異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障深度剖析與應對策略研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，超高壓同步發(fā)電機作為主要的發(fā)電設備，占據(jù)著舉足輕重的地位。它將機械能轉換為電能，是電力系統(tǒng)電能供應的核心部件，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接關系到整個電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。隨著電力需求的不斷增長，電力系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大，超高壓同步發(fā)電機的單機容量也日益增大，在這樣的背景下，發(fā)電機的運行狀況對電力系統(tǒng)的影響愈發(fā)顯著。然而，在實際運行過程中，由于電力系統(tǒng)工作環(huán)境復雜多變，運行工況也較為苛刻，超高壓同步發(fā)電機可能會出現(xiàn)各種故障，其中失磁故障是較為常見且危害嚴重的一種。失磁故障指的是正常運行的發(fā)電機勵磁電流全部或部分消失，其發(fā)生原因多種多樣，包括轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘、半導體勵磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等等。尤其是對于采用交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的超高壓同步發(fā)電機，由于該系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，設備故障或人員過失等因素都大大增加了失磁故障發(fā)生的幾率。超高壓同步發(fā)電機一旦發(fā)生失磁故障，會對發(fā)電機本身和電力系統(tǒng)造成嚴重的影響。對發(fā)電機自身而言，失磁后轉子與定子出現(xiàn)轉差，在轉子表面感應出轉差頻率的電流，該電流在轉子中產(chǎn)生損耗，使轉子發(fā)熱增大，轉差越大電流越大，嚴重時可使轉子燒損，特別是對于直接冷卻高利用率的大型機組，熱容量裕度相對降低，轉子更容易過熱；失磁后發(fā)電機轉入異步運行，等效電抗降低，從系統(tǒng)吸收的無功功率增大，若失磁前的有功越大，轉差越大，等效電抗就越小，吸收的無功也越大，在大負荷下失磁，由于定子繞組過電流將使定子過熱；異步運行中，發(fā)電機的轉矩有所變化，有功功率會發(fā)生嚴重的周期性變化，使發(fā)電機定子、轉子、基座受到異常的機械沖擊力和振動，威脅機組安全；失磁運行還會使定子端部漏磁通增大，導致端部的部件和邊段的鐵芯過熱；大型發(fā)電機失磁還易引起發(fā)電機振蕩，影響發(fā)電機的正常運行。對電力系統(tǒng)來說，發(fā)電機失磁后從系統(tǒng)吸收相當容量的無功功率，會引起系統(tǒng)電壓下降，如果電力系統(tǒng)無功儲備容量不足，將使鄰近失磁的發(fā)電機組部分系統(tǒng)電壓低于允許值，威脅負載和各電源間的穩(wěn)定運行，甚至可能導致系統(tǒng)電壓崩潰而瓦解；同時，發(fā)電機失磁后引起系統(tǒng)電壓下降，會使鄰近的發(fā)電機增大無功輸出，甚至強磁動作，進而引起發(fā)電機、變壓器、線路過電流，導致保護動作，造成大面積停電，擴大故障范圍。因此，深入研究異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障具有極其重要的必要性和現(xiàn)實意義。通過對失磁故障的分析，能夠準確掌握故障產(chǎn)生的原因和機理，總結常見的失磁故障類型和特點，從而為制定有效的預防措施和處理方法提供理論依據(jù)。這不僅有助于提高超高壓同步發(fā)電機運行的可靠性和穩(wěn)定性，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，減少因失磁故障導致的停電事故，降低經(jīng)濟損失，而且對于提升電力系統(tǒng)的整體運行效率，促進電力行業(yè)的健康發(fā)展也具有重要的推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，許多國家對同步發(fā)電機失磁故障的研究起步較早。自上世紀中葉起，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐步擴大和發(fā)電機單機容量的不斷提升，失磁故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響愈發(fā)顯著，國外學者便開始針對這一問題展開深入研究。在理論研究方面，早期國外學者通過建立同步發(fā)電機的數(shù)學模型，運用電磁學和動力學原理，對發(fā)電機失磁后的運行特性進行了初步分析。例如，通過派克變換建立了同步發(fā)電機在dq坐標系下的數(shù)學模型，該模型能夠較為準確地描述發(fā)電機在正常運行和失磁故障狀態(tài)下的電磁過程，為后續(xù)的研究奠定了堅實的理論基礎。隨著研究的不斷深入，學者們進一步考慮了發(fā)電機的飽和特性、阻尼繞組的作用以及電力系統(tǒng)元件之間的相互影響等因素，對數(shù)學模型進行了完善和優(yōu)化，使得對失磁故障的分析更加精確。在失磁故障檢測與診斷技術研究領域，國外取得了一系列重要成果。早期主要采用基于閾值比較的檢測方法，通過設定發(fā)電機運行參數(shù)（如勵磁電流、機端電壓、無功功率等）的閾值，當參數(shù)超出閾值范圍時判斷發(fā)電機發(fā)生失磁故障。然而，這種方法容易受到干擾和運行工況變化的影響，存在一定的誤判率。為了提高檢測的準確性和可靠性，近年來國外學者將人工智能技術引入失磁故障診斷中，如神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、模糊邏輯等。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡憑借其強大的非線性映射能力和自學習能力，能夠對大量的故障樣本進行學習和訓練，從而準確地識別出失磁故障模式；專家系統(tǒng)則是基于領域專家的經(jīng)驗知識和規(guī)則，對發(fā)電機的運行狀態(tài)進行推理和判斷，實現(xiàn)失磁故障的診斷。這些智能診斷方法在實際應用中取得了較好的效果，顯著提高了失磁故障檢測的準確性和及時性。在失磁故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究方面，國外學者開展了大量的仿真分析和實驗研究。通過建立電力系統(tǒng)的仿真模型，模擬發(fā)電機失磁故障的發(fā)生過程，分析故障對系統(tǒng)電壓、頻率、功率分布以及穩(wěn)定性的影響。例如，利用PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等電力系統(tǒng)仿真軟件，對不同規(guī)模和結構的電力系統(tǒng)進行仿真研究，深入探討了失磁故障引發(fā)系統(tǒng)電壓崩潰、功角失穩(wěn)等問題的機理和條件。同時，為了驗證仿真結果的準確性，國外還進行了一些實際電力系統(tǒng)的實驗研究，如在一些大型發(fā)電廠進行發(fā)電機失磁試驗，直接觀測失磁故障對電力系統(tǒng)的影響，為理論研究提供了有力的實踐支持。在國內(nèi)，對同步發(fā)電機失磁故障的研究也受到了廣泛關注，尤其是近年來隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，超高壓、大容量同步發(fā)電機在電力系統(tǒng)中的應用日益廣泛，失磁故障的研究具有了更為重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)學者在失磁故障的理論研究方面，結合我國電力系統(tǒng)的實際特點和運行要求，對國外的相關理論和方法進行了深入研究和改進。例如，針對我國電力系統(tǒng)中廣泛采用的交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，深入分析了該系統(tǒng)中各種元件故障導致失磁的機理和過程，建立了適合我國國情的同步發(fā)電機失磁故障數(shù)學模型。同時，在考慮電力系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡結構和多機相互作用的情況下，對失磁故障后的系統(tǒng)暫態(tài)過程進行了詳細的理論分析，為故障分析和處理提供了更加符合實際的理論依據(jù)。在失磁故障檢測與診斷技術研究方面，國內(nèi)學者積極探索新的方法和技術。一方面，對傳統(tǒng)的基于電氣量測量的檢測方法進行了改進和優(yōu)化，通過采用先進的信號處理技術，如小波變換、傅里葉變換等，對發(fā)電機的運行信號進行分析和處理，提取更加準確的故障特征量，提高了檢測的靈敏度和可靠性。另一方面，結合我國電力系統(tǒng)自動化和信息化水平的不斷提高，研究了基于分布式測量和大數(shù)據(jù)分析的失磁故障診斷方法。通過采集電力系統(tǒng)中多個節(jié)點的電氣量數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析技術對數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，實現(xiàn)對失磁故障的全面監(jiān)測和準確診斷。此外，國內(nèi)還開展了基于人工智能技術的失磁故障診斷研究，將深度學習、支持向量機等人工智能算法應用于失磁故障診斷中，取得了一系列有價值的研究成果。在失磁故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響及應對策略研究方面，國內(nèi)學者通過大量的仿真分析和實際案例研究，深入分析了失磁故障在我國電力系統(tǒng)中可能引發(fā)的各種問題，并提出了相應的應對策略。例如，針對我國部分地區(qū)電網(wǎng)結構薄弱、無功儲備不足的問題，研究了如何通過優(yōu)化電網(wǎng)結構、增加無功補償設備等措施來提高電力系統(tǒng)對失磁故障的承受能力；同時，還研究了發(fā)電機失磁后的異步運行能力和再同步控制策略，為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了技術支持。盡管國內(nèi)外在異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)學模型方面，雖然現(xiàn)有的模型能夠在一定程度上描述失磁故障過程，但對于一些復雜的因素，如發(fā)電機內(nèi)部的非線性電磁特性、不同運行工況下的參數(shù)變化以及電力系統(tǒng)中各種復雜的控制策略對失磁故障的影響等，還難以進行全面準確的考慮，模型的精度和通用性有待進一步提高。