浅析300MW汽轮机发电失磁故障及处理

1浅析300MW汽轮机发电失磁故障及处理生产运营部崔志强前言汽轮发电机的激磁系统是机组运行中较为薄弱的环节，发电机失磁故障占机组故障比例也较大。所谓汽轮发电机的失磁运行，系指发电机正常运行时，可能由于励磁开关误跳，励磁机或半导体励磁系统放生故障，转子回路开路及断路等原因，使发电机全部或部分失去励磁，但仍供给一定的有功功率，并以低转差率的异步运行状态与电网继续并列运行的一种特殊运行方式。这对电网及机组本身都有一定的不良影响。但由于300MW发电机失磁运行还能继续向电网供给大量的有功，因此，在失磁后，系统电压降低值在允许范围内，又无损坏发电机的情况下，则不必匆忙将发电机与系统解裂，以争取一定的时间来排除失磁的原因，恢复激磁，保证机组正常运行。所以，电气值班员对发电机失磁故障必须事先有一定的思想准备：明确掌握发电机失磁后的失步过程、异步运行、恢复励磁后再同步过程以及发电机失磁后观察到的现象、失磁时的处理，做到心中有数。及时、准确地分析和处理失磁故障，这对于确保机组供电的可靠性和系统得稳定性具有重要的意义。对失磁运行的研究，是发电机运行中予以重视的问题。1发电机失磁后的失步过程汽轮发电机正常运行时，原动机的输入机械转规和轴上摩擦转矩，电磁制动力规处于平衡状态，转子以同步速度旋转，这时送出的电磁功率为：Pe＝m·Eo·U／Xt·sinδ,在QFSN－300－2型齐鲁发电机中：相数m为3，在与无穷大电网并联的情况下：U为发电机端电压20KV，且当电机不饱和同步电抗Xt为1.836；又维持发电机激磁电流不变即发电机空载电势Eo为常数时，Pe随功率角δ按正弦规律变化。因励磁系统故障，当刚刚失去励磁时，转子励磁产生的磁通则按指数规律逐渐下降直至衰减到零。同时，由励磁通在定子绕组中感应得电势也按同一指数规律衰减。随着定子绕组电势的减小，发电机的电磁功率Pe也相应减小，致使电机轴上出现原动机转矩大于制动力矩的不平衡情况。电机轴上过剩的转矩，将驱动转子2加速，使Eo(t)与U之间的夹角δ增大，一会忽发电机的电磁功率与原动机输入功率的暂时平衡，在忽略损耗时，可得（图1）点2的平衡点。这种状态继续下去当励磁电流减小到某个值时，δ角增大到大于静稳定极限角度（δ90°），（图1）点3的位置。发电机轴上的过剩转矩，使发电机运行超出了态稳定的极限点，终于使转子失去同步。2发电机的异步运行发电机失步转子超过同步转速运行时，转子的转数N与定子旋转磁场的同步转速N0之间有个差值，称为滑差。滑差与定子旋转磁场的同步转速N。之比的百分数称为转差率S0当转子转数N高于同步转数N0时，转差率S0时，发电机进入转差率为负值的异步运行状态。此状态下，定子绕组中继续流过三相对称电流，该电流所产生的旋转磁场其旋转速度由系统频率决定，仍为同步速度。因此，转子以滑差S的速度被定子旋转磁场切割，于是在转子励磁绕组、阻尼绕组及转子齿、槽楔中分别感应出滑差频率的电势和电流，发电机在异步运行状态，其电磁转矩就是这些电流相互作用的结果。发电机失磁后，转子转速高于同步转速，在励磁绕组中感应的滑差频率（St）电流产生单相脉动磁场，可看作是相对于转子旋转方向正向和反向旋转的磁场之和。这两个旋转磁场切割定子绕组并在其中产生感应电流，和定子旋转磁3场相互作用将产生电磁转矩。在合成磁场中，载流导体受到电磁力与转子本省受到的力相反。转子本身的受力方向对旋转的转子来说，起制动作用。原动机克服此制动作用所做的功变成了电功率。即原动机输入机械功率，借此电磁感应作用转换成电磁功率，并把由功功率送向电网。由于这种制动转矩，只有出现转差时方能产生，且其大小在一定范围内与转差S成正比，当S=0时，此转矩为零，故称称此为异步制动转矩。转子阻尼绕组中也可用上述相同的方法进行分析。在300MW汽轮发电机中，由于其结构性质使转差从零增加很小即能产生相当大的制动转矩。