均值比失磁前略有降低，這是因為機組失磁后，轉(zhuǎn)子電流很快以指數(shù)曲線衰減到零，原來由轉(zhuǎn)子電流所建立的轉(zhuǎn)子磁場也很快消失，這樣作為原動機力矩轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩也消失了，“釋載”的轉(zhuǎn)子在原動機的作用下很快升速。這時汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)自動使汽門關(guān)小一些，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。所以在平衡點建立起來的時候，有功功率要下降一些。有功功率降低的程度和大小，與汽輪機的調(diào)速特性以及該發(fā)電機在某一轉(zhuǎn)差下所能產(chǎn)生的異步力矩的大小有關(guān)。

(4)發(fā)電機母線電壓降低并擺動。發(fā)電機失磁前是系統(tǒng)的電源，送出有功功率，也送出無功功率，失磁進入異步運行狀態(tài)時，系統(tǒng)向發(fā)電機倒送大量無功功率，發(fā)電機成了系統(tǒng)的無功負荷，母線電壓減去線路上的壓降才是發(fā)電機的輸出電壓，因此使母線電壓降低了些。擺動的原因是由于電流的擺動所引起。如果母線上還運行著其他機組，且這些機組都裝有自動電壓調(diào)節(jié)裝置，那么它們的電壓也會擺動，這是由于電流的擺動使各自動電壓調(diào)節(jié)裝置不斷調(diào)整電壓所引起。

(5)無功功率表指示負值，功率因數(shù)表指示進相。這是由于失磁后的發(fā)電機的無功，由輸出變?yōu)檩斎攵l(fā)生了反向，發(fā)電機進入定子電流超前于電壓的進相運行狀態(tài)而造成的結(jié)果。

(6)轉(zhuǎn)子電壓表指示異常。轉(zhuǎn)子電壓表的指示與具體的接線情況有關(guān)。值得注意的是失磁的瞬間，轉(zhuǎn)子繞組兩端將有過電壓產(chǎn)生。若轉(zhuǎn)子繞組失磁后閉合在滅磁電阻上，此過電壓數(shù)值與滅磁電阻的大小有關(guān)，電阻大，過電壓數(shù)值大。一般選擇滅磁電阻為轉(zhuǎn)子繞組電阻的5倍，使過電壓數(shù)值限制在2～4倍額定電壓。10.3.3失磁運行的影響失磁運行對發(fā)電機本體及對電網(wǎng)有以下影響：

(1)發(fā)電機失步，將在轉(zhuǎn)子的阻尼繞組(若有時)、轉(zhuǎn)子體表面、轉(zhuǎn)子繞組(經(jīng)滅磁電阻或勵磁機電樞繞組閉合)中產(chǎn)生差頻電流，引起附加溫升。此電流在槽楔與齒壁之間、槽楔與套箍之間、以及齒與套箍的接觸面上，都可能引起局部高溫，產(chǎn)生嚴重的過熱現(xiàn)象，危及轉(zhuǎn)子的安全。

(2)同步發(fā)電機異步運行。在定子繞組中將出現(xiàn)脈動電流，它將產(chǎn)生交變的機械力矩，使機組產(chǎn)生振動，影響發(fā)電機的安全。

(3)定子電流增大，可能使定子繞組溫度升高。

(4)發(fā)電機失磁前向系統(tǒng)送出無功功率，失磁后從系統(tǒng)吸收無功功率，這樣將造成系統(tǒng)較大的無功功率差額，使系統(tǒng)電壓水平下降，特別是失磁發(fā)電機附近的系統(tǒng)電壓將嚴重下降，威脅安全生產(chǎn)。

(5)上述無功功率差額的存在，將造成其他發(fā)電機組的過電流。失磁電機與系統(tǒng)相比，容量越大，這種過電流越嚴重。

(6)由于過電流，就有可能引起系統(tǒng)中其他發(fā)電機或元件故障發(fā)生，以致進一步導(dǎo)致系統(tǒng)電壓水平的下降，甚至使系統(tǒng)電壓崩潰而瓦解。大容量發(fā)電機的失磁對系統(tǒng)的影響很大，所以一般未經(jīng)試驗確定前，發(fā)電機不允許無勵磁運行。10.4同步發(fā)電機常見故障及處理方法

1.同步發(fā)電機運行前的檢查

(1)發(fā)電機主體零部件應(yīng)齊全完整，內(nèi)外表面清潔。

(2)經(jīng)電氣試驗