在失磁故障檢測與診斷技術方面，目前的方法在復雜運行環(huán)境和干擾條件下，檢測的準確性和可靠性仍有待提升，且不同檢測方法之間的融合和互補還需要進一步研究，以實現(xiàn)更加高效、準確的故障診斷。在應對失磁故障的策略方面，雖然已經(jīng)提出了多種措施，但在實際應用中，如何根據(jù)不同電力系統(tǒng)的特點和需求，制定出最優(yōu)化的應對方案，還需要進一步深入探討和實踐驗證。此外，隨著新能源發(fā)電的快速發(fā)展和電力系統(tǒng)智能化水平的不斷提高，電力系統(tǒng)的結構和運行特性發(fā)生了很大變化，這也給異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障的研究帶來了新的挑戰(zhàn)和課題。本文將在已有研究的基礎上，針對現(xiàn)有研究的不足，從失磁故障的原因和機理分析入手，深入研究異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障后的運行特性，通過建立更加準確的數(shù)學模型，結合先進的檢測技術和數(shù)據(jù)分析方法，全面深入地分析失磁故障，以期為提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性提供更加有效的理論支持和實踐指導。1.3研究方法與創(chuàng)新點在本研究中，將綜合運用多種研究方法，從不同角度深入剖析異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障。文獻資料法是研究的基礎。通過廣泛查閱和分析國內(nèi)外有關發(fā)電機失磁故障的學術論文、技術標準、行業(yè)規(guī)范等文獻資料，全面了解異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及已有的研究成果和方法。對這些文獻進行梳理和總結，能夠為后續(xù)的研究提供堅實的理論支撐和研究思路，明確研究的切入點和重點方向。例如，通過對大量文獻的研讀，掌握現(xiàn)有的失磁故障數(shù)學模型的建立方法、各種檢測技術的原理和應用情況，以及不同學者對失磁故障危害和應對策略的觀點，從而在已有研究的基礎上進行深入拓展和創(chuàng)新?，F(xiàn)場調(diào)查法是獲取實際故障信息的重要途徑。通過實地走訪發(fā)電廠、變電站等相關電力企業(yè)，與一線技術人員進行交流和溝通，深入了解異步化超高壓同步發(fā)電機在實際運行過程中的操作情況、維護記錄以及發(fā)生失磁故障的實際案例。收集這些實際故障信息，包括故障發(fā)生的時間、地點、故障現(xiàn)象、處理過程等，能夠真實地反映失磁故障在實際運行中的特點和規(guī)律。通過對實際案例的分析，可以發(fā)現(xiàn)理論研究與實際應用之間的差異，為理論研究提供實際驗證和改進方向，使研究成果更具實際應用價值。數(shù)值仿真法是本研究的關鍵方法之一。利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等，構建包含異步化超高壓同步發(fā)電機、輸電線路、變壓器以及無窮大電網(wǎng)等元件的電力系統(tǒng)仿真模型。通過在仿真模型中模擬各種失磁故障場景，如勵磁電流突然消失、部分消失以及緩慢下降等不同情況，分析發(fā)電機在失磁故障后的電氣量變化，如定子電流、轉子電流、機端電壓、有功功率、無功功率等參數(shù)的動態(tài)響應；研究失磁故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，包括系統(tǒng)電壓波動、頻率變化、功角穩(wěn)定性等方面的變化。數(shù)值仿真法能夠在虛擬環(huán)境中對各種復雜的故障情況進行模擬和分析，彌補實際試驗的局限性，節(jié)省研究成本和時間，同時可以精確地控制和改變仿真參數(shù)，深入研究不同因素對失磁故障的影響，為故障分析和預防提供全面、準確的數(shù)據(jù)支持。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在研究視角上，綜合考慮異步化超高壓同步發(fā)電機的特殊運行特性以及電力系統(tǒng)中各種復雜的控制策略和運行工況對失磁故障的影響。以往的研究往往側重于發(fā)電機本身的失磁故障分析，較少考慮電力系統(tǒng)整體運行環(huán)境的影響。而本研究將從電力系統(tǒng)的全局角度出發(fā)，深入分析異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障在不同電力系統(tǒng)結構和運行條件下的特點和規(guī)律，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供更全面、更深入的理論支持。在分析方法上，創(chuàng)新性地將多種先進的技術和方法相結合。將深度學習算法與傳統(tǒng)的電氣量分析方法相結合，用于失磁故障的檢測和診斷。深度學習算法具有強大的特征學習和模式識別能力，能夠從大量的運行數(shù)據(jù)中自動提取出有效的故障特征，提高故障檢測的準確性和及時性。同時，結合電氣量分析方法對故障特征進行進一步的驗證和分析，使診斷結果更加可靠。此外，還將引入大數(shù)據(jù)分析技術，對電力系統(tǒng)中多個節(jié)點的海量運行數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，實現(xiàn)對失磁故障的全面監(jiān)測和預警，為電力系統(tǒng)的運行維護提供更科學、更有效的決策依據(jù)。二、異步化超高壓同步發(fā)電機工作原理與失磁概念2.1工作原理異步化超高壓同步發(fā)電機的工作原理基于電磁感應定律和同步電機的基本運行機制。其核心是將機械能轉換為電能，這一過程涉及到多個關鍵部件和復雜的電磁相互作用。從電磁感應原理來看，發(fā)電機主要由定子和轉子兩大部分組成。定子是靜止部分，通常由鐵芯和定子繞組構成。鐵芯一般采用高導磁率的硅鋼片疊壓而成，目的是減小鐵芯中的渦流損耗和磁滯損耗，為磁通提供良好的通路。定子繞組則是由絕緣銅線或鋁線繞制而成，按照特定的規(guī)律分布在定子鐵芯的槽內(nèi)，這些繞組被設計為三相對稱結構，是產(chǎn)生感應電動勢和輸出電能的關鍵部件。轉子是旋轉部分，對于異步化超高壓同步發(fā)電機，其轉子結構較為特殊。常見的轉子有凸極式和隱極式兩種。凸極式轉子的磁極明顯突出，磁極上裝有勵磁繞組，通過通入直流勵磁電流來產(chǎn)生磁場。隱極式轉子則沒有明顯的磁極凸起，其磁場是由均勻分布在轉子表面的繞組產(chǎn)生的，這種結構在高速旋轉時具有更好的機械性能，常用于大型汽輪發(fā)電機中。在異步化超高壓同步發(fā)電機中，轉子的勵磁方式除了傳統(tǒng)的直流勵磁外，還可能采用交流勵磁等方式，以滿足不同的運行需求和提高發(fā)電機的性能。當原動機（如汽輪機、水輪機等）帶動轉子旋轉時，轉子上的勵磁繞組會產(chǎn)生一個旋轉的磁場，該磁場被稱為主磁場。主磁場的磁力線穿過氣隙，與定子繞組相交鏈。由于轉子的旋轉，使得定子繞組中的磁通量發(fā)生周期性變化，根據(jù)法拉第電磁感應定律，在定子繞組中就會感應出電動勢。其數(shù)學表達式為E=-N\frac{d\varPhi}{dt}，其中E表示感應電動勢，N為定子繞組的匝數(shù)，\varPhi是磁通量，t為時間，負號表示感應電動勢的方向總是阻礙磁通量的變化。在理想情況下，當發(fā)電機的轉子轉速穩(wěn)定且與定子磁場的同步轉速相等時，發(fā)電機處于同步運行狀態(tài)。同步轉速n_s與電源頻率f和電機的極對數(shù)p之間存在著嚴格的關系，即n_s=\frac{60f}{p}。例如，對于兩極（p=1）的發(fā)電機，在我國工頻f=50Hz的情況下，同步轉速n_s=3000r/min。在同步運行時，發(fā)電機的定子繞組感應出的電動勢頻率與電網(wǎng)頻率相同，且其相位與電網(wǎng)電壓相位保持一定的關系，這樣發(fā)電機就可以向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的電能。在實際運行中，發(fā)電機的運行狀態(tài)會受到多種因素的影響。當負載發(fā)生變化時，發(fā)電機的輸出功率和電流也會相應改變，這會導致定子繞組中的電流產(chǎn)生電樞反應。電樞反應會對主磁場產(chǎn)生影響，使得氣隙磁場的大小和分布發(fā)生變化，進而影響發(fā)電機的端電壓和運行性能。為了維持發(fā)電機的穩(wěn)定運行，需要通過調(diào)節(jié)勵磁電流等方式來補償電樞反應的影響，保證發(fā)電機的輸出電壓和頻率在允許的范圍內(nèi)。異步化超高壓同步發(fā)電機通過電磁感應原理，將原動機輸入的機械能轉化為電能，并通過同步運行機制與電網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)定的連接和電能輸出。其工作原理的復雜性和重要性決定了對其運行狀態(tài)進行深入研究的必要性，尤其是在分析失磁故障時，理解其正常工作原理是揭示故障機理和制定應對策略的基礎。2.2失磁定義與本質失磁是指同步發(fā)電機在運行過程中，由于各種原因導致其勵磁電流全部或部分消失的故障狀態(tài)。當發(fā)電機正常運行時，勵磁系統(tǒng)通過向轉子的勵磁繞組通入直流電流，在轉子上建立起穩(wěn)定的磁場，該磁場與定子繞組相互作用，使發(fā)電機能夠輸出穩(wěn)定的電能。而一旦發(fā)生失磁故障，勵磁電流的消失或大幅減少將打破這種穩(wěn)定的電磁平衡狀態(tài)，引發(fā)發(fā)電機運行特性的一系列改變。從本質上來說，失磁故障的發(fā)生意味著發(fā)電機轉子磁場的削弱或消失。在正常運行時，同步發(fā)電機的轉子磁場與定子磁場同步旋轉，兩者之間存在著穩(wěn)定的電磁聯(lián)系，這種聯(lián)系使得發(fā)電機能夠將原動機輸入的機械能高效地轉換為電能，并保持與電網(wǎng)的同步運行。當勵磁電流消失或大幅減少時，轉子磁場的強度迅速下降，無法再與定子磁場保持同步旋轉，發(fā)電機的電磁轉矩也隨之減小。由于原動機輸入的機械轉矩在短時間內(nèi)不會發(fā)生明顯變化，而電磁轉矩的減小導致轉矩不平衡，使得發(fā)電機轉子在過剩機械轉矩的作用下開始加速，轉速逐漸升高，從而使發(fā)電機失去同步，進入異步運行狀態(tài)。在異步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的運行特性與同步運行時有很大的不同，定子繞組中的電流、電壓、功率等參數(shù)都會發(fā)生顯著變化。例如，從電氣量的角度來看，發(fā)電機失磁后，機端電壓會逐漸下降，這是因為轉子磁場的減弱使得定子繞組感應電動勢降低，而負載電流的存在又會進一步導致電壓降落。同時，定子電流會增大，且其相位和大小會隨著失磁程度和運行工況的變化而改變。由于發(fā)電機失去了自身的勵磁磁場，無法再像同步運行時那樣向電網(wǎng)輸出無功功率，反而會從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，以維持其自身的磁場和運行，這將對電網(wǎng)的無功平衡產(chǎn)生不利影響，可能導致電網(wǎng)電壓下降、功率因數(shù)降低等問題。