同步发电机失磁故障的仿真研究

159FORTUNE WORLD 2009.3同步发电机失磁异步运行分析与处理任纯榕 宁波镇海热电厂有限公司1 引言发电机在运行过程中，由于某种原因失去励磁电流，使转子的励磁磁场消失，被称作为发电机失磁。

若失磁后的发电机不从电网上解列，仍带有一定的有功功率，以某一滑差率与电网保持联系，这种特殊的运行方式，称之为发电机异步运行。

从提高供电电网的可靠性和不使故障扩大到整个系统的观点看，整体式转子的汽轮发电机在失去励磁后，最好不立即从系统中断开，维持在电网上运行一段时间，使我们有可能查出去励磁的原因并及时恢复励磁，即将主励磁机切换为备用励磁机供励，或将发电机的负荷转移到其它发电机上去。

因此，在处理励磁系统故障时，需要将发电机作短时的失磁异步运行。

发电机失去励磁的原因很多，往往是由于励磁系统发生某些故障引起的。

一般在同轴励磁系统中，常由于励磁回路断线，如转子回路断线、励磁机电枢回路断线、励磁机励磁绕组断线、自动灭磁开关受振动或误碰掉闸、磁场变阻器接头接触不良等造成励磁回路开路，以及转子回路短路和励磁机与原动机在联接对轮处的机械脱开等原因造成开路。

2 失磁异步运行的工作原理发电机失去励磁后，由于励磁绕组电感较大，励磁电流If及其产生的磁通φf，将按指数规律衰减到零，如图1所示，在励磁电流If减少时，电势Ef也随着减少，功率极限也随之下降，如图2所示。

功角θ将增大，定子合成磁场与转子磁场间的吸引减少。

发电机的转子力矩平衡关系将随着电磁力矩的下降而打破。

由于原动机主力矩未变，所以转子将获得使其加速的过剩转矩。

当励磁电流If减少时到θ角大于90㎜时，转子就可能超出同步点而失步，进入异步运行状态。

图1励磁电流衰减曲线图2 转矩、电势与功角θ的关系发电机失磁进入异步运行状态，由电网向发电机定子送入励磁电流，此电流在定子内感应出电势E，同时在气隙内产生旋转磁场。

由于转子转速超过同步转速，转子与旋转磁场间发生相对运动，其转差n1-n=Sn1(n1为定子磁场的同步转速，n为转子失磁后的转速)，转子以转差Sn1的速度切割定子旋转磁场。

同步发电机失磁异步运行的机电暂态仿真摘要同步发电机的失磁异步运行是指同步发电机失去励磁后，仍带有一定的有功功率，以低滑差与电网继续并列运行的一种特殊运行方式。

在该运行方式下，发电机从电网吸收大量的电感性无功功率，定子电流增大，定子电压下降，有功功率减少。

从提高供电可靠性和不致即刻致使电网发生大的有功功率缺额的观点看，失磁后的汽轮发电机最好不立即从系统解列而维持一段时间在电网上运行，使我们有可能寻找失去励磁的原因并恢复励磁。

因此，失磁异步运行作为一种过渡的运行方式有很大的实际意义。

文章分析了同步发电机失磁运行的原因及现象，解释了失磁异步运行的必要，从失磁后发电机各参数的变化了解了失磁异步运行与同步运行的区别，运用数学模型和数值仿真分析了同步发电机失磁异步运行的物理过程。

