浅谈电力系统的非同步振荡

摘 要：分析了电力系统产生非同步振荡的原因，给出了处理故障的方法，可提高系统运行的稳定性，减少系统的振荡和失步。

关键词：电力系统；非同步振荡；失步

电力系统运行中的稳定问题是安全生产的重要问题，庞大的电力系统中某个或一些发电厂一旦发生事故，故必然引起广大地区的停电，造成严重的生产事故和设备损坏事故。所以我们就要分析在发生事故时静态稳定和动态稳定的情况下，同步发电机能否保持同步的问题。（1）静态稳定：在某一稳态运行时，发电机在经受某一微小得干扰，如负荷的变化和原动机调速工作点发生变化后，能否恢复到原来的运行状态，如能即认为稳定，否则为不稳定。（2）动态稳定：电力系统在正常运行状态下突然发生事故，如发电机、变压器和输电线路等发生短路故障时，系统内的发电机能保持同步运行及能经受住最严重事故冲击的系统，其动态稳定水平最高。在实际中，静态稳定极限总是高于动态稳定极限，故在电力系统是可以运行的，但不能超过静态极限运行。

1、系统发生振荡和失步过程的理论分析

当发电机与系统失去同步后，发电机的转速将大于系统转速，因而发电机机端电势相量与系统电压相量角度之间就有了相对运动，发电机功角将逐渐增大。这两者之间的相位发生周期性的变化，将导致连接两电压之间的使各点电位也随时间而发生周期性的变化。如果我们假定系统电压相量不变，因而可以将发电机相量与系统电压相量等效成发电机相量围绕系统电压相量旋转，但不是匀速旋转，时快时慢。因而联解网络中各点电压向量的端点将分别在各圆周上运动。它们的大小将不断地波动。同时，连接网络中的电流也随发电机功角的变化而变化。当发电机电势与系统电势方向相反时，网络中各点电压都降至最低，连接网络中的电流最大。由于电压从正值一直变化到负值，在连接网络中的某些点电压将下降为零，就如同在该点出现瞬时性三相短路，我们将这一点称为振荡中心。很明显，在振荡过程中，振荡中心的电压周期性的为零，相当于周期性的在振荡中心处出现三相短路。如果振荡中心出现在输电线路上，由于系统电压和发电机电势幅值上一般不会完全相等，振荡中心处的电压不会完全为零，但仍会损失部分负荷，对系统的影响不是很大。如果由于网络结构较强，系统振荡时振荡中心可能靠近发电机机端甚至是发电机内部，发电机机端三相故障对发电机来说是一个非常严重的故障。因此，在系统振荡时，必须严格区分振荡中心的位置，以便发电机保护做出最合适的对策。

当系统发生振荡时，并不是所有振荡都将导致系统失步并最后导致系统解列。由于系统阻尼的存在，对于一般不严重的系统振荡在系统阻尼的作用下可能经过几个周波的振荡后最终自行平息。因此一般可以将振荡分为两种类型。一种是由于振荡中阻尼的存在，振荡能量慢慢被消耗，振幅越来越小，逐渐衰减，在经过一定的往返振荡后，发电机转子处于新的平衡位置，进入了新的稳定持续运行状态，这种振荡称为稳定振荡。另一种功率角不断增大，在其振荡过程中振幅越来越大，发电机转子被拖出同步转速，而无法进入新的稳定持续运行状态，称为不稳定振荡。

2、电力系统产生非同步振荡的原因

（1）电力系统暂态稳定破坏引起非同步振荡。当系统中的振荡过程自己不能拉入同步时，表计摆动幅度越来越大，振荡越来严重，此时系统进入非同步振荡。全系统的电流、电压、功率以及频率表计都在摆动，只是摆动的幅度和大小不同。发电机的转子在脉动力矩的作用下产生有节奏的鸣音。

（2）电力系统的静态稳定遭到破坏，处于正常稳态运行的电力系统时时刻刻会受到随机性的干扰，如接入或切除不大的负荷，系统接线的切换，线路摆动，气温和气压变化引起的系统参数变化等等。所受到的干扰可以是瞬时性的，也可以是永久性的。