在機械方面，發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)后，轉子與定子磁場之間的相對運動加劇，會在轉子表面感應出頻率為轉差頻率的電流，該電流在轉子中產(chǎn)生損耗，導致轉子發(fā)熱增加。轉差越大，感應電流越大，轉子的發(fā)熱情況就越嚴重，嚴重時可能會損壞轉子部件。此外，由于電磁轉矩的不穩(wěn)定，發(fā)電機還會產(chǎn)生機械振動和噪聲，對機組的安全運行構成威脅。失磁故障本質上是由于勵磁電流的異常變化導致發(fā)電機轉子磁場與定子磁場之間的同步關系被破壞，進而引發(fā)發(fā)電機運行狀態(tài)的改變，這種改變不僅影響發(fā)電機自身的安全穩(wěn)定運行，還會對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生一系列負面影響。2.3失磁對發(fā)電機運行狀態(tài)的初步影響當異步化超高壓同步發(fā)電機發(fā)生失磁故障后，其運行狀態(tài)在多個方面會產(chǎn)生顯著變化，這些變化不僅影響發(fā)電機自身的性能和安全，還會對與之相連的電力系統(tǒng)造成沖擊。從電磁方面來看，失磁首先導致發(fā)電機的電勢降低。發(fā)電機正常運行時，由勵磁電流產(chǎn)生的轉子磁場與定子繞組相互作用，在定子繞組中感應出穩(wěn)定的電動勢。當勵磁電流消失或大幅減少，轉子磁場減弱甚至消失，根據(jù)電磁感應原理E=-N\frac{d\varPhi}{dt}（其中E為感應電動勢，N是定子繞組匝數(shù)，\varPhi為磁通量，t為時間），磁通量\varPhi的減少使得定子繞組感應電動勢E隨之降低。機端電壓作為發(fā)電機輸出電能的重要參數(shù)，與定子繞組感應電動勢密切相關，因此機端電壓也會逐漸下降。機端電壓的下降會導致發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率發(fā)生變化，有功功率的變化與原動機的調(diào)速系統(tǒng)以及發(fā)電機的異步運行特性有關，而無功功率方面，由于發(fā)電機失去自身勵磁無法輸出無功，反而會從電網(wǎng)吸收大量無功功率，以維持自身的磁場和運行。在機械方面，失磁后發(fā)電機的轉速會發(fā)生變化。正常運行時，發(fā)電機的電磁轉矩與原動機輸入的機械轉矩保持平衡，轉子以同步轉速穩(wěn)定旋轉。失磁后，電磁轉矩急劇減小，而原動機的機械轉矩在短時間內(nèi)基本保持不變，這就導致了轉矩的不平衡，使得發(fā)電機轉子在過剩機械轉矩的作用下開始加速。轉速的升高會使發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)，此時轉子與定子磁場之間出現(xiàn)相對運動，轉差增大。轉差的增大會在轉子表面感應出頻率為轉差頻率的電流，該電流在轉子中產(chǎn)生損耗，導致轉子發(fā)熱增加。例如，對于大型超高壓同步發(fā)電機，在失磁后的短時間內(nèi)，轉子溫度可能會迅速上升，如果不能及時采取措施，過高的溫度可能會損壞轉子的絕緣材料和其他部件，嚴重威脅發(fā)電機的安全運行。由于電磁轉矩的不穩(wěn)定，發(fā)電機還會產(chǎn)生機械振動和噪聲。在異步運行過程中，電磁轉矩會隨著轉差的變化而發(fā)生周期性波動，這種波動會傳遞到發(fā)電機的轉軸、機座等部件上，引起機械振動。過大的機械振動不僅會影響發(fā)電機的正常運行，還可能導致機組零部件的疲勞損壞，縮短發(fā)電機的使用壽命。同時，振動產(chǎn)生的噪聲也會對周圍環(huán)境造成污染，影響工作人員的健康和工作環(huán)境。失磁故障對異步化超高壓同步發(fā)電機運行狀態(tài)的初步影響涉及電磁和機械多個方面，這些變化相互關聯(lián)、相互影響，對發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行構成了嚴重威脅。因此，深入研究這些影響對于準確診斷失磁故障、制定有效的保護措施以及保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。三、失磁故障原因深度剖析3.1勵磁系統(tǒng)故障勵磁系統(tǒng)作為為同步發(fā)電機提供勵磁電流的關鍵裝置，其穩(wěn)定運行對發(fā)電機的正常工作起著至關重要的作用。一旦勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，極有可能引發(fā)發(fā)電機失磁，進而對發(fā)電機及整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重威脅。勵磁系統(tǒng)故障導致失磁的情況較為復雜，下面將從勵磁機故障和自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障兩個主要方面進行深入分析。3.1.1勵磁機故障勵磁機是勵磁系統(tǒng)的核心部件之一，其作用是為發(fā)電機轉子提供直流勵磁電流。當勵磁機發(fā)生故障時，會直接影響勵磁電流的正常供應，從而導致發(fā)電機失磁。直流勵磁機磁場繞組斷線是一種常見的故障情況。在發(fā)電機運行過程中，由于長期受到電磁力、熱應力以及機械振動等多種因素的作用，直流勵磁機磁場繞組的絕緣可能會逐漸老化、損壞，進而引發(fā)斷線故障。當磁場繞組斷線后，勵磁電流無法通過，使得勵磁機無法產(chǎn)生磁場，也就無法為發(fā)電機轉子提供勵磁電流，最終導致發(fā)電機失磁。例如，某發(fā)電廠的一臺同步發(fā)電機，在運行過程中突然出現(xiàn)失磁現(xiàn)象。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，直流勵磁機磁場繞組的一處絕緣層因長期過熱而破裂，導致導線斷裂，勵磁電流中斷，從而引發(fā)了失磁故障。勵磁機與原動機機械脫開也是導致失磁的一個重要原因。在正常運行時，勵磁機通過聯(lián)軸器等機械連接部件與原動機相連，由原動機帶動勵磁機旋轉，從而產(chǎn)生勵磁電流。然而，在一些特殊情況下，如聯(lián)軸器松動、鍵損壞或斷裂等，可能會導致勵磁機與原動機機械脫開。一旦機械脫開，勵磁機將無法獲得旋轉動力，也就無法產(chǎn)生勵磁電流，進而使發(fā)電機失磁。例如，某水電站的一臺同步發(fā)電機，在一次機組檢修后重新啟動運行過程中，出現(xiàn)了失磁故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，勵磁機與原動機之間的聯(lián)軸器在檢修過程中未安裝到位，導致在機組運行時聯(lián)軸器松動并最終脫開，勵磁機停止轉動，引發(fā)了發(fā)電機失磁。此外，勵磁機內(nèi)部的整流元件損壞也可能導致失磁故障。對于采用交流勵磁機的勵磁系統(tǒng)，需要通過整流元件將交流電流轉換為直流電流，為發(fā)電機轉子提供勵磁。如果整流元件（如二極管、晶閘管等）因過電壓、過電流或自身質量問題等原因發(fā)生損壞，會使整流后的直流電流異常或中斷，從而導致發(fā)電機失磁。例如，某火電廠的一臺同步發(fā)電機，在運行過程中突然出現(xiàn)勵磁電流下降，發(fā)電機失磁的情況。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，交流勵磁機的整流橋中有一個二極管被擊穿，導致整流后的直流電流減小，無法滿足發(fā)電機正常運行所需的勵磁電流，最終引發(fā)了失磁故障。3.1.2自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障自動調(diào)節(jié)勵磁裝置在勵磁系統(tǒng)中扮演著關鍵角色，其主要功能是根據(jù)發(fā)電機的運行工況和電力系統(tǒng)的需求，自動調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，以維持發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定，并實現(xiàn)無功功率的合理分配。然而，當自動調(diào)節(jié)勵磁裝置發(fā)生故障或出現(xiàn)誤操作時，可能會導致勵磁回路斷路，進而引發(fā)發(fā)電機失磁故障。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中的電子元件故障是導致其工作異常的常見原因之一。該裝置包含眾多電子元件，如運算放大器、晶體管、電阻、電容等，長期運行過程中，這些元件可能會因老化、過熱、過電壓等因素而損壞。當關鍵電子元件損壞時，可能會使自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的控制邏輯出現(xiàn)錯誤，無法正常調(diào)節(jié)勵磁電流，甚至導致勵磁回路斷路。例如，某電廠的一臺同步發(fā)電機，在正常運行過程中，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中的一個運算放大器突然損壞，導致裝置輸出的控制信號異常，勵磁電流迅速下降，最終引發(fā)發(fā)電機失磁故障。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的控制回路故障也不容忽視?？刂苹芈坟撠焸鬏敽吞幚砀鞣N控制信號，以實現(xiàn)對勵磁電流的精確調(diào)節(jié)。如果控制回路中的線路出現(xiàn)短路、斷路或接觸不良等問題，會影響控制信號的正常傳輸，導致自動調(diào)節(jié)勵磁裝置無法正常工作，進而引發(fā)失磁故障。例如，某變電站的一臺同步發(fā)電機，在一次設備巡檢后，發(fā)電機出現(xiàn)失磁現(xiàn)象。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的控制回路中有一根連接線在巡檢過程中被誤碰，導致連接松動，接觸不良，控制信號無法正常傳輸，使得勵磁電流中斷，發(fā)電機失磁。運行人員的誤操作也是引發(fā)自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障，進而導致失磁的一個重要因素。在操作自動調(diào)節(jié)勵磁裝置時，如果運行人員對設備的操作流程不熟悉，或者在操作過程中出現(xiàn)疏忽，可能會誤調(diào)節(jié)裝置的參數(shù)，甚至誤將勵磁開關斷開，從而引發(fā)失磁故障。例如，1997年松藻礦務局1號機在并網(wǎng)發(fā)電時，操作人員誤將1號機自動調(diào)節(jié)勵磁開關斷開，使1號機部分失去勵磁，當時主控制室電流表、電壓表、功率表周期擺動，后由保護跳閘。又如，某電廠的運行人員在對自動調(diào)節(jié)勵磁裝置進行參數(shù)調(diào)整時，由于誤輸入了錯誤的參數(shù)值，導致裝置對勵磁電流的調(diào)節(jié)出現(xiàn)異常，最終引發(fā)發(fā)電機失磁故障。