关键词：同步发电机；失磁运行；机电暂态过程；数学分析；数值仿真THE ELECTROMECHANICAL TRANSIENT SIMULATION UNDER SYNCHRONOUS GENERATOR’S EXCITATION-LOSS ASYNCHRONOUS OPERATIONABSTRACTSynchronous generator field loss asynchronous operation after loss refers to the synchronous generator excitation, still have certain active power, with a low slip juxtaposed with grid continues to run a special operation mode.Under the operation mode, the generator from the grid to absorb a large number of inductive reactive power, the stator current, the stator voltage drop, active power reduction.From the reliability of power supply and not immediately in case of large active power deficiency point of view, the steam turbine generator after magnetic loss should not immediately from the system to maintain a period of time on the grid operation, we could find the cause of the loss of excitation and restore excitation.Therefore, excitation-loss asynchronous operation as a transitional operation mode has great practical significance.The article analyses the reasons of the synchronous generator field loss operation and phenomenon, explains the necessary of the excitation-loss asynchronous operation, from the changes of the generators of each parameter of the excitation-loss understand the excitation-loss run asynchronous and synchronous operation of the difference, mathematical model and numerical simulation analysis of the synchronous generator is the physical process of magnetic asynchronous operation.Key words:Synchronous generator; Excitation-loss operation; Mechanical and electrical transient process; Mathematical analysis; The numerical simulation1绪论 (1)1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3课题研究的内容 (4)2 同步发电机失磁异步运行的概述 (5)2.1同步发电机失磁的情形 (5)2.2同步发电机失磁后异步运行的条件 (5)3 同步发电机失磁后的机电暂态过程及数学分析 (7)3.1同步发电机的失步 (7)3.2同步发电机的异步运行 (8)3.3同步发电机的再同步过程 (9)3.4失磁后观察到的现象 (10)3.5励磁回路开路时的异步运行特性 (11)3.5.1 异步功率 (11)3.5.2 无功功率 (12)3.5.3 定子电流 (12)3.5.4 励磁绕组电压 (13)3.5.5 转子中的损耗 (13)4 同步发电机失磁异步运行的数值仿真 (15)4.1简单系统的失磁异步运行数值仿真 (15)4.1.1 简单系统的数学建模 (15)4.1.2 仿真模型的建立 (18)4.1.3 仿真的结果 (20)4.1.4 仿真结果分析 (23)5 总结与心得体会 (25)参考文献 (26)致谢 (28)1 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着社会经济的发展与进步，人口数量的不断增长，人民生活用电量不断增加，电力系统的规模日益壮大，技术也不断提高，发电机组的容量越来越大。

空压机同步电机失磁的分析和处理摘要：失磁问题对于同步电动机而言伤害是十分巨大的，由于我是初次遇到同步电动机的失磁问题，因此对这种现象并不是非常了解，所以在这里探讨一下同步电动机失磁的具体解决办法。

同步电动机失磁的通常现象，同步电动机定子电流以额定电流的3-5倍增长，转速急剧降低，考虑是异步电动机并且转子回路开路。

这样电机的状态为电机转速急剧下降，电机定子电流急剧上升，对同步电动机的损害十分严重。

一、前言我厂2002年建成投产的空分（即15000m3／h 制氧机）为炼钢生产发挥了巨大的作用。

该制氧机的安全稳定运行对炼钢生产影响很大。

离心空压机是制氧机配套的关键设备，担负着向空分提供原料压缩空气的重要生产任务，空压机能否连续安全稳定生产，直接关系着空分氧、氮、氩乃至炼钢和炼铁的稳产高产。

因此，确保空压机完好率显得尤其重要。

H700型离心压缩机主要技术参数如下：型号：3MSGE---25/15型离心空压机：进口容积流量：78000m3/min 1-2级转子转速：9560r/min 进口压力：0.093MPa(绝压) 3级转子转速:12084 r/min排出压力: 0.62 MPa(绝压) 大齿轮转速：1500 r/min轴功率：6431kw配套电机二、问题的发生2009年4月3MSGE---25/15型空压机因高压电事故非正常停机，到现场检查发现压缩机联轴器的电机侧膜片处由于承受过载，高温熔断损坏特别严重，电机地脚定位销变形，而且电机位移达10mm左右，此时空压机主电机还在以3000r/min的转速进行运转，现场紧急停车按钮失去作用，到高压室内19号运行柜上紧急停车按钮失去作用，当时看到电流值在100A左右，就直接使用开关上机械跳闸按钮使开关直接跳开。

停机后设备已不能正常开机。

于2008年5月3日开始对空压机拆卸检修，并且对其电气故障进行检查失磁问题对于同步电动机而言伤害是十分巨大的，同步电动机失磁的通常现象，同步电动机定子电流以额定电流的3-5倍增长，转速急剧降低，可以看作是异步电动机并且转子回路开路的情况。

大型发电机失磁过程及失磁保护动作特性分析摘要:在电力系统保护中,同步发电机的失磁保护是最重要的保护之一。

励磁故障涉及发电机大干扰稳定性,是一个复杂并难以解决的问题。

大型发电机失磁过程伴随着定子侧电压、电流、有功、无功,转子侧励磁电压、电流以及转差的交错变化;对失磁过程中电磁量的变化进行详细分析是改进和完善发电机失磁保护的基础。

