失磁过程中主要电气量的变化情况

在如图6.15所示的系统图中，同步发电机同步运行时，若忽略电阻分量，则同步发电机的功角特性为：

图6.15　发电机与系统的简化网络

式中　P、Q——发电机送至系统的有功功率、无功功率；

——系统电压、发电机电势；

XS、Xd——系统联系电抗、发电机电抗（纵轴）；

δ——与的角度，称为功角。

相应的描述同步发电机变化规律的转子运动方程式为：

式中　PT、P、Pas——输入的机械功率、发电机输出的同步电磁功率、发电机异步功率，正常运行时Pas=0；

TJ——转子惯性时间常数；

——电气角加速度。

式（6.26）对应的功角特性曲线如图6.16所示。正常运行时，发电机输入机械功率PT与电磁功率相平衡，以δ1功角稳定运行在图中的a点。这时，发电机通常向系统送出有功功率和无功功率，故定子电流滞后于定子电压，称为滞后运行。下面分3个阶段进行分析，并设完全失磁。

图6.16　调速的开始反应

（1）失磁到临界失步阶段（δ≤90°）

在失磁开始初瞬，Pas=0，随着失磁时间的增长，励磁电流逐渐减少，发电机电势E随之按指数规律减小，电磁功率P（E、δ）曲线逐渐变低。为了维持PT与P之间的功率平衡，运行点发生改变（a→b→c），功角δ则逐渐增加（δ1→δ2→δ3），使发电机输出的有功功率基本保持不变，所以，这个阶段称为“等有功过程”。此过程一直持续到临界失步点（c′）δ=90°，这一阶段所经历的时间与励磁电流（即电势E）的衰减时间常数成正比。失磁故障的方式不同，这一阶段的时间就不同；此外，发电机正常运行时的系统储备系数越大（失磁发电机就带负荷越轻），该时间越长。此阶段因滑差S很小，异步功率极小，可忽略不计。对于无功功率Q，随着δ的增大而将缓慢减小，当Q=0时，无功功率开始反向，当δ=90°，Q=，这说明发电机完全从系统吸收无功功率。

当δ≤90°时，电势E在失磁后衰减可表示为，该无功功率开始减少，以Q=0为临界点，机端无功功率开始反向，机端无功功率电流随之开始反向，机端电流相量由原来滞后机端电压转为超前机端电压，发电机变为进相运行。开始从系统吸收无功功率，在这个过程中，由于E不断下降，Ug也呈不断下降趋势。所不同点是从机端无功功率Qg过零点之前到Qg=0，无功电流不断减少，而有功电流基本不变。所以，逐渐略有减少，Qg过零点之后，反向无功电流不断增大，机端电流将不断增大，这阶段各量变化的相量图，如图6.17所示，图中假设的系统电压作参考相量（即保持不变）失磁发生后，不断减小（不断减少则由最初的滞后于，逐渐变到与同相，此时，达到最小，然后，逐渐增大（），并超前于，变为进相运行。这期间因发电机仍然同步运行，Xd保持不变，故为：

图6.17　失磁后有关相量的变化

由此可以得到失磁后的有功过程中和的变化规律，即不断减小，而则在短时略为减小，在超前于后，则一直维持不断增大的趋势。(www.xing528.com)

（2）不稳定运行阶段（δ＞90°）

图6.18　异步状态时发电机输出功率的变化情况

当δ＞90°时，不可能出现PT=P，随着δ的增大，PT-P的值越大。于是，转子加速，滑差S不断增大，转子回路中感应的差频电流不断增大，异步功率（转矩）Pas也随之增大。特别是当δ＞180°后，随着励磁电流和P的完全衰减，S和Pas增大得更快；另一方面，调速器也开始反应，作用于减少PT使转速减慢，这一阶段P、Pas、S、PT是变化的。

若发电机为完全失磁，当δ≥180°时，同步有功功率为零，靠异步功率向系统输出有功；若为部分失磁，则在此时期内励磁电流并不会衰减至0，尚有剩余的带振荡的同步功率。当它与异步功率叠加后，会使发电机输出的有功功率时大时小地摆动，这对发电机非常不利，如图6.18所示。

（3）稳定的异步运行阶段

当滑差S达到一定数值，使Pas达到能与减少了的PT相平衡，即图6.16中的d点，转子停止加速，S不再增大（这里是指S的平均值），发电机便转入稳定的异步运行阶段。

由上面的分析可知：

①发电机失磁后到失步前，输出有功功率基本不变，无功功率的减少和δ的增大都比较缓慢。

②失磁发电机由失磁前向系统送出无功功率Q1，转为从系统吸收无功功率Q2，则系统将出现Q1+Q2的无功缺额，尤其是满负荷运行的大型机组Q较大，会引起系统无功功率大量缺额，若系统无功容量储备不足，将会引起系统电压严重下降，甚至导致系统电压崩溃。对于同容量水轮发电机，由于它的同步电抗较小，较汽轮发电机而易吸收的无功就更多，造成的影响更严重。

③失磁引起的系统的电压下降会使发电机增加其无功输出，引起有关发电机、变压器或线路过流，甚至使后备保护动作，扩大故障范围。

④失磁引起有功功率摆动和励磁电压的下降，可能导致电力系统某些部分之间失步，使系统发生振荡，甩掉大量负荷。

⑤由于出现转差，在转子回路出现的差频电流产生的附加损耗，可能使转子过热而损坏。

⑥失磁发电机进入异步运行后，等效阻抗降低，定子电流增大而使定子过热。失磁失步后转差越大，等效电抗越小，过电流越严重。

⑦失磁失步后发电机有功功率剧烈的周期性摆动，变化的电磁转矩周期性的作用到轴系上，并通过定子传给机座，引起剧烈振动。

⑧失磁运行时，发电机定子端部漏磁增加，将使端部的部件和边段铁芯过热。

由于低励失磁故障会引起上述危害，因此，在发电机上（特别是大型发电机上）须装设性能完善的失磁保护。