发电机剩磁消失的因由和危害

运转是一种多见的损坏形式，发电机运行时产生失磁会对发电机本身和电力装置造成危害，从而导致破坏电力系统的稳定运转、威胁发电机的自身安全。所谓失磁即使发电机的转子失去励磁电流。发电机失磁后，致使发电机失步，将在转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中出现差频电流，导致附加温升，可能引起转子局部发烫，发生严重偏热状况，危及转子安全，其次，同步发电机异步运动，在定子绕组中将出现脉动电流，产生交变的机械力矩，使机组产生震动，影响发电机的安全。同时，定子电流增大，可能使定子绕组温度升高。

     发电机失磁是指发电机剩磁消失。剩磁指的是铁磁材料磁化流程中外加磁场消失后铁磁材料还保留的磁场。发电机剩磁指的是停机后定转子铁心保留的剩磁。

      以隐极发电机为例讲解发电机失磁流程。设发电机与无穷大机构相连，则机端电压在失磁步骤保持恒定不变。设发电机电势为Eq，定子电流为I，容量因数角为φ，发电机功角为δ。

      发电机正常滞相运行，定子电流滞后于机端电压，发电机发出有功功率和无功容量。失磁后，发电机励磁电流逐渐减轻，Eq随之减少，定子电流超前于机端电压，发电机进入进相运行状态，发电机发出有功功率，吸收无功容量。若励磁电流进一步衰减，发电机功角越过90°，则发电机失去同步运转状态，此时，定子电流超前于机端电压45°左右，为维持有功负载不变，定子电流比正常运转增加很多。之后，发电机会进入稳定异步运转状态。

      发电机定子侧阻抗判据有两种阻抗圆，异步阻抗圆或静稳边界圆，动作方程为：

      对于阻抗判据，可以选定与无功反向判据结合： Q－Qzd。 图2为静稳阻抗继电器和异步阻抗继电器特点图，图中阴影区域为动作区，虚线为无功反向动作边界。  

      对于自励式发电机，靠剩磁发电，发出的电再向转子绕组供电，加强转子磁场，通过正反馈使发电机输出电压逐渐升高，最后达到额定电压。如果没有剩磁，发电机就没法发电了。

      发电机数据一般采用不饱和值。以660千瓦斯坦福交流发电机为例，根据发电机额定功率和额定电压可得到1p.u.=0.545 。若阻抗判据采用二次值，则可得到异步边界阻抗圆的上下端点值为2.29 和32.4 ；若发电机和系统的联系阻抗为3.8 ，则静稳极限阻抗圆的上下端点为3.8Ω和32.4Ω。绘制发电机失磁后机端阻抗的运动轨迹，如图3所示。

      通过比对失磁数据的时间标签，可以得到机端阻抗轨迹在失磁后3.03s进入静稳极限阻抗圆，在失磁后4.2s进入异步阻抗圆，在失磁后约10s，阻抗轨迹进入基准阻抗圆。因发电机失磁前有功容量239KW，约为额定容量的36%，阻抗轨迹在约1s后离开基准阻抗圆，之后在异步圆和基准阻抗圆之间振荡。若综合考虑保护动作的延时，即静稳极限阻抗圆会有1～1.5s的延时，异步边界阻抗圆会有0.5s的延时，则静稳圆和异步圆都会在失磁后4.5～5s之间动作于跳闸，两者实际动作时间基础差不多。

      基于P-Q坐标平面的失磁保护判据，是由发电机运行特点曲线和静稳极限阻抗圆映射到P-Q坐标平面的静稳极限圆共同构成的。

      综上所述，可设两段保护，分别取0.85倍和0.95倍的额定电压下P-Q坐标平面的静稳圆作为动作因素。其中0.85倍额定电压下的静稳圆动作于报警，0.95倍额定电压下的静稳圆经延时动作于跳闸。失磁保护需要综合考虑发电机的特征曲线所示。

      一般可归纳为励磁回路开路或短路，包括励磁机、励磁变或励磁回路的故障、误碰励磁开关、切换备用励磁不当、励磁系统失去厂用电源、转子绕组或励磁回路开路或转子绕组严重短路、半导体励磁机构产生故障、转子滑环着火或烧断。

      由于该发电机存在绝缘制造弊端，或运行中绝缘缺陷逐步恶化，出现放电状况，导致励磁变保护动作跳闸，失磁保护动作致使机组跳闸。应严格执行规程、标准，开展定时试验、落实状况、处置问题。对照相关规程、标准，认真开展绝缘专业定期试验落实情况。

     事故原由为电刷压簧压力不均，造成部分电刷电流分布不均，导致个别碳刷电流过大，引起发热。另外碳刷存在脏污现状，污染了电刷和滑环接触面，造成部分碳刷和滑环接触电阻增大继而出现打火，另外正、负极碳刷磨耗程度不均衡，负极磨耗一直比正极严重，因损伤严重造成滑环表面不平度加大，因未及时得到控制造成滑环环火。