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障或誤操作引發(fā)失磁故障的過程較為復雜，涉及多個環(huán)節(jié)和因素。一旦發(fā)生失磁故障，不僅會影響發(fā)電機自身的安全穩(wěn)定運行，還可能對電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴重影響。因此，加強對自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的維護、管理和操作人員的培訓，提高設備的可靠性和操作的準確性，對于預防失磁故障的發(fā)生具有重要意義。3.2轉子繞組故障轉子繞組作為發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的關鍵組成部分，其運行狀態(tài)直接關系到發(fā)電機的正常工作。當轉子繞組出現(xiàn)故障時，會對勵磁電流產(chǎn)生顯著影響，進而引發(fā)失磁故障，威脅發(fā)電機和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。下面將對轉子繞組短路和轉子繞組斷線這兩種常見故障進行深入分析。3.2.1轉子繞組短路轉子繞組短路是導致發(fā)電機失磁故障的重要原因之一，其發(fā)生機理較為復雜，涉及電磁學和材料學等多個領域的知識。在發(fā)電機運行過程中，轉子繞組處于高速旋轉狀態(tài)，同時承受著電磁力、熱應力以及機械振動等多種復雜載荷的作用。長期處于這種惡劣的工作環(huán)境下，轉子繞組的絕緣材料可能會逐漸老化、損壞，導致匝間絕緣性能下降，進而引發(fā)匝間短路故障。當轉子繞組發(fā)生匝間短路時，短路匝內(nèi)會形成閉合回路，由于短路電阻較小，會產(chǎn)生較大的短路電流。根據(jù)安培環(huán)路定律，電流會產(chǎn)生磁場，短路匝內(nèi)的電流所產(chǎn)生的磁場方向與正常勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向相反，這就使得轉子的有效勵磁安匝數(shù)減少，導致勵磁電流異常，轉子磁場減弱。例如，對于一臺額定勵磁電流為I_{fN}的發(fā)電機，正常情況下轉子繞組的總匝數(shù)為N，當發(fā)生匝間短路，短路匝數(shù)為n時，有效勵磁匝數(shù)變?yōu)镹-n，根據(jù)磁動勢公式F=NI（其中F為磁動勢，N為匝數(shù)，I為電流），在勵磁電流不變的情況下，磁動勢會相應減小，從而導致轉子磁場減弱。隨著短路程度的加劇，勵磁電流的減小會愈發(fā)明顯，當勵磁電流減小到一定程度時，發(fā)電機將無法維持正常的同步運行狀態(tài)，從而發(fā)生失磁故障。在實際運行中，轉子繞組短路故障的發(fā)生可能是漸進性的，初期可能只是輕微的匝間短路，對發(fā)電機的運行影響較小，但如果未能及時發(fā)現(xiàn)和處理，短路情況可能會逐漸惡化，最終導致嚴重的失磁故障。以某電廠的一臺300MW汽輪發(fā)電機為例，在運行過程中，運行人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的勵磁電流逐漸下降，同時無功功率也出現(xiàn)異常波動。經(jīng)過進一步檢查，發(fā)現(xiàn)是轉子繞組發(fā)生了匝間短路故障。通過對故障發(fā)電機進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)轉子繞組的部分絕緣材料已經(jīng)老化、破損，導致匝間短路。由于短路故障的存在，勵磁電流無法正常流通，轉子磁場減弱，使得發(fā)電機的輸出功率和電壓受到影響，最終引發(fā)失磁故障。此次故障不僅導致該發(fā)電機停機檢修，還對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了一定的沖擊，影響了周邊地區(qū)的電力供應。通過對這一案例的分析可以看出，轉子繞組短路故障具有一定的隱蔽性和危害性，需要加強對發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)并處理此類故障，以保障發(fā)電機和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。3.2.2轉子繞組斷線轉子繞組斷線也是引發(fā)發(fā)電機失磁故障的常見原因之一，尤其是在凸極電機中，勵磁繞組連接處斷線的情況較為常見。在凸極電機中，勵磁繞組通常由多個線圈串聯(lián)而成，這些線圈之間通過連接線進行連接。由于凸極電機的結構特點，勵磁繞組在運行過程中會受到較大的機械應力和電磁力的作用，尤其是在連接處，應力集中現(xiàn)象較為明顯。長期受到這些力的作用，勵磁繞組連接處的絕緣材料可能會逐漸損壞，導致導線斷裂，從而引發(fā)轉子繞組斷線故障。當轉子繞組發(fā)生斷線故障時，勵磁電流的通路被切斷，無法正常為轉子提供勵磁，使得轉子磁場迅速減弱甚至消失，發(fā)電機隨即失去同步，進入失磁運行狀態(tài)。例如，某水電站的一臺凸極同步發(fā)電機，在運行過程中突然出現(xiàn)失磁現(xiàn)象。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，勵磁繞組的一處連接處由于長期受到機械振動和電磁力的作用，絕緣層破裂，導線斷裂，導致勵磁電流中斷，引發(fā)失磁故障。在實際情況中，轉子繞組斷線故障的發(fā)生可能與多種因素有關。除了機械應力和電磁力的作用外，制造工藝、材料質量以及運行維護等因素也會對故障的發(fā)生產(chǎn)生影響。如果在制造過程中，勵磁繞組連接處的焊接質量不佳，存在虛焊、脫焊等問題，在運行過程中就容易發(fā)生斷線故障。此外，長期的高溫、潮濕等惡劣環(huán)境也會加速絕緣材料的老化，降低導線的機械強度，增加斷線故障的發(fā)生幾率。運行維護不當，如定期檢查和維護不及時，未能及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的隱患，也可能導致故障的發(fā)生。轉子繞組斷線故障會對發(fā)電機的正常運行造成嚴重影響，一旦發(fā)生，應及時進行檢查和修復。在修復過程中，需要對斷線處進行仔細的檢查和處理，確保連接牢固，絕緣性能良好。同時，還應加強對發(fā)電機的運行維護，定期進行檢查和試驗，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的故障隱患，以提高發(fā)電機的運行可靠性，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。3.3其他因素除了勵磁系統(tǒng)故障和轉子繞組故障外，還有一些其他因素也可能導致異步化超高壓同步發(fā)電機發(fā)生失磁故障，這些因素在實際運行中同樣不容忽視。下面將對滅磁開關誤動作和接觸不良問題這兩個方面進行深入分析。3.3.1滅磁開關誤動作運行中的發(fā)電機滅磁開關誤跳閘是引發(fā)失磁故障的一個重要原因。滅磁開關作為勵磁系統(tǒng)中的關鍵部件，其主要作用是在發(fā)電機正常停機或發(fā)生故障時，迅速切斷勵磁電流，以實現(xiàn)對發(fā)電機的滅磁操作。然而，在實際運行過程中，由于多種因素的影響，滅磁開關可能會出現(xiàn)誤動作，導致勵磁電流突然中斷，進而使發(fā)電機失去勵磁，進入失磁運行狀態(tài)。滅磁開關誤動作的原因較為復雜，可能與設備自身故障、外部干擾以及人為操作失誤等因素有關。從設備自身故障方面來看，滅磁開關內(nèi)部的電磁繼電器、機械部件和電氣元件等在長期運行過程中，可能會因磨損、老化、接觸不良等原因而發(fā)生故障，導致開關誤動作。例如，電磁繼電器的觸點可能會因頻繁開合而產(chǎn)生燒蝕、粘連等問題，影響其正常的動作特性；機械部件的磨損可能會導致開關的動作精度下降，出現(xiàn)誤跳閘的情況。外部干擾也是導致滅磁開關誤動作的一個重要因素。在電力系統(tǒng)中，存在著各種電磁干擾源，如雷擊、電網(wǎng)短路故障、附近的大型電氣設備啟停等，這些干擾可能會通過電磁感應、傳導等方式影響滅磁開關的控制信號，導致開關誤動作。例如，當發(fā)生雷擊時，強大的雷電流可能會在輸電線路上產(chǎn)生瞬間的過電壓和過電流，這些干擾信號可能會竄入滅磁開關的控制回路，使開關誤跳閘。人為操作失誤同樣可能引發(fā)滅磁開關誤動作。在對滅磁開關進行操作時，如果操作人員對設備的操作流程不熟悉，或者在操作過程中出現(xiàn)疏忽、誤操作等情況，都可能導致滅磁開關誤跳閘。例如，操作人員在進行設備檢修或維護時，誤將滅磁開關斷開；或者在操作過程中，誤按了錯誤的按鈕，導致滅磁開關動作。以某電廠的一起實際案例為例，該廠的一臺同步發(fā)電機在正常運行過程中，突然發(fā)生失磁故障。經(jīng)過詳細檢查，發(fā)現(xiàn)是滅磁開關誤跳閘所致。進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次滅磁開關誤動作是由于外部干擾引起的。當時，附近的一座變電站發(fā)生了短路故障，產(chǎn)生了強烈的電磁干擾，該干擾通過控制電纜竄入滅磁開關的控制回路，導致開關誤動作，切斷了勵磁電流，使發(fā)電機失磁。此次事故不僅導致該發(fā)電機停機檢修，還對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了一定的沖擊，影響了周邊地區(qū)的電力供應。滅磁開關誤動作導致發(fā)電機失磁的影響是十分嚴重的。除了會對發(fā)電機本身造成損害外，還會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生負面影響。因此，在電力系統(tǒng)運行過程中，必須加強對滅磁開關的維護和管理，提高其可靠性和抗干擾能力，同時加強對操作人員的培訓，避免人為操作失誤，以降低滅磁開關誤動作導致失磁故障的發(fā)生幾率。3.3.2接觸不良問題接觸不良問題也是導致異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障的常見因素之一，其中磁場變阻器接觸不良和整流子嚴重打火是較為典型的情況。磁場變阻器在勵磁系統(tǒng)中起著調(diào)節(jié)勵磁電流大小的重要作用。當磁場變阻器的滑片與電阻絲之間接觸不良時，會導致接觸電阻增大。根據(jù)歐姆定律I=\frac{U}{R}（其中I為電流，U為電壓，R為電阻），在勵磁電壓不變的情況下，接觸電阻的增大將使通過磁場變阻器的電流減小，從而導致勵磁電流減小。隨著接觸不良情況的加劇，勵磁電流可能會進一步減小甚至中斷，最終引發(fā)發(fā)電機失磁故障。例如，某發(fā)電廠的一臺同步發(fā)電機在運行過程中，操作人員發(fā)現(xiàn)勵磁電流逐漸下降，同時發(fā)電機的無功功率也出現(xiàn)異常波動。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是磁場變阻器的滑片與電阻絲之間存在接觸不良問題。