汽轮发电机失磁异步运行及其涡流损耗分析

佟宇嘉

摘 要：随着我国经济的快速向前发展，人们的生活质量得到了显著的提高，相应的需求也在不断的增加，电力需求就是其中之一。人们生活以及生产中都离不开电能，电的应用让人们的生活变得更加丰富多彩，同时也能进一步的提高生产的效率以及质量，所以近年来，人们对于供电的质量也提出了更高的要求。但是电网在实际的运行过程中，其稳定性偶尔也会受到影响，而这就与许多因素有关，汽轮发电机的失磁故障在一定程度就会对电网的运行产生严重危害，因为发电机是电力系统中的重要组成部分，其性能对于用电的质量会产生一定的影响。因此，针对汽轮发电机失磁异步运行以及涡流损耗问题就值得人们进行深入的分析。

关键词：汽轮发电机；失磁异步运行；涡流损耗

针对汽轮发电机失磁异步运行以及涡流损耗的问题是有必要进行深入分析的。因为这关系着汽轮发电机能够发挥其关键的作用，同时对于供电的质量以及安全也具有重要的影响。只有加强汽轮发电机失磁异步运行以及涡流损耗的研究，才能找出问题所在，进而了解其运行的原理，为发电机的后续维护提供可参考性的意见或者建议，这具有重要的意义。因此，这就要求有关人员能够重视汽轮发电机失磁异步运行以其涡流损耗的问题，在了解其原理的同时，还能利用先关软件进行科学的分析，以采取有效的措施，提高其整体性能，降低失磁故障发生的几率，从而保证发电机与电网的安全稳定运行，更好的满足人们的用电需求。

1 汽轮发电机失磁故障分析

众所周知，发电机在电力系统中扮演着至关重要的角色，能够在电力系统中进行机电能量的转化，从而进行发电，满足人们的用电需求，所以，实际上发电机是电力系统的源泉所在。而如果发电机出现问题，那么无疑，其影响必然是巨大的，这就不利于电力系统的正常运行，甚至还会产生安全事故，这不是人们所愿意看到的。由此可见，发电机故障所带来的影响是巨大的。而励磁系统作为发电机中的重要部分，它也具有着一些功能，甚至对于发电机运行的特性还会具有比较直接的影响，而故障问题的发生在很大程度上也于此有关。就目前来看，近几年，我國汽轮发电机的容量以及产量也在日益的增加，而且励磁环节也是愈加的复杂，其发电机的失磁故障率也越来越高，这就在一定程度上对于发电机以及电网的运行造成了很大的危害，影响并联运行发电机组间的正常运行。所以，本文就利用派克变换原理，基于Matlab/Simulink工具搭建了单机无穷大系统，对发电机失磁的动态特性进行仿真研究，再结合AnsoftMaxwell软件研究失磁过程中转子涡流损耗。

2 失磁异步运行的原理

失磁异步运行是值得人们进行深入探究的，而这与其运行的原理有很大的关系，这就要求有关人员能够对其原理进行详细的掌握和分析。实际上，在发电机失磁后，其电压就会有所下降，电磁的功率也会有所减小，基于原来机械的惯性作用，在转子上就会容易出现剩余的转矩，从而使得发电机转子进行加速的旋转，甚至能够逐渐的超过同步的转速，继而运行。所以，由于发电机定子与转子之间存在相对的运动，也就会造成滑差的产生。

而在这个过程中，将会产生转差频率的交流的电流，而这些电流也会在很大程度上推动具有制动性质的异步转矩的诞生，所以，发电机就能进行稳定的输送有功功率，从而保证电力系统的良好运行。而随着转速的越来越快，滑差也有所加大，这时异步转矩也会增加，最终会达到一种平衡的状态，从而使得汽轮发电机能够稳态的进行异步运行。

3 暂态系统模型的建立

3.1 仿真图形的建立

发电机组采用的数学模型是单机无穷大系统，基于MATLAB/Simulink 仿真平台，以模块化建模的方法，搭建系统仿真模型。本仿真研究的是汽轮发电机从正常稳态运行到突然发生失磁故障进而异步运行的暂态过程。设仿真失磁故障类型为励磁机直接短路失磁，仿真时用阶跃信号来模拟励磁电压的变化，即为故障信号量。仿真时分别通过示波器采集发电机的励磁电压、励磁电流、定子电流幅值、转子转速、有功功率和无功功率的波形。

3.2 发电机参数设定

本文以一台125MW，额定电压为13.8kV，功率因数为0.9，极对数为1 的汽轮发电机为样机，分析其发生失磁动态过程，及转子涡流损耗分析。

3.3 波形分析

失磁初始阶段，定转子之间的励磁磁场减弱，致使定子电流开始降低。随着功角δ的逐渐增大，发电机进入异步运行，将逐渐从系统吸收大量无功功率建立定转子之间的磁场，从而使此时发电机定子电流幅值较失磁前明显增大。定子电流的增加使其热超过稳定效应上限值，将导致定子绕组发热，破坏绕组间的绝缘，而使发电机定子绕组被损坏。

失磁后，励磁电压降低，由于初始阶段发电机的功角δ变化很微小，使电磁功率降低；随着功角δ的增大，sinδ的增大可以弥补机端电压Ut的降低，使发电机的有功功率发生微小波动，此过程称之为“等有功过程”。随着转子转速的逐渐增大，功角δ增大至静态稳定角，此时随着δ的增大，sinδ 减小，致使发电机的有功功率降低，但由于滑差电势的作用，发电机由于异步转矩的作用仍向系统输送能量而不会从电网吸收功率。

从失磁故障开始阶段，发电机的无功功率将逐渐降低并反向。但是随着异步过程的进行，发电机将不断从电网中吸收大量的无功功率，建立定转子之间联系的磁场。从而导致发电机机端电压和电网电压降低，系统潮流分布不均匀，电网的稳定性将被破坏。

失磁初期，由于原动机的机械惯性作用，发电机转子转速将在原有转速基础上发生微小波动。随着电磁转矩的逐渐减小，而原动机的机械转矩不变，将在转子上出现剩余转矩，于是转子加速。最终，发电机转子在原动机的调节作用下趋于一种稳定，此时发电机进入稳定异步运行阶段。

4 涡流耗损

发电机失磁时，转子上出现剩余转矩，促使发电机转子加速旋转，随着时间的推移，定转子之间转速差超过发电机本身的调节能力，使发电机进入一步运行状态，而在转子上出现转差电流，进而产生涡流。在发生失磁故障时，转子的涡流损耗都比较集中于外表面上，而在大齿侧的损耗是最为严重的，发热也较为严重，这就需要人们能够加以重视，在失磁时，能够采取降负荷的措施，来提高整体汽轮发电机的性能。

5 结束语

随着时代的不断向前发展，人们的生活方式以及工作方式发生了很大的改变，各个行业都获得了较大的发展，我国的电力行业也同样取得了一定的进步，但是同时也面临着一些问题，这些问题的出现极不利于电网的稳定运行，对于人们的生活以及工作都会产生重要的影响。而汽轮发电机的失磁故障就是其关键问题之一，这就要求有关人员能够针对失磁异步运行以及涡流损耗的变化等进行深入的分析，懂得利用先进的仿真软件来进行研究，从而有助于工作人员能够在失磁的过程中，还能有效的保证发电机的稳定性，以方便维护人员有充足的时间找寻故障，加以排除，以进一步的保证供电的质量与安全，促进我国电力事业的良好发展。

参考文献

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