      直流系统发生正极接地后，由于长电缆存在分布电容，而电容两端电压无法突变，导致发电机灭磁开关外部跳闸回路长电缆电容电流流经其外部跳闸出口中间继电器，继电器动作跳开发电机灭磁开关，造成发电机失磁保护动作跳机。

      发电机励磁装置调节器 EGC 板损坏，造成发电机励磁调节器转子过电压保护动作，引起失磁保护动作跳闸。

      在起动电泵程序中，导致装置电压减轻，励磁装置发出辅助电源故障报警，由于切换回路继电器辅助触电电阻过量，致使电源切换失败，整流柜风机不能正常运行，导致整流柜超温跳闸，失磁保护动作，机组停运。整流柜交流侧电源开关触头的镀银层薄或质量低劣，运行中铜与空气接触出现氧化层，造成触头接触电阻增大，随着电流增大，温度升高引起触头过热，消除过程中引起失磁保护动作，发电机组跳闸。

（1）由于发电机失磁后，转子与定子产生了转差，在转子表面感应出转差频率的电流，该电流在转子中出现损耗，使转子发烫增大，转差越大电流越大，严重时可使转子烧损；特别是直接冷却高利用率的大型机组，热功率裕度相对减小，转子功率偏热。

（2）失磁后，发电机转入异步运转，发电机的等效电抗减轻，从装置吸收的无功功率增大。失磁前的有功越大，转差越大，等效电抗就越小，吸收的无功也越大，因此在大负荷下失磁，由于定子绕组过电流将使定子偏热。

（3）异步运转中，发电机的转距有所变化，因此有功功率要发生严重的周期性变化，使发电机定子、转子、基座受到不正常的机械冲击力振动，使机组的安全受到威胁，柴油发电机因为同步电抗较大，平均异步容量较大，调速机构也比较灵敏，于是振动不是十分严重。

（5）大型发电机失磁易引起发电机振荡，失磁前的有功容量越大，失磁后吸收的无功也越大，发电机端电压下降越大，发电机输出功率减轻，功角特征由1转向2，从a点向b点运行，由于过剩力矩的发生，转子加载使功角δ增大，从b点向c点运行，因为转子惯性，使之越过c点，使功角δ大于90°，达到d点，到d点后因为异步力矩的作用及惯性的消失，向c点运转到达c点，由于惯性又向b点，这样来回摆动，转速时高时低，这就形成了发电机的振荡。

（1）发电机失磁后，从系统吸收相当容量的无功功率，致使机构电压下降，如果电力系统无功储备容量不足，将使邻近失磁的发电机组部分系统电压低于允许值，威胁负载和各电源间的稳定运行，甚至致使装置电压崩溃而瓦解。

（2）发电机失磁后，导致系统电压下降，将使邻近的发电机增大无功较多，甚至强磁动作，因而导致发电机、发电机、线路引起过电流、保护动作、致使大面积停电，扩大损坏范围。

（2）将一个电压为24V的直流电源(如蓄电池)与励磁机定子绕组连接（注意两者的正负极要相互对应）；

      直流消磁方法通过单相通入正、反向直流电流，反复若干次后完成消磁，也是较常用的消磁技术。详细使用步骤为采用一个大小可调的直流电源在发电机高压绕组B-0或A-C相通入直流电流I0(例如5 A)，电流稳定后断开电源，再反向通入减小5%～10%的直流电流11(4.5 A)，依次类推，直至施加至0.5mA后结束。典型接线所示。采用直流消磁步骤对前述所建发电机进行消磁，消磁后进行空载合闸。

      由图可知，消磁后所得励磁电流幅值仅为2 A，这与发电机空载电流大小相符合，且较大和较小幅值对称说明剩磁极小，发电机此时可成功合闸。

      交流消磁方法与低电压空载试验类似，通过在被试发电机低压侧ab、bc、ca之间同时施加可调的交流电压，并使高压侧中性点接地以保证消磁过程中的对称性，接线所示。

      具体操作为采用调压器将电压升至额定电压的30%，保持5min后，将电压缓慢平稳将至0，重复此流程3—5次即可达到消磁目的。与直流消磁程序相比，此方式所需的设备较多，试验布置更复杂一些。

      发电机失磁保护是发电机继电保护的一种，当发电机的励磁突然消失或部分消失至完全失去时，励磁电流逐渐衰减至零。 当δ超过静态稳定极限角时，发电机与装置失去同步，此时发电机保护设备动作于发电机出口断路器，使发电机脱离市电，避免发电机损坏和保护电网稳定运转。综上所述，铁磁材料的磁滞情形是导致剩磁存在的具体原由，磁通密度滞后于磁感应强度的特点，致使分闸时剩磁的形成。由空载合闸模型推导得到合闸角为0°且t=T/2时磁感应强度和磁通较大，励磁涌流也较大。如果和剩磁方向相同，则励磁涌流会进一步增大，使保护动作，危害设备本身。因此有必要对大功率发电机进行消磁处理。铁芯消磁以换向衰减为基础机理，现场多使用便携式的直流消磁装置进行消磁。