由于長期的機械磨損和氧化作用，滑片與電阻絲之間的接觸電阻增大，導致勵磁電流無法正常調(diào)節(jié)，最終引發(fā)失磁故障。在這種情況下，維修人員需要對磁場變阻器進行仔細檢查和維護，清理滑片和電阻絲表面的氧化物，調(diào)整滑片的位置，確保其與電阻絲良好接觸，以恢復正常的勵磁電流。整流子嚴重打火也是導致失磁故障的一個重要原因。在直流勵磁機中，整流子的作用是將電樞繞組中產(chǎn)生的交流電轉換為直流電，為發(fā)電機轉子提供勵磁電流。當整流子表面出現(xiàn)磨損、不平整或電刷與整流子之間接觸不良時，會導致電刷與整流子之間產(chǎn)生嚴重的火花。這些火花不僅會使電刷和整流子的磨損加劇，還會導致接觸電阻增大，從而影響勵磁電流的正常傳輸。當接觸電阻增大到一定程度時，勵磁電流會減小，甚至可能中斷，進而引發(fā)發(fā)電機失磁故障。例如，某水電站的一臺同步發(fā)電機在運行過程中，出現(xiàn)了整流子嚴重打火的現(xiàn)象。隨著打火情況的加劇，發(fā)電機的勵磁電流逐漸下降，最終導致失磁故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是由于電刷磨損嚴重，與整流子之間的接觸不良，以及整流子表面因長期運行而出現(xiàn)磨損和不平整，導致了打火現(xiàn)象的發(fā)生。針對這種情況，需要及時更換磨損的電刷，對整流子進行修復和打磨，使其表面平整光滑，確保電刷與整流子之間良好接觸，以恢復正常的勵磁電流。以某電廠的實際案例來看，該廠的一臺同步發(fā)電機在運行過程中，出現(xiàn)了失磁故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是整流子嚴重打火導致勵磁電流中斷。在處理過程中，維修人員更換了電刷，并對整流子進行了修復和打磨，使整流子表面恢復平整，電刷與整流子之間的接觸良好，從而成功解決了失磁故障，恢復了發(fā)電機的正常運行。接觸不良問題如磁場變阻器接觸不良和整流子嚴重打火，會通過影響勵磁電流的大小和傳輸，進而引發(fā)異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障。在實際運行中，應加強對這些部件的檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理接觸不良問題，以保障發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。四、失磁故障類型與特點分析4.1完全失磁完全失磁是指發(fā)電機的勵磁電流完全消失，導致轉子磁場完全喪失的一種嚴重故障狀態(tài)。這種故障通常表現(xiàn)為勵磁回路開路，使勵磁電流無法正常流入轉子繞組，進而引發(fā)發(fā)電機運行狀態(tài)的急劇變化。從發(fā)電機的運行參數(shù)變化角度來看，完全失磁會對電磁轉矩、轉速、功角等關鍵參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。在正常運行狀態(tài)下，發(fā)電機的電磁轉矩與原動機輸入的機械轉矩保持平衡，使發(fā)電機以同步轉速穩(wěn)定運行。當發(fā)生完全失磁時，由于勵磁電流為零，轉子磁場消失，根據(jù)電磁轉矩公式T=C_T\varPhiI_a\cos\varphi（其中T為電磁轉矩，C_T為轉矩常數(shù)，\varPhi為氣隙磁通，I_a為定子電流，\cos\varphi為功率因數(shù)），電磁轉矩會急劇減小至零。而原動機的機械轉矩在短時間內(nèi)基本保持不變，這就導致了轉矩的嚴重不平衡，使得發(fā)電機轉子在過剩機械轉矩的作用下開始加速，轉速迅速升高。隨著轉速的升高，發(fā)電機的功角也會不斷增大，當功角超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時，發(fā)電機將與系統(tǒng)失去同步，進入異步運行狀態(tài)。在異步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的運行特性與同步運行時有很大的不同。由于轉子磁場的消失，發(fā)電機無法再像同步運行時那樣向電網(wǎng)輸出無功功率，反而會從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，以維持自身的磁場和運行。這將導致電網(wǎng)的無功功率需求大幅增加，可能引發(fā)電網(wǎng)電壓下降、功率因數(shù)降低等問題，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質量產(chǎn)生嚴重影響。同時，發(fā)電機進入異步運行后，定子電流會增大，且其相位和大小會隨著轉差的變化而改變。轉差越大，定子電流越大，這會使發(fā)電機的定子繞組發(fā)熱加劇，嚴重時可能導致定子繞組燒毀。此外，由于電磁轉矩的不穩(wěn)定，發(fā)電機還會產(chǎn)生機械振動和噪聲，對機組的安全運行構成威脅。以某大型發(fā)電廠的一起實際案例為例，該廠的一臺超高壓同步發(fā)電機在運行過程中，由于自動滅磁開關誤跳閘，導致勵磁電流瞬間中斷，發(fā)生了完全失磁故障。故障發(fā)生后，發(fā)電機的電磁轉矩迅速降為零，轉子在原動機機械轉矩的作用下加速旋轉，轉速在短時間內(nèi)急劇升高。同時，發(fā)電機的功角迅速增大，與系統(tǒng)失去同步，進入異步運行狀態(tài)。從監(jiān)控數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機的機端電壓急劇下降，從正常運行時的額定值迅速降至較低水平；定子電流大幅增大，遠遠超過了額定電流；無功功率從向電網(wǎng)輸出變?yōu)閺碾娋W(wǎng)大量吸收，導致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)明顯波動。由于該發(fā)電機容量較大，其失磁故障對電力系統(tǒng)造成了較大的沖擊，引起了周邊地區(qū)電網(wǎng)電壓的下降和功率因數(shù)的降低，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定的情況。經(jīng)過緊急處理，技術人員及時恢復了勵磁電流，使發(fā)電機重新恢復同步運行，才避免了事故的進一步擴大。完全失磁故障具有突發(fā)性和嚴重性的特點，一旦發(fā)生，會對發(fā)電機自身和電力系統(tǒng)造成巨大的危害。因此，加強對發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測和保護，及時發(fā)現(xiàn)并處理完全失磁故障，對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要。4.2部分失磁部分失磁是指發(fā)電機的勵磁電流沒有完全消失，而是出現(xiàn)了一定程度的下降，但仍保持在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，導致轉子磁場部分減弱的故障狀態(tài)。這種故障在實際運行中較為常見，其故障表現(xiàn)和對發(fā)電機運行的影響與完全失磁存在明顯差異。從故障表現(xiàn)來看，部分失磁時發(fā)電機的勵磁電流不會降為零，而是低于正常運行值。由于勵磁電流的部分減小，發(fā)電機的感應電動勢會相應降低，但降低的幅度不像完全失磁時那么劇烈。在這種情況下，發(fā)電機的電磁轉矩雖然會減小，但不會完全消失，因此發(fā)電機的轉速不會像完全失磁時那樣迅速升高，而是在一定程度上逐漸增加。發(fā)電機的功角也會增大，但增大的速度相對較慢，一般不會立即超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角，發(fā)電機可能會在一段時間內(nèi)仍保持同步運行狀態(tài)。對發(fā)電機運行的影響方面，部分失磁同樣會導致發(fā)電機從系統(tǒng)吸收無功功率，但吸收的無功功率量相對完全失磁時較少。這是因為雖然轉子磁場部分減弱，但仍能提供一定的勵磁能力，使得發(fā)電機對系統(tǒng)無功功率的需求不像完全失磁時那么迫切。然而，隨著失磁程度的加劇，如果不能及時采取措施，發(fā)電機仍有可能失去同步，進入異步運行狀態(tài)，從而對發(fā)電機和電力系統(tǒng)造成更大的危害。在部分失磁狀態(tài)下，發(fā)電機的定子電流和電壓也會發(fā)生變化，定子電流會有所增大，機端電壓會有所下降，但其變化的幅度和速度與完全失磁時有所不同。以某實際案例為例，某電廠的一臺超高壓同步發(fā)電機在運行過程中，由于自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中的一個電子元件性能下降，導致勵磁電流逐漸降低，發(fā)生了部分失磁故障。故障發(fā)生后，運行人員通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的勵磁電流從正常運行值逐漸下降，但未降為零；機端電壓也出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢，從額定值下降到了一個相對較低的水平，但仍能維持在一定的范圍內(nèi)；定子電流則逐漸增大，超過了額定電流的一定比例。在這種情況下，發(fā)電機的有功功率輸出基本保持穩(wěn)定，但無功功率輸出明顯減少，且開始從系統(tǒng)吸收少量的無功功率。由于運行人員及時發(fā)現(xiàn)并采取了相應的措施，如手動調(diào)節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機的勵磁電流逐漸恢復正常，避免了故障的進一步發(fā)展，發(fā)電機最終恢復了正常運行。通過對該案例的分析可以看出，部分失磁故障雖然不像完全失磁那樣具有突發(fā)性和嚴重性，但如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，同樣會對發(fā)電機和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成威脅。因此，在實際運行中，需要加強對發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)部分失磁故障的早期跡象，并采取有效的措施進行處理，以保障發(fā)電機和電力系統(tǒng)的可靠運行。4.3突發(fā)性失磁與漸進性失磁突發(fā)性失磁和漸進性失磁是異步化超高壓同步發(fā)電機失磁故障的兩種不同表現(xiàn)形式，它們在故障原因、發(fā)展過程和對發(fā)電機及電力系統(tǒng)的影響等方面存在明顯差異。突發(fā)性失磁通常是由一些突發(fā)的、瞬間發(fā)生的故障引起的。例如，自動滅磁開關誤跳閘，在正常運行時，自動滅磁開關處于閉合狀態(tài)，為發(fā)電機提供穩(wěn)定的勵磁電流。但由于設備故障、控制信號異?；蛉藶檎`操作等原因，自動滅磁開關可能會突然跳閘，導致勵磁電流瞬間中斷，發(fā)電機迅速失去勵磁，進入失磁狀態(tài)。