现有的保护判据在非失磁的其他工况下均有可能误动,因此,对不同失磁保护的动作特性进行研究就十分有必要。

通过Matlab分析失磁过程中电气量的变化,对现有几种保护判据的动作特性进行分析。

关键词:发电机失磁仿真失磁保护动作特性同步发电机励磁故障分为低励和失磁,所谓低励是指实际励磁电压低于静稳极限所必需的励磁电压;失磁即为发电机完全丧失励磁[1]。

统计数据表明,励磁故障约占发电机总故障的60%以上[1～2]。

因此,更深入地研究发电机励磁故障特征,提高发电机励磁保护与控制水平,对保证机组本身和电力系统的安全稳定具有十分重要的学术意义与工程实用价值。

在电力系统继电保护中,发电机失磁保护是最为重要、复杂的保护。

目前,以定子回路参数特征为判据的失磁保护通常在阻抗平面上实现,用机端测量阻抗来反映励磁故障仍是当前同步发电机失磁保护的主流,具体可反映励磁故障后出现的如下3种状态:(1)发电机大量吸收无功;(2)功率角越过静稳定边界;(3)发电机进入稳定的无励磁运行状态,机端测量阻抗的轨迹进入异步边界。

由此可鉴别发电机是否失磁。

目前,大容量发电机失磁保护判据有3种[2～8]:(1)静稳极限阻抗圆判据;(2)静稳极限有功与最小励磁电压关系判据;(3)异步边界阻抗圆判据。

本文通过对励磁故障后发电机端的相关参数的变化进行Matlab仿真计算分析保护的动作特性,发现这些阻抗圆判据都存在一些不足。

1 发电机失磁过程定性分析2 发电机失磁过程定量分析—Matlab仿真为了定量研究发电机失磁过程,建立如图2所示仿真系统,计算各电磁量变化情况。

同步发电机励磁控制系统的仿真研究同步发电机励磁控制系统是电力系统中的重要组成部分，对于维持电力系统的稳定运行和确保电能质量具有重要意义。

随着科学技术的不断发展，对于同步发电机励磁控制系统的研究也在不断深入。

本文将介绍同步发电机励磁控制系统的研究现状，并提出一种仿真研究方案，通过实验验证该方案的有效性，最后总结文章的主要观点和成果，并指出不足之处和未来研究方向。

在现有的研究中，同步发电机励磁控制系统主要分为有功功率控制和无功功率控制两部分。

有功功率控制主要是通过调节励磁电流来控制发电机的转速，从而维持电力系统的稳定运行。

而无功功率控制则主要是通过调节励磁电流来控制发电机的端电压，从而确保电力系统的电压稳定。

然而，现有的研究主要集中在有功功率控制上，对于无功功率控制的研究相对较少。

针对现有研究的不足之处，本文提出了一种仿真研究方案。

在仿真环境中搭建了同步发电机励磁控制系统，并选取了相应的仿真参数。

在仿真过程中，通过调节励磁电流来控制发电机的转速和端电压，并记录仿真结果。

通过对比不同励磁电流下的仿真结果，可以得出励磁电流对发电机性能的影响。

在实验部分，本文选取了一台实际运行的同步发电机进行实验，通过调节励磁电流来控制发电机的转速和端电压，并记录实验结果。

实验结果表明，随着励磁电流的增加，发电机的转速和端电压均有所增加。

同时，本文还将仿真结果与实验结果进行了对比，发现两者具有较好的一致性。

通过本文的研究，可以得出以下同步发电机励磁控制系统对于电力系统的稳定运行和电能质量具有重要意义；现有的研究主要集中在有功功率控制上，对于无功功率控制的研究相对较少；通过仿真研究可以更加深入地了解励磁电流对发电机性能的影响；实验结果与仿真结果具有较好的一致性。

然而，本文的研究还存在一些不足之处。

仿真研究是一种理想化的研究方法，与实际运行情况可能存在一定的差异。

实验样本仅仅是一台实际运行的同步发电机，样本数量较少，可能无法全面反映实际情况。