而随着转差的增加，电机转子呈现很强的趋表效应，这使等值电路中电阻增大而电位减小，从而建立起良好的异步转矩特性，如图2所示：在一定范围内，转数越高，异步转矩越大。因此，发电机失磁随着转子转速增高，引起汽轮机调速器动作，使进气量减少，原动机输入转矩减少，如图2曲线2。所以异步运行的发电机转速不会无限升高，当异步转矩与原动机转矩平衡时，就会出现新的平衡状态，此时，转速不会在升高，发电机在一定滑差下维持稳定运行，图2中A1点称稳定异步运行点。对应稳定运行的滑差只有0.3%~0.5%，这是调速汽门关闭幅度很大，但输出的有功功率仍可很高。43发电机恢复励磁后再同步过程处于异步状态运行的发电机，当恢复直流励磁后，发电机由异步运行状态转入同步运行状态的过程称为再同步。发电机转子被拉入同步的过程，可以清楚地从工作用在转子上的转矩的变化看出。3.1机械转矩：它包括原动机转矩和摩擦转矩。原动机转矩是维持转子转动的主动转矩，其所对应的有功功率为原动机输出功率Pm；而摩擦转矩是阻止转子转动的阻力矩。3.2异步转矩：恒定的异步转矩是由定子旋转磁场与转子反向旋转磁场相互作用产生的。它是趋向使转子接近同步转速的转矩。即当转子转速高于同步速时，他帮助转子升速。但是它永远也不把转子拖入同步，因为只有存在滑差S时才产生异步转矩，S接近于零，异步转矩也趋近于零了。3.3同步转矩：当励磁恢复后，直流励磁按指数规律有零增加到稳定值，并建立相应的转子恒定磁场，该磁场与定子磁场间相互作用产生同步转矩，同步转矩对发电机最后拖入同步起主要作用。隐极同步发电机的功率和转矩表达式为：Pe=EQUcsin（δ0－st）（1－e-t/zF）/Xd(s)、Te＝Pe／（１＋ｓ）式中：Uc为发电机端电压；EQ为发电机内电势，随IF增加而指数规律上升；Xd(s)为发电机纵轴电抗，为滑差S的函数；δ0为t=0时刻的功率角，δ为EQU之间的夹角，δ=δ0+st，ZF为转子回路时间常数。从上式看出，同步转矩是以滑差率作为正弦脉动的，在同步转矩为争的半周内，发电机转子加速，而另一半周内转子将被同步转矩作用而减速，于是同步发电机转子转速也将围绕平均滑差Ser而脉动。脉动的幅度与同步转矩幅值EQUC/Xd（s）成正比，因而EQ增大时，滑差脉动分量Sz幅值也将增大，其合成滑差为S=Ser+S2。当Smin=0时，发电机又出现正常运行状态。如图3所示A点。从图3可看出，为了实现再同步应做到（１）同步电磁转矩要足够大，以保证S2分量幅值达，从而可看出现Smin=0的同步运行点。（2）失磁运行的发电机平均滑差Ser应较小。为此在恢复励磁前，应减小发电机的有功输出，以保证尽快恢复同步。54失磁后观察到的现象发电机因某一原因失磁后进入异步运行状态与失磁前的同步运行状态有许多不同之处。这从发电机失磁时的电磁过程可以看出：（１）转子电流表指示等于零或接近于零。当发电机失去励磁后，转子电流迅速地依指数规律衰减，其减小的程度与失磁原因，剩磁大小有关，当励磁回路开路时，转子电流表指示零。（２）定子电流表指示升高并有摆动。定值电流显著升高的原因是由于失磁后既送有功，又要从电网中吸收大量的无功用来激磁所致；摆动的原因是由于转子中有单相交流、电流，产生脉动磁场。正向的旋转磁场在定子绕组中感应与定子频率不等的交流电流，它与定子电流迭加在一起，使定子电流摆动且幅值明显增大。另外，由于电机直轴与交轴磁路不对称也会摆动。（3）有功功率表指示减小并摆动。由于失磁后，转速升高，调速汽门自动关小，原动机的输入功率减小所致；其摆动的原因与定子电流表摆动的原因类似。（4）无功功率表指示负值，功率因数表指示进相。发电机失磁进入异步运行后，一方面向系统输送有功功率；另一方面向系统吸收大量的无功功率，其值约为（0.7~0.8）PeN，所以无功功率表指示负值，功率因数表指示进相。