勵磁調(diào)節(jié)器整流裝置中的自動開關誤跳閘也會引發(fā)突發(fā)性失磁。在勵磁系統(tǒng)中，整流裝置將交流電源轉換為直流電源，為發(fā)電機轉子提供勵磁。如果整流裝置中的自動開關因過流、過熱或其他故障原因突然跳閘，會使勵磁電流無法正常供給，導致發(fā)電機瞬間失磁。此外，雷擊等強外部干擾也可能對勵磁系統(tǒng)造成瞬間破壞，引發(fā)突發(fā)性失磁。雷擊產(chǎn)生的高電壓、大電流可能會擊穿勵磁系統(tǒng)中的電子元件、絕緣材料等，使勵磁回路短路或開路，從而導致發(fā)電機突然失磁。突發(fā)性失磁的發(fā)展過程極為迅速，幾乎在瞬間就會使發(fā)電機的運行狀態(tài)發(fā)生劇烈變化。一旦勵磁電流消失，發(fā)電機的感應電動勢會立刻下降，根據(jù)電磁感應原理，感應電動勢與勵磁電流密切相關，勵磁電流的消失使得感應電動勢急劇減小。機端電壓也會隨之迅速降低，因為機端電壓主要取決于感應電動勢和發(fā)電機的內(nèi)部阻抗。同時，由于發(fā)電機無法維持正常的同步運行，會立即從系統(tǒng)吸收大量無功功率，以試圖維持自身的磁場和運行。這會導致系統(tǒng)無功功率需求瞬間增加，可能引發(fā)系統(tǒng)電壓的大幅下降和功率因數(shù)的惡化。如果系統(tǒng)的無功儲備不足，無法滿足失磁發(fā)電機的無功需求，還可能導致系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電事故。以某大型發(fā)電廠的一起實際案例為例，該廠的一臺超高壓同步發(fā)電機在運行過程中，由于自動滅磁開關的控制回路受到附近大型電氣設備啟停產(chǎn)生的電磁干擾，誤動作跳閘，導致發(fā)電機瞬間失磁。故障發(fā)生后，發(fā)電機的機端電壓在極短的時間內(nèi)從額定值下降到極低水平，定子電流迅速增大，無功功率從向系統(tǒng)輸出變?yōu)閺南到y(tǒng)大量吸收。由于該發(fā)電機容量較大，其突發(fā)性失磁對電力系統(tǒng)造成了巨大的沖擊，引發(fā)了周邊地區(qū)電網(wǎng)電壓的劇烈波動，部分變電站的母線電壓甚至下降到了安全運行范圍以下，導致多個用戶停電。經(jīng)過緊急處理，技術人員迅速恢復了自動滅磁開關的正常狀態(tài)，重新為發(fā)電機提供勵磁電流，才避免了事故的進一步擴大。漸進性失磁則是由一些逐漸發(fā)展的故障因素導致的，故障發(fā)展過程相對緩慢。例如，轉子繞組由于長期運行，受到電磁力、熱應力以及機械振動等多種因素的作用，絕緣材料會逐漸老化、損壞。最初可能只是出現(xiàn)輕微的絕緣薄弱點，隨著時間的推移，這些薄弱點逐漸擴大，導致匝間短路故障逐漸加重。在這個過程中，勵磁電流會逐漸減小，轉子磁場也會逐漸減弱。又如，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中的電子元件，由于長期工作在高溫、高電壓等惡劣環(huán)境下，性能會逐漸下降。例如，電容的容量可能會逐漸減小，電阻的阻值可能會發(fā)生變化，晶體管的放大倍數(shù)可能會降低等。這些元件性能的變化會導致自動調(diào)節(jié)勵磁裝置對勵磁電流的調(diào)節(jié)能力逐漸下降，使得勵磁電流逐漸偏離正常運行值，最終導致發(fā)電機失磁。漸進性失磁的發(fā)展過程是一個逐漸演變的過程，在初期可能表現(xiàn)為一些輕微的異?，F(xiàn)象，如勵磁電流的微小波動、機端電壓的緩慢下降等。這些異?，F(xiàn)象可能不太容易被運行人員及時察覺，但隨著故障的發(fā)展，發(fā)電機的運行參數(shù)會逐漸惡化。在這個過程中，發(fā)電機可能仍能維持一定的同步運行狀態(tài)，但運行性能會逐漸下降，如無功功率輸出逐漸減少，定子電流逐漸增大等。如果在這個階段能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取有效的處理措施，如對轉子繞組進行檢修、更換自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中的故障元件等，就有可能避免發(fā)電機完全失磁，保障發(fā)電機和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。以某電廠的一臺同步發(fā)電機為例，在日常巡檢中，運行人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的勵磁電流有輕微的下降趨勢，但未引起足夠重視。隨著時間的推移，勵磁電流繼續(xù)下降，機端電壓也逐漸降低，無功功率輸出減少。經(jīng)過進一步檢查，發(fā)現(xiàn)是轉子繞組出現(xiàn)了輕微的匝間短路故障。由于沒有及時處理，匝間短路情況逐漸加重，最終導致發(fā)電機失磁。在這個案例中，從發(fā)現(xiàn)勵磁電流異常到發(fā)電機失磁，經(jīng)歷了較長的時間，如果運行人員能夠在初期就對異常情況進行深入分析和處理，就可以避免失磁故障的發(fā)生。突發(fā)性失磁和漸進性失磁在故障原因、發(fā)展過程和對發(fā)電機及電力系統(tǒng)的影響上存在顯著差異。突發(fā)性失磁具有突發(fā)性和快速性的特點，對電力系統(tǒng)的沖擊較大；而漸進性失磁發(fā)展相對緩慢，但如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，同樣會對發(fā)電機和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重威脅。因此，在實際運行中，需要加強對發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)和處理失磁故障，以保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。五、失磁故障的影響分析5.1對發(fā)電機自身的危害5.1.1轉子過熱當異步化超高壓同步發(fā)電機發(fā)生失磁故障后，其運行狀態(tài)將發(fā)生顯著變化，其中轉子過熱是一個重要的危害表現(xiàn)。正常運行時，發(fā)電機的轉子磁場與定子磁場同步旋轉，轉子與定子之間不存在轉差。然而，一旦發(fā)生失磁，轉子磁場減弱或消失，原動機輸入的機械轉矩大于電磁轉矩，導致轉子加速，轉速升高，從而使轉子與定子之間出現(xiàn)轉差。根據(jù)電磁感應原理，定子旋轉磁場將以轉差速度切割轉子表面。由于轉子是導電體，在這種切割作用下，轉子表面會感應出電流。這個感應電流的頻率為轉差頻率，其大小與轉差成正比。轉差越大，感應電流就越大。例如，對于一臺額定轉速為3000r/min的同步發(fā)電機，當失磁后轉差率達到1\%時，轉差頻率f_s=s\timesf=0.01\times50=0.5Hz（其中s為轉差率，f為電網(wǎng)頻率）。隨著轉差的增大，感應電流的頻率和幅值都會相應增加。感應出的轉差頻率電流在轉子中產(chǎn)生損耗，根據(jù)焦耳定律P=I^2R（其中P為功率損耗，I為電流，R為電阻），電流越大，產(chǎn)生的熱量就越多。這些熱量會使轉子溫度急劇升高，導致轉子過熱。特別是對于直接冷卻高利用率的大型機組，由于其熱容量裕度相對降低，對溫度變化更為敏感，轉子更容易過熱。例如，某電廠的一臺600MW超高壓同步發(fā)電機，在發(fā)生失磁故障后，由于未能及時采取有效措施，轉子表面的轉差頻率電流迅速增大，在短時間內(nèi)轉子溫度就上升了50^{\circ}C，嚴重威脅到轉子的安全運行。如果轉子過熱問題得不到及時解決，過高的溫度可能會使轉子的絕緣材料性能下降，甚至損壞，導致轉子繞組短路，進一步加劇故障的嚴重性。在極端情況下，可能會使轉子燒損，造成發(fā)電機的嚴重損壞，需要進行長時間的維修和更換部件，給電力生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。例如，1996年8月，某電廠一臺300MW發(fā)電機發(fā)生失磁故障，由于保護拒動，發(fā)電機長時間異步運行，轉子表面感應的轉差頻率電流導致轉子過熱，最終使轉子護環(huán)燒損，發(fā)電機被迫停機大修，修復時間長達數(shù)月，直接經(jīng)濟損失達數(shù)千萬元。5.1.2定子過熱失磁后，發(fā)電機轉入異步運行狀態(tài)，其等效電抗會發(fā)生顯著變化，這是導致定子過熱的關鍵因素。在同步運行時，發(fā)電機的等效電抗主要由同步電抗X_s決定，而當失磁進入異步運行后，等效電抗變?yōu)楫惒诫娍筙_{as}。由于異步電抗X_{as}小于同步電抗X_s，根據(jù)歐姆定律I=\frac{U}{X}（其中I為電流，U為電壓，X為電抗），在系統(tǒng)電壓U基本不變的情況下，等效電抗的降低會使發(fā)電機從系統(tǒng)吸收的無功功率增大。失磁前發(fā)電機所帶的有功功率大小對轉差有著重要影響。失磁前的有功越大，為了維持發(fā)電機的運轉，原動機輸入的機械功率相對較大，而電磁功率的減小使得轉子加速更為明顯，轉差也就越大。轉差越大，等效電抗就越小，從系統(tǒng)吸收的無功功率也就越大。例如，某超高壓同步發(fā)電機在失磁前帶額定有功功率運行，失磁后轉差迅速增大，等效電抗降低，從系統(tǒng)吸收的無功功率大幅增加，其值達到了額定無功功率的數(shù)倍。發(fā)電機從系統(tǒng)吸收大量無功功率，會導致定子電流增大。定子電流由有功電流和無功電流組成，無功電流的大幅增加使得定子總電流超過額定值，出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。根據(jù)焦耳定律Q=I^2Rt（其中Q為熱量，I為電流，R為電阻，t為時間），過電流會使定子繞組產(chǎn)生過多的熱量，導致定子過熱。例如，某電廠的一臺超高壓同步發(fā)電機在失磁后，由于從系統(tǒng)吸收大量無功功率，定子電流迅速增大，超過額定電流的50\%，在短時間內(nèi)定子繞組溫度就升高了30^{\circ}C。長時間的定子過熱會對定子繞組的絕緣造成損害，加速絕緣材料的老化，降低絕緣性能，增加定子繞組短路的風險。一旦定子繞組發(fā)生短路，將嚴重影響發(fā)電機的正常運行，甚至導致發(fā)電機報廢。例如，某大型發(fā)電廠的一臺同步發(fā)電機，在發(fā)生失磁故障后，由于未能及時控制定子電流，定子繞組長時間過熱，最終導致絕緣損壞，發(fā)生短路故障，發(fā)電機被迫緊急停機，經(jīng)過長時間的檢修才恢復運行，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定供電帶來了極大的影響。5.1.3機械沖擊與振動在異步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉矩會發(fā)生明顯變化，這是導致機械沖擊與振動的根本原因。正常同步運行時，發(fā)電機的電磁轉矩與原動機輸入的機械轉矩保持平衡，轉矩相對穩(wěn)定。但失磁后，電磁轉矩大幅減小，原動機的機械轉矩大于電磁轉矩，使得轉子加速，發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)。