发电机失磁故障的判断及处理

刘斌　张俊超

【摘 要】发电机失磁对发电机和电力系统有很大的影响，使发电机失步进入异步运行状态，系统电压降低甚至崩溃。失磁保护判据能迅速判断故障，正确动作，保证机组和系统安全稳定运行。

【关键词】失磁；异步；判据

引言：随着单台机组容量越来越大，一台机组出现电气故障如果不能快速处理，保护不能正确动作，很可能拖垮局域电网。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机和整个电力系统的安全稳定运行有着重要的影响。统计表明，60%以上的发电机故障为励磁系统故障，失磁是其中非常严重的一种电气故障。

失磁分为部分失磁和全部失磁两种情况，绝大多数情况下属于部分失磁，人为原因和设备原因都可能导致机组部分失磁。发电机组在正常运行情况下，即发有功功率，也发无功功率。由于有功电流磁场的交轴电枢反应，定子电流对转子磁场有很大的削弱，转子电流产生的磁场有很大一部分被抵消。当发电机励磁系统出现某些故障时，励磁电流快速下降，与失磁保护配套的低励限制动作，如果动作成功，励磁电流电压被限制在低励状态，发电机部分失磁，从系统吸收少量无功，发电机失步，进入异步发电机状态。如果低励限制不动作或者动作不成功，励磁电流直接降低到零或者接近于零，发电机将完全失磁，从系统吸收大量无功，进入深度异步运行状态。发电机异步运行时，定子电流升高，转子出现转速差，转子表面感应出差频电流，引起转子的额外发热，异步运行越深，转差越大，发热越明显。异步运行同时引起机组振动增大，发电机各部漏磁增加，温度升高。发电机失磁，从系统吸收大量的无功功率，对电力系统有很大的影响。由于无功功率是分层分区就地平衡，一台机组失磁，首先附近并网运行的机组无功输出增加，电流增大，可能导致定转子的过负荷；如果局部电网无功储备不足，将直接导致电压下降，甚至局域电压崩溃。由此可见，失磁故障对发电机和整个电力系统有着巨大的破坏性。

失磁保护作为发电机主保护，必须在第一时间判断失磁故障正确，做出正确的动作方式，才能确保机组和电力系统的安全稳定运行。目前失磁保护的配置方案很多，不下于几十种，都是基于常见的失磁判据进行逻辑组合和闭锁方式选择，根据机组特性和电网特点进行定值整定，调试出最适合自己的一套保护参数。

失磁保护的主要判据有：

（1）逆无功判据。发电机失磁最直观的表现之一就是无功进相。通过设定无功反向定值可以正确的判断出失磁故障，无功反向定值一般为额定无功功率的10%。

（2）转子低电压判据。目前的微机保护多采用变励磁电压（通常定值为空载励磁电压的K倍，K为小于1的常数），即发电机带一定的有功功率情况下，根据静稳定极限所需的最低励磁电压来判断是否已失磁。正常运行情况下（包括进相运行），励磁电压不会低于空载励磁电压，所以判据很灵敏，但是整定不当也容易误动。

（3）测量阻抗的定子判据。反映发电机机端的感受阻抗，当感受阻抗落入阻抗圆内时，保护动作。失磁保护的阻抗圆常见有两种，静稳边界圆和异步圆。发电机低励、失磁后总是先通过静稳边界，然后进入异步运行，因此静稳边界圆比异步圆灵敏。如果DEH具有快速减负荷能力，一般采用静稳边界圆，如果机组把异步运行作为正常运行方式，失磁直接动作于跳闸，一般选择异步圆，阻抗判据受机端PT断线闭锁。

（4）机端低电压判据。当失磁导致机端电压低（定值一般为70%额定电压），对厂用电构成威胁时，保护动作于短延时报警，长延时切换厂用电，保证厂用设备安全运行。

（5）系统低电压判据。反映系统三相同时低电压（定值一般为85%额定电压）。本判据主要用来防止由发电机失磁故障引发系统无功储备不足，导致系统电压崩溃。这种判据在系统容量小，电厂与系统联络薄弱，无功不足的情况下能可靠动作。

逆无功判据和转子低电压判据为基础判据，为其他判据成立的闭锁条件，通过以上各种判据的逻辑组合，基本能满足各种情况的失磁故障需要。

根据失磁后发电机及电力系统的运行情况，失磁保护有特定的动作方式应对失磁故障。首先，失磁动作于减负荷（有功定值一般为40%），通过降低发电机的有功出力，减少交轴电枢反应对转子磁场的削弱，配合低励限制，部分失磁后进入异步运行的机组会重新拉入同步，完全失磁的机组也会降低异步运行深度，有利于机组的安全运行。减出力后如果失磁基础判据依然成立，但是定子阻抗判据及机端低电压和系统低电压判据不成立，值班人员应该手动切换调整励磁，进行失磁故障处理，发电机失磁运行时间一般不超过15-30min，如果故障仍然消除不了，解列停机处理；定子阻抗判据及机端低电压和系统低电压判据成立，保护动作，按照事故跳闸处理原则处理。

在机组的实际运行中，失磁情况有很多，处理方法也不尽相同，下面简单列举几个实际失磁故障，供大家参考研究。

2014年某330MW机组无功功率由134Mvar突降至-73Mvar，有功功率由316MW降至306MW，定子电压由21.51KV降至19.32KV，励磁电压由286V降至-4.4V，励磁电流由1410A降至972A，低励限制动作。这是典型的部分失磁故障，由于当时减负荷压板未投入，没有突降有功负荷，值班人员手动迅速增磁，快速增加无功功率，恢复正常。此后这台机组又先后出现过两次类似的事故。经过多次故障分析，最后确认故障为励磁调节器A套（主）板件出现问题导致，更换后再未出现类似事故。

2016年某330MW机组无功功率由148Mvar突降至-56Mvar，有功功率308MW基本不变，定子电压由21.89KV降至19.78KV，励磁电压由297V降至162V，励磁电流由1430A降至1060A，低励限制动作。由于当时减负荷压板未投入，没有突降有功负荷，值班人员退出AVC自动，手动增磁无效，励磁调节器就地增磁成功，无功恢复正常。故障分析查找最后确认为热工DCS减磁继电器粘连导致减磁指令一直发出，更换后正常。

2016年某150MW机组脱硝环保改造后启动并网，有功功率50MW，无功功率31 Mvar，准备做超速试验。无功功率由31Mvar突降至-113Mvar，有功功率50MW基本不变，定子电压由13.73KV降至12.07KV，励磁电压由118V升至350V，励磁电流由962A降至-2A，欠励信号发出，运行值班人员切换调整无效。9分钟后，无功功率突增至239Mvar，励磁电流显示到达上限3000A，发电机出口电压升至16.08KV，转子一点接地、过激励信号发出，滑环着火，停机3天处理好。此次事故为人为原因，电气试验人员误将励磁碳刷全部拆除导致完全失磁，在较高励磁电压下恢复碳刷，导致电弧灼伤滑环接地着火。

以上几个事故都是失磁的相关故障，故障象征有共同点，但是也有很多的不同，尤其故障原因和故障处理过程更是差别很大，由此可以看出失磁故障的复杂性和多样性。作为一线的运行值班人员，我们不能只是套搬规程和事故案例，要依据失磁的原理，结合实际故障象征，根据运行参数变化，这样才能正确判断处理好失磁故障。

【参考文献】

[1]彭丰.发电机失磁保护的动作分析和整定计算的研究.2000，7.

[2]王维俭.电气主设备继电保护与应用.1996.

[责任编辑：李书培]