（3）发电机失磁引起系统非同步振荡。失磁后的发电机将要进入异步运行状态，并要从系统中吸取大量无功功率，使得系统电压下降，可能引起系统振荡，威胁到系统的稳定运行。

（4）电源间非同步合闸未能拖入同步，大容量机组故障跳闸，使系统等阻值阻抗增加，并使电压下降造成联络稳定极限下降，引起系统的非同步振荡也是比较常见的。

综上所述，尽管引发系统振荡的原因多种多样，但是结果都是表现为一台或几台发电机的功角相对其他发电机的功角发生周期性的摆动，系统振荡对发电机会导致巨大的危害，我们必须深刻认识振荡过程，采取一切措施平息振荡。

3、系统发生振荡和失步的现象

（1）定子电流表的指针向两侧剧烈摆动，电流超过正常值的情况。这是因为发电机电势间的夹角发生了变化，出现电势差，在此作用下造成定子电流表的指针来回摆动，而这个电流值就超过正常值。

（2）发电机电压表和其他母线电压表的指针剧烈摆动，且经常是降低。在两个振荡部分间的各点电压，包括发电厂的主母线及发电机母线的电压，都与振荡部分发电机电势间的夹角有关。夹角变化，电压就摆动，其它各点电压比正常低。

（3）有功电力表的指针在全刻摆动。这是因为发电机在未失步时的振荡过程中，向系统送出有功功率的缘故。

（4）转子电流表的指针在正常值附近摆动。这是因为发电机在振荡和失步时，定子磁场和转子磁场之间有相对速度的缘故，这样转子的铁芯表面和绕组等处感应出交流电，她随着定子电流的波动而波动，并在转子入组中叠加在原来的励磁电流上，使转子电流表的指针在正常值附近摆动。

（5）失去同步的发电厂间联络线的输送功率往返摆动，有时送出有功功率或吸收无功功率，送电端部分系统的周波升高，受电端则降低，并略有摆动。

4、发电机振荡或失步的危害

正常运行时，电力系统中各台发电机都处于稳定状态，当系统发生某些重大事故（例如稳定破坏、非同期合闸而拖入同步等），就会破坏发电机的稳定运行，使发电机产生振荡。如果事故的情况不严重，则发电机的电流、电压和负荷经过短时间的波动之后，就会恢复到平衡状态，继续稳定运行。如果事故严重，就可能使发电机产生强烈的振荡，使发电机与系统失去同步，万一处理不当或保护拒动将导致大面积停电以致整个系统瓦解，其后果是极其严重的。

5、系统发生振荡和失步的处理

当发生振荡或失步时，应迅速判断是否由于本厂范围内在执行重大操作过程中发生了误操作，同时，观察是否某台发电机发生了失磁。如本厂情况正常，则应了解是否发生了系统故障，以判断发生振荡或失步的原因。

由于电力系统的逐步完善，采取了很多提高稳定性的措施，例如采用多回线环网运行，装设了先进的快速自动调节励磁装置；使用快速继电保护等。一般情况下，即使发生了波动，也能在很短的时间内自动恢复正常，有时可能振荡数秒钟，也能自动恢复。

5.1 人工再同步

（1）人为调整，使失去同步的系统各部分间频率相等，即频率降低部分的系统发电厂增加有功功率，升高频率，必要时切除部分负荷，把电压提高到最大值；频率升高的部分应降低有功功率，以降低频率（不应低于48~49HZ，否则自动低频装置动作）。

（2）将频率升高的送端系统中部分机组解列，并入频率降低的受端系统中去（即频率最低可降至49.5，若继续下降则按事故拉闸顺序拉闸，使频率升至49.5以上）。

（3）按值班调度员命令，启动若干备用机组并入到频率降低的受端系统中去。

（4）增加各台发电机的励磁。使励磁电流达到最大值，以帮助恢复同步。

5.2 系统解列法

在经上述处理方法无效时，系统值班员应在事先规定的适当地点将非同期的两部分系统解列运行，以免发电机因持续过电流而损坏。其解列地点的选择原则如下：

在易于振荡的系统部分之间潮流分界点上，或者在交功率最小处。

应使解列后的系统容量足够大，因为大容量系统抗干扰能力强。故在系统间设置小量的解列点，但发电机出口主断路器不能作为解列点。

选择操作方便、通信方便，远动技术先进的处所。

按以上分析处理电力系统产生非同步振荡的原因及处理故障的方法，可提高系统运行的稳定性，减少系统的振荡和失步。

作者简介：

孙卉（1984-），女，本科，从事电气工程及自动化专业实验教学工作。