在異步運行過程中，電磁轉矩由同步轉矩轉變?yōu)楫惒睫D矩，而異步轉矩是一個隨時間變化的量。異步轉矩的變化會導致發(fā)電機有功功率發(fā)生嚴重的周期性變化。根據(jù)功率與轉矩的關系P=T\omega（其中P為功率，T為轉矩，\omega為角速度），轉矩的周期性變化必然引起有功功率的周期性波動。例如，某超高壓同步發(fā)電機在失磁后的異步運行過程中，有功功率在短時間內(nèi)出現(xiàn)了大幅度的周期性波動，波動范圍達到了額定有功功率的\pm30\%。有功功率的周期性變化會使發(fā)電機的定子、轉子和基座受到異常的機械沖擊力。當有功功率增大時，電磁轉矩增大，對發(fā)電機的軸系產(chǎn)生一個較大的拉力；當有功功率減小時，電磁轉矩減小，軸系又受到一個較大的壓力。這種周期性的拉力和壓力作用在發(fā)電機的軸系上，會使軸系產(chǎn)生疲勞損傷，降低軸系的使用壽命。這種機械沖擊力還會通過軸系傳遞到定子和基座上，使定子和基座產(chǎn)生振動。振動對發(fā)電機的安全運行構成了嚴重威脅。過大的振動會使發(fā)電機的零部件松動，如定子繞組的固定件、轉子的風扇等，導致零部件損壞。振動還會使發(fā)電機的軸承磨損加劇，降低軸承的精度和壽命，嚴重時可能導致軸承燒毀，使發(fā)電機無法正常運行。例如，某電廠的一臺同步發(fā)電機在失磁后，由于機械沖擊和振動過大，導致定子繞組的部分固定螺栓松動，定子繞組發(fā)生位移，最終造成定子繞組短路，發(fā)電機被迫停機檢修。振動產(chǎn)生的噪聲也會對周圍環(huán)境造成污染，影響工作人員的身心健康和工作環(huán)境。5.1.4端部過熱失磁運行時，發(fā)電機的定子端部漏磁通會顯著增大，這是導致端部過熱的主要原因。在正常運行狀態(tài)下，定子繞組中的電流產(chǎn)生的磁場大部分通過氣隙與轉子繞組相互作用，只有一小部分磁通會經(jīng)過定子端部，形成端部漏磁通。然而，當發(fā)電機失磁后，從系統(tǒng)吸收大量無功功率，定子電流增大，使得定子繞組中的電流產(chǎn)生的磁場發(fā)生畸變，更多的磁通無法通過氣隙與轉子繞組相互作用，從而導致端部漏磁通增大。定子端部漏磁通的增大使得端部的部件和邊段鐵芯中的磁通密度增加。根據(jù)電磁感應原理，磁通密度的增加會在這些部件和鐵芯中產(chǎn)生更大的感應電動勢和感應電流。例如，某超高壓同步發(fā)電機在失磁后，定子端部漏磁通較正常運行時增加了50\%，導致端部邊段鐵芯中的感應電流大幅增大。這些感應電流在端部部件和邊段鐵芯中產(chǎn)生損耗，根據(jù)焦耳定律P=I^2R，電流增大使得損耗增加，從而產(chǎn)生更多的熱量，導致端部過熱。端部過熱會對發(fā)電機的端部絕緣造成損害，降低絕緣性能，增加絕緣擊穿的風險。如果端部絕緣發(fā)生擊穿，將導致發(fā)電機發(fā)生故障，影響電力系統(tǒng)的正常供電。以某實際案例來看，某電廠的一臺超高壓同步發(fā)電機在發(fā)生失磁故障后，運行人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機端部溫度迅速升高。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是由于失磁導致定子端部漏磁通增大，使得端部的銅屏蔽、壓圈等部件過熱。由于發(fā)現(xiàn)及時，采取了緊急降負荷等措施，避免了端部絕緣的進一步損壞，保證了發(fā)電機的安全運行。但如果未能及時發(fā)現(xiàn)和處理，端部過熱可能會引發(fā)更嚴重的故障，如端部繞組短路等，給發(fā)電機和電力系統(tǒng)帶來巨大的損失。5.2對電力系統(tǒng)的影響5.2.1電壓下降當異步化超高壓同步發(fā)電機發(fā)生失磁故障后，其運行狀態(tài)的改變會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，其中電壓下降是一個重要的方面。發(fā)電機正常運行時，向系統(tǒng)輸出無功功率，維持系統(tǒng)的無功平衡和電壓穩(wěn)定。然而，一旦失磁，發(fā)電機的勵磁電流消失或大幅減少，轉子磁場減弱甚至消失，發(fā)電機無法再向系統(tǒng)輸出無功功率，反而會從系統(tǒng)吸收大量的無功功率。從原理上講，發(fā)電機失磁后，由于自身磁場的變化，其等效電抗減小。根據(jù)無功功率的計算公式Q=\frac{U^2}{X}（其中Q為無功功率，U為電壓，X為電抗），在系統(tǒng)電壓U基本不變的情況下，電抗X的減小會使發(fā)電機從系統(tǒng)吸收的無功功率Q急劇增大。例如，某超高壓同步發(fā)電機在正常運行時，其無功輸出為Q_1，當發(fā)生失磁故障后，等效電抗從X_1減小到X_2，此時從系統(tǒng)吸收的無功功率變?yōu)镼_2，且Q_2遠大于Q_1。發(fā)電機從系統(tǒng)吸收大量無功功率，會導致系統(tǒng)無功功率需求大幅增加。如果電力系統(tǒng)的無功儲備容量不足，無法滿足失磁發(fā)電機的無功需求，就會引起系統(tǒng)電壓下降。這是因為系統(tǒng)中的無功功率不足會導致無功功率的供需失衡，根據(jù)電力系統(tǒng)的電壓-無功關系，無功功率的短缺會使系統(tǒng)電壓降低。系統(tǒng)電壓下降會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重威脅。當系統(tǒng)電壓下降到一定程度時，可能會導致部分地區(qū)的電壓低于允許值，影響用戶的正常用電。電壓下降還會使系統(tǒng)中的其他發(fā)電機為了維持電壓穩(wěn)定，增大無功輸出，甚至可能導致強磁動作。這會進一步加重其他發(fā)電機和電力系統(tǒng)元件的負擔，可能引發(fā)發(fā)電機、變壓器、線路過電流，導致保護動作，造成大面積停電，擴大故障范圍。以某實際電力系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)中一臺超高壓同步發(fā)電機發(fā)生失磁故障。故障發(fā)生后，發(fā)電機迅速從系統(tǒng)吸收大量無功功率，導致系統(tǒng)無功功率短缺，電壓急劇下降。在失磁后的短時間內(nèi)，系統(tǒng)中多個節(jié)點的電壓下降超過了10%，部分地區(qū)的電壓甚至下降到了安全運行范圍以下。由于系統(tǒng)的無功儲備不足，無法及時補償失磁發(fā)電機吸收的無功功率，使得電壓下降的趨勢難以遏制。為了維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，鄰近的發(fā)電機不得不增大無功輸出，導致這些發(fā)電機的電流超過額定值，部分發(fā)電機的保護裝置動作跳閘，進一步加劇了系統(tǒng)的電壓下降和功率失衡，最終引發(fā)了大面積停電事故，給當?shù)氐墓I(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來了嚴重影響。5.2.2系統(tǒng)振蕩發(fā)電機失磁后，會引發(fā)一系列復雜的電磁過程，這些過程可能導致系統(tǒng)振蕩，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重威脅。失磁故障發(fā)生時，發(fā)電機的電磁轉矩迅速減小，而原動機輸入的機械轉矩在短時間內(nèi)基本保持不變，這就導致了轉矩的不平衡，使得發(fā)電機轉子加速，轉速升高。隨著轉速的升高，發(fā)電機的功角不斷增大，當功角超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時，發(fā)電機與系統(tǒng)之間的同步關系被破壞，發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)。在異步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的有功功率會發(fā)生嚴重的周期性變化。這是因為異步轉矩是一個隨時間變化的量，它與轉差率密切相關。當發(fā)電機的轉速發(fā)生變化時，轉差率也隨之改變，從而導致異步轉矩的大小和方向發(fā)生周期性變化。根據(jù)功率與轉矩的關系P=T\omega（其中P為功率，T為轉矩，\omega為角速度），異步轉矩的周期性變化必然引起有功功率的周期性波動。例如，某超高壓同步發(fā)電機在失磁后的異步運行過程中，有功功率在短時間內(nèi)出現(xiàn)了大幅度的周期性波動，波動范圍達到了額定有功功率的\pm30\%。發(fā)電機有功功率的周期性變化會使系統(tǒng)中的功率分布發(fā)生改變，導致系統(tǒng)電壓下降。當系統(tǒng)電壓下降到一定程度時，會使鄰近的發(fā)電機與系統(tǒng)之間的同步關系受到影響，甚至可能導致相鄰發(fā)電機與系統(tǒng)失步。一旦部分發(fā)電機與系統(tǒng)失步，就會引發(fā)系統(tǒng)振蕩。系統(tǒng)振蕩是一種嚴重的電力系統(tǒng)故障，會導致系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓、電流和功率發(fā)生大幅度的周期性波動。這種波動不僅會影響電力系統(tǒng)的正常供電，還會對電力系統(tǒng)中的各種設備造成損害。以某實際電力系統(tǒng)事故為例，該系統(tǒng)中的一臺超高壓同步發(fā)電機發(fā)生失磁故障后，由于有功功率的劇烈波動和系統(tǒng)電壓的下降，導致相鄰的多臺發(fā)電機與系統(tǒng)失步，引發(fā)了系統(tǒng)振蕩。在振蕩過程中，系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓和電流出現(xiàn)了大幅度的波動，部分變電站的母線電壓波動范圍達到了額定電壓的\pm20\%，電流也大幅超過額定值。振蕩還導致了部分輸電線路的保護裝置誤動作，切斷了線路，進一步擴大了故障范圍。此次系統(tǒng)振蕩持續(xù)了數(shù)分鐘，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的挑戰(zhàn)，造成了巨大的經(jīng)濟損失。5.2.3繼電保護誤動作失磁故障可能會導致繼電保護誤動作，這是因為失磁故障發(fā)生時，發(fā)電機的運行參數(shù)會發(fā)生顯著變化，這些變化可能會使繼電保護裝置的判據(jù)出現(xiàn)誤判。傳統(tǒng)的繼電保護裝置通常是基于發(fā)電機在正常運行狀態(tài)下的電氣量參數(shù)來設置保護判據(jù)的。當發(fā)電機發(fā)生失磁故障后，其電氣量參數(shù)如定子電流、機端電壓、無功功率等會發(fā)生異常變化，這些變化可能超出了保護判據(jù)的正常范圍，從而導致保護裝置誤動作。例如，在某些情況下，失磁故障可能會使發(fā)電機的定子電流增大，超過了過電流保護的整定值。如果保護裝置沒有考慮到失磁故障時定子電流的特殊變化情況，就可能會誤判為發(fā)電機發(fā)生了過電流故障，從而使過電流保護動作跳閘。