6（5）机端电压显著下降，且随定子电流摆动。由于定子电流增大，线路压降增大，导致机端电压下降，危及厂用负荷安全稳定运行。机端电压并随定子电流的摆动而摆动。严重施，会使系统电压大幅度降低。（6）定子端部铁芯过热。因发电机进相运行，定子端部漏磁和转子端部漏磁相位的变化，使合成漏磁增大。此合成漏磁以同步速旋转，在定子端部结构部件中引起涡流发热，最严重的部位端部的压指、压板及边段铁芯。（7）转子各部温度升高。发电机异步运行时，励磁绕组、阻尼以及转子本体都感应出滑差频率S的电流，从而产生附加损耗，致使转子各部温度升高。5发电机失磁的处理铁岭发电厂300MW机组的励磁系统由两套电源系统供电，如图4所示。由于此类型机组同步电抗较大调速器也比较灵敏，所以失磁后功率不平衡时调速器很快起作用（关小调速汽门）。在转差率S为0.1~0.5%时，就能使发电机的输入、输出功率达到平衡，且同步电抗大，磁路对称，以致失磁后从电网吸取的无功功率也不是很大。在图4中，发电机正常运行时，手动400HZ励磁手动跟踪作为HWTA型（又称AVR装置）调节器的备用设备。当发电机失磁系有41E跳引起41E开关跳闸，BLK开关合闸（联锁开关的投入中），发电机励磁由AVR装置自动切至手动调整发电机端电压正常，并按值长命令将有功负荷增至调度出力要求；如果励磁系统切换不成功，仍立即手动合上BLK开关，拉开41E开关，若仍不能恢复发电机励磁，或因其它某原因失磁时，在电网与发电机本身条件允许条件下，在最初的60s内，电气值班员应与机、炉专业紧密配合，将发电机有功负荷降至额定值得60%，在其后的1.5分内将负荷降至额定值的40%，以消除定子过电流，并保证恢复励磁时，尽快恢复发电机的同步运行；发电机失磁进入异步运行状态后，机端电压下降如将影响厂用电运行时，可将厂用电源倒由备用电源代，操作时，应采用“拉联”的方法：拉开厂用工作电源开关，让备用电源开关自动投入，防止直接并列会出现大的冲击电流击环流；在短时间内，采取上述措施后，励磁系统仍不能恢复运行时，应将机组解裂停机后在处理。7下面谈一下铁岭发电厂300MW发电机失磁保护自动装置的动作情况，如图5所示发电机的失磁报复回路简图：当发电机失磁时，阻抗继电器SCJ继电器，去微机报警，发出“发电机失磁”信号。提醒电气值班员注意，检查并采取相应得措施。发电机失磁时，随着发电机励磁电压的降低，输出有功功率低于一定值时，启动继电器JCJ及时间继电器11SJ，经2.5s延时，作用于调速器，汽机减出力；随着发电机出口电压的降低，当低于11000V时，2YJ失磁启动QCJ继电器，QCJ继电器动作切除厂用工作电源，使备用电源联投；发电机失磁将吸收大量无功，将影响到系统电压时，针对于220KV系统，当其系统电压低于165KV时，4YJ继电器失磁，启动时间继电器10SJ，延时0.5s，启动保护出口继电器5BCJ、6BCJ，以跳开发电机出口断路器和灭磁开关，并且汽机减出力，甩负荷，同时切除厂用工作电源使备用电源联投。综合上述情况可以看出，发电机异步运行应注意考虑以下几方面问题：（1）系统是否有足够的无功储备，厂用电压的降低不超过允许值。（2）发电机定子电流（平均值）应不超过1.05~1.1倍额定值。（3）定子铁芯端部结构部件和边段铁芯的温升不超过允许值（120℃）。（4）应注意监视转子的各部件发热，特别注意转子的不均匀发热问题。发电机失磁是汽轮机组运行的常见故障，我们必须对此引起高度的重视，除在设备上采用更先进的措施外，更要对有关人员特别是运行人员进行专门培训，使大家都清楚失磁，掌握失磁的产生，现象及处理方法，对确保机组安全运行及系统的稳定有着重要的意义。实践证明，只要我们较好地掌握发电机失磁的规律，认真地做好预防和处理工作，由于发电机失磁而引起的一系列不良后果是能够避免的。8