水利发电机失磁判据及措施分析

廖铁坚

摘 要：水力发电机在运转过程中，主要是依靠物理学中的电磁感应原理使系统中的机械能转化为电能，而一旦电磁场出现失磁现象，就会使发电系统失衡，进而对整个发电机组造成危害，因此，在发电机出现失磁现象后对其进行正确的失磁故障判定进而有效排除失磁问题是保证水力发电机组正常运行的前提条件。文章对于发电机失磁现象产生的原因以及解决方法做出了系统分析，旨在最大限度的降低失磁现象对发电机正常运行的干扰，提高水力发电机的发电效能。

关键词：励磁系统；处理原则；失磁保护判据

水力发电机能够将机械能转化为电能主要是通过内部电磁场发挥作用，而保证磁场处于良好的运行状态需要通过励磁系统正常发挥其功能才能够得以实现，在励磁系统中如果电流供应出现异常情况，将会导致磁场失磁现象的发生，进而使发电机系统无法正常运转，大量无用功和有用功瞬间叠加，系统内部的电压也会迅速下降，发电系统会出现因电压不足而发生断电问题，致使发电机组无法正常运转。解决上述问题的方法就是通过对系统采取励磁系统保护措施来保障励磁系统在运行过程中不受其他因素的干扰。

1 失磁现象的作用机理和引发的不良后果

发电机的正常运转需要电磁场中转子运动所发出的电流来保持磁场系统的稳定性，当转子运行异常无法满足磁场电流供应条件时，励磁系统就会因电流的减弱或突然消失而出现故障，引发水力发电机失磁现象。发电机在处于励磁系统失磁的状况下，通过发电机的电流会突然减弱，而其与磁场中电流的变化不同步，使得转子突然加速，产生电流激增现象，系统的电流保护系统会由于电流的突然增大而瞬间切断系统保护装置，而与此同时，由于水力发电机进入异常运转状态，会同时输送大量的无用功和有用功，使得系统整体的电压快速下降，随着无用功功率的逐渐增加，其与有用功之间的差额也逐渐增大，进而有可能引发由于电压下降而出现发电机系统断电现象，切断了系统的正常运行状态。

一旦发电机出现失磁现象，就会对整个水力发电机组运行的环境造成破坏，对其功能造成不良的影响，更为严重的是，失磁现象还有可能中断整个电力系统的电力供应，导致整个电力系统的瘫痪。

首先，发电机出现失磁现象后，其运转速度会在一定时间之内陡增，进而使磁场内部的电流增加，产生额外的系统电能损耗，同时还会散发出大量的热量，加剧了发电机内部结构的耗损。其次，失磁现象发生后，整个发电机系统的轴距的电磁场中的转矩会出现严重的失衡现象，定子和转子的位置会发生一定程度的偏移，导致机组功率发生明显的变化，对发电机运行的安全运行构成了威胁。再次，失磁现象发生时，发电机组内部会瞬时出现电压增加的情况，一旦这种情况持续一段时间，则会对发电机内部结构和部件造成部分或全部损毁，使其失去了原有的功效，因此，要尽量避免这种问题的出现。

失磁现象对于整个电力系统的影响主要表现为发电机产生的大量的无用功率被电力系统吸收，使得整个系统的电压大幅降低，一旦电压值降至维持系统正常运转的范围值之外，就会使整个电力系统停摆，严重者会对电力系统的组带来致命性损伤。而同时如果电力系统本身吸收功率的负荷量有限，也会造成系统功能的破坏。

2 水利发电机失磁保护判据

鉴于上述失磁现象对整个发电机组和电力系统带来的不利影响，在水力发电机组中加设失磁保护装置是十分有必要的。对失磁保护方法的探究主要要根据失磁保护判据来加以确定。从不同的角度来看，失磁判据的确定主要可以分成定子判据，转子判据和三项功率判据这三种方法，无论选择哪一种判据方法，都要综合其他判定方法才能实现最佳失磁保护效果。

2.1 定子侧阻抗判据

定子阻抗判据有静稳边界阻抗判据和异步边界阻抗判据2种。静稳边界阻抗判据是根据水利发电机失去静稳时机端阻抗的变化轨迹而设立的，异步边界阻抗判据是根据水利发电机失磁后转入稳定异步运行时机端阻抗的变化轨迹而设立的，动作时间比较晚。静稳边界阻抗判据异步边界阻抗判据动作区域都为圆。

2.2 转子电压判据

转子低电压判据也是根据水利发电机的静稳边界而设计的，包括等励磁电压判据和变励磁电压判据。等励磁电压判据动作电压值为定值，一般为额定空载励磁电压的80%。变励磁电压判据的动作电压值随水利发电机输出的有功功率变化而改变。

2.3 三相同时低压判据与过功率判据

三相同时低压判据分为主变高压侧三相低压判据和机端三相低压判据。主变高压侧三相低压判据防止水利发电机失磁故障造成高压母线电压的严重下降，导致系统稳定性破坏，动作电压取为母线额定电压的80～85%。机端三相防止水利发电机失磁故障造成电厂辅机不能正常工作，动作电压一般取为水利发电机额定电压的80%。低电压保护是阻抗Ⅰ，Ⅱ段的补充。当在xs很大且送出的有功很大的情况下失磁时，阻抗Ⅰ，Ⅱ段可能动作缓慢，甚至拒动，低电压保护则可以快速动作。为防止振荡和外部故障时误动，低电压保护要带较长延时动作。

3 水利发电机失磁处理原则

对于不允许无励磁运行的水利发电机应立即从电网解列，以免损坏设备或造成系统事故。

对于允许无励磁运行的水利发电机应按无励磁运行规定执行以下操作：迅速降低有功功率到允许值，此时定子电流将在额定电流左右摆动。手动断开灭磁开关，退出自动电压调节装置和水利发电机强行励磁装置。注意其他正常运行的水利发电机定子电流和无功功率值是否超出规定，必要时按水利发电机允许过负荷规定执行。对励磁系统进行迅速而细致的检查，如属工作励磁机的问题，应迅速启动备用励磁几恢复励磁。注意厂用分支电压水平，必要时可倒至备用电源接带。在规定无励磁运行的时间内，仍不能使机组恢复励磁，则应将水利发电机自系统解列。

4 处理

失磁保护动作后经自动切换励磁方式、减有功负荷无效而作用于跳闸时，按事故停机处理；若失磁是由于灭磁开关误跳闸引起，应立即重合灭磁开关，重合不成功则马上将水利发电机解列停机；若失磁是因为励磁调节器AVR故障，应立即将AVR由工作通道切至备用通道，自动方式故障则切换至手动方式运行；水利发电机失磁后而水利發电机未跳闸，应在1.5min内将有功负荷减至120MW，失磁后允许运行时间为15min；若失磁引起水利发电机振荡，应立即将水利发电机解列停机，待励磁恢复后重新并网。