失磁故障還可能導致發(fā)電機的機端電壓下降，當機端電壓下降到低電壓保護的整定值以下時，低電壓保護也可能會誤動作。保護判據(jù)的不適用也是導致繼電保護誤動作的一個重要原因。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和技術的進步，發(fā)電機的運行方式和故障特性也在不斷變化。一些傳統(tǒng)的保護判據(jù)可能無法準確地適應這些變化，導致在失磁故障發(fā)生時出現(xiàn)誤判。例如，對于一些采用交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的超高壓同步發(fā)電機，其失磁故障的特性與傳統(tǒng)的直流勵磁發(fā)電機有所不同，如果仍然采用傳統(tǒng)的保護判據(jù)，就可能會出現(xiàn)誤動作。以某實際案例來看，某電廠的一臺超高壓同步發(fā)電機在發(fā)生失磁故障后，由于定子電流增大，超過了過電流保護的整定值，過電流保護誤動作跳閘，導致發(fā)電機被迫停機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，此次保護誤動作是由于保護裝置的判據(jù)沒有充分考慮到失磁故障時定子電流的變化特性，將失磁故障引起的定子電流增大誤判為過電流故障。這次保護誤動作不僅影響了該發(fā)電機的正常運行，還對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了一定的沖擊，導致系統(tǒng)電壓出現(xiàn)了短暫的波動。六、失磁故障案例深度解析6.1案例一：某大型發(fā)電廠超高壓同步發(fā)電機失磁故障某大型發(fā)電廠裝有多臺超高壓同步發(fā)電機，承擔著向地區(qū)電網(wǎng)供電的重要任務。其中一臺容量為300MW的超高壓同步發(fā)電機在一次正常運行過程中，突發(fā)失磁故障，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成了嚴重影響。故障發(fā)生時，運行人員首先觀察到發(fā)電機的勵磁電流突然降為零，機端電壓迅速下降，無功功率從向系統(tǒng)輸出變?yōu)閺南到y(tǒng)大量吸收，定子電流急劇增大，且有功功率出現(xiàn)了大幅度的波動。這些異?，F(xiàn)象表明發(fā)電機發(fā)生了失磁故障，運行人員立即按照應急預案采取措施。經(jīng)過詳細檢查和分析，發(fā)現(xiàn)此次失磁故障的原因是勵磁系統(tǒng)中的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障。該裝置中的一個關鍵電子元件，由于長期工作在高溫、高電壓的環(huán)境下，性能逐漸下降，最終發(fā)生損壞，導致自動調(diào)節(jié)勵磁裝置無法正常工作，勵磁電流中斷，從而引發(fā)了發(fā)電機失磁。在故障處理過程中，運行人員首先迅速將發(fā)電機與電網(wǎng)解列，以避免失磁發(fā)電機對電力系統(tǒng)造成更大的沖擊。對故障設備進行了全面檢查和維修，更換了自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中損壞的電子元件，并對整個勵磁系統(tǒng)進行了測試和調(diào)試，確保其恢復正常工作狀態(tài)。在確認發(fā)電機和勵磁系統(tǒng)均正常后，按照操作規(guī)程將發(fā)電機重新并入電網(wǎng)運行。此次故障處理過程中，暴露出一些問題和教訓。在故障監(jiān)測方面，雖然發(fā)電廠配備了常規(guī)的電氣量監(jiān)測設備，但對于自動調(diào)節(jié)勵磁裝置內(nèi)部電子元件的性能監(jiān)測存在不足，未能及時發(fā)現(xiàn)電子元件性能下降的跡象，導致故障發(fā)生時無法提前預警。在應急預案方面，雖然制定了基本的應對失磁故障的措施，但在實際執(zhí)行過程中，發(fā)現(xiàn)部分操作人員對預案的熟悉程度不夠，操作不夠熟練，影響了故障處理的效率。在設備維護方面，對勵磁系統(tǒng)等關鍵設備的定期維護和檢查工作存在漏洞，未能及時發(fā)現(xiàn)設備的潛在隱患，如電子元件的老化和性能下降等問題。針對此次故障處理過程中暴露出的問題，提出以下改進建議。在故障監(jiān)測方面，應加強對自動調(diào)節(jié)勵磁裝置等關鍵設備的在線監(jiān)測，不僅要監(jiān)測電氣量參數(shù)，還要利用先進的傳感器技術和數(shù)據(jù)分析方法，對設備內(nèi)部的電子元件性能進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，實現(xiàn)故障的早期預警。在人員培訓方面，加強對運行人員的培訓，提高其對失磁故障等突發(fā)情況的應急處理能力。定期組織應急演練，讓操作人員熟悉應急預案的流程和操作步驟，提高操作的熟練程度和準確性，確保在故障發(fā)生時能夠迅速、有效地采取措施。在設備維護方面，完善設備的定期維護和檢查制度，增加對關鍵設備的檢查頻次和深度。對于勵磁系統(tǒng)等重要設備，除了進行常規(guī)的電氣性能測試外，還要對設備內(nèi)部的電子元件進行檢測和分析，及時更換老化和性能下降的元件，確保設備的可靠性和穩(wěn)定性。加強對設備維護人員的技術培訓，提高其專業(yè)技能水平，使其能夠更好地完成設備維護工作。6.2案例二：某企業(yè)自備電廠發(fā)電機失磁事故某企業(yè)自備電廠主要為企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)提供電力支持，擁有多臺發(fā)電機，其中一臺型號為[具體型號]的超高壓同步發(fā)電機在運行過程中發(fā)生了失磁事故。事故發(fā)生時，運行人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的勵磁電流突然大幅下降，機端電壓也隨之迅速降低，無功功率從正常輸出狀態(tài)轉變?yōu)榇罅课?，定子電流急劇增大。同時，發(fā)電機發(fā)出異常聲響，振動加劇，有功功率出現(xiàn)明顯波動。運行人員立即察覺到發(fā)電機出現(xiàn)了嚴重故障，迅速采取緊急措施，按照應急預案進行處理。經(jīng)過全面深入的檢查和分析，確定此次失磁事故的原因是轉子繞組發(fā)生了短路故障。由于長期運行，轉子繞組受到電磁力、熱應力以及機械振動等多種因素的綜合作用，其絕緣材料逐漸老化、損壞，導致匝間絕緣性能下降，最終引發(fā)了匝間短路。短路發(fā)生后，短路匝內(nèi)形成了閉合回路，產(chǎn)生了較大的短路電流，該電流所產(chǎn)生的磁場方向與正常勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向相反，從而使得轉子的有效勵磁安匝數(shù)減少，勵磁電流異常下降，最終導致發(fā)電機失磁。此次失磁事故給企業(yè)自備電廠帶來了多方面的損失。發(fā)電機本身受到了嚴重損壞，轉子繞組短路導致部分繞組燒毀，需要更換受損的繞組和相關零部件，維修成本高昂。事故導致電廠停電，影響了企業(yè)內(nèi)部的正常生產(chǎn)活動，造成了大量的生產(chǎn)停滯和產(chǎn)品損失，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。由于停電時間較長，企業(yè)還需要采取應急措施，如啟動備用電源、調(diào)整生產(chǎn)計劃等，這些額外的措施也增加了企業(yè)的運營成本。為了預防類似事故再次發(fā)生，企業(yè)采取了一系列針對性的措施。在設備維護方面，加強了對發(fā)電機的定期巡檢和維護工作，增加了巡檢的頻次和深度。不僅對發(fā)電機的電氣參數(shù)進行監(jiān)測，還利用先進的檢測技術，如紅外測溫、局部放電檢測等，對轉子繞組的絕緣狀況進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的絕緣缺陷和故障隱患。建立了完善的設備維護檔案，詳細記錄發(fā)電機的運行時間、維護記錄、故障情況等信息，以便對設備的運行狀況進行全面分析和評估。在人員培訓方面，加強了對運行人員和維護人員的專業(yè)培訓，提高其技術水平和業(yè)務能力。定期組織培訓課程和技術交流活動，邀請專家對發(fā)電機的工作原理、常見故障及處理方法進行講解和分析，使員工熟悉發(fā)電機的運行特性和故障診斷技術。同時，開展應急演練，模擬發(fā)電機失磁等各種突發(fā)故障場景，讓員工在實踐中掌握應急處理流程和操作技能，提高應對突發(fā)事件的能力。在技術改造方面，對發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)進行了升級改造，采用了更加先進、可靠的勵磁設備和控制技術。安裝了具有自動監(jiān)測和保護功能的勵磁調(diào)節(jié)器，能夠實時監(jiān)測勵磁電流、電壓等參數(shù)，并根據(jù)發(fā)電機的運行狀態(tài)自動調(diào)整勵磁電流，確保勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對轉子繞組的絕緣材料進行了升級，選用了耐高溫、耐磨損、絕緣性能更好的新型材料，提高了轉子繞組的絕緣可靠性，降低了短路故障的發(fā)生概率。6.3案例對比與啟示對比某大型發(fā)電廠超高壓同步發(fā)電機失磁故障和某企業(yè)自備電廠發(fā)電機失磁事故這兩個案例，它們存在著一些異同點。在相同點方面，兩個案例中的發(fā)電機均為超高壓同步發(fā)電機，且都發(fā)生了失磁故障，這表明失磁故障在超高壓同步發(fā)電機中具有一定的普遍性。從故障影響來看，都對發(fā)電機自身和電力系統(tǒng)造成了不同程度的危害。發(fā)電機自身方面，均出現(xiàn)了勵磁電流異常、機端電壓下降、無功功率反向、定子電流增大等問題，這些異常情況對發(fā)電機的正常運行構成了嚴重威脅，如不及時處理，可能導致發(fā)電機損壞。對電力系統(tǒng)而言，都引發(fā)了系統(tǒng)電壓下降和功率波動，影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若故障進一步發(fā)展，可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩甚至大面積停電事故。兩個案例也存在諸多不同點。在故障原因上，某大型發(fā)電廠超高壓同步發(fā)電機失磁故障是由勵磁系統(tǒng)中的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障引起，具體是裝置中的關鍵電子元件損壞；而某企業(yè)自備電廠發(fā)電機失磁事故則是由于轉子繞組短路故障導致，是長期運行過程中轉子繞組絕緣老化、損壞引發(fā)的匝間短路。故障處理方式也有所不同，某大型發(fā)電廠在故障發(fā)生后，首先將發(fā)電機與電網(wǎng)解列，然后對故障設備進行檢查和維修，更換損壞的電子元件并調(diào)試勵磁系統(tǒng)后重新并網(wǎng)；某企業(yè)自備電廠在事故發(fā)