某发电机的一次失步故障原因分析和防范措施(一)
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某发电机的一次失步故障原因分析和防范措施 郑悦 （茂名热电厂，广东茂名525011）
摘 要：对某发电机发生的一次失步故障进行了分析计算，找出了故障发生的原因。考虑到现有各类标准及规程对此种失步故障的预防和处理均未作明确的规定，为此，提出了防范措施，以期对系统内其他机组的运行有一个警示作用。
关键词：发电机；励磁；失步；防范措施
1 发电机故障过程情况简述
1999年10月10日15时23分，某发电机并入电网运行。由于该发电机自动励磁调节装置故障，转为备用的手动感控励磁运行。到当日的19时35分前，发电机负载有功功率98 MW，220 k V母线电压为230 k V左右。19时35分，发电机静子电流、电压和发电机转子电流、电压发生大幅度摆动，无功功率显示在零值以下，空、氢侧交流密封油泵等交流控制电源的电动机接触器跳闸。运行人员正确判断为失磁失步，迅速将发电机有功功率由98 MW减少到20 MW，机组再同步成功，此时无功功率上升到44 Mvar。
事后检查，排除了因励磁系统设备故障导致失磁失步的可能。
2 失步故障原因分析
根据故障时运行各参数的变化和手动调节励磁时发电机的运行特性，初步判断发电机异常运行的原因是运行人员在增加发电机有功功率时，未能及时和足够地相应增加无功功率，使系统等值机的静态稳定储备系数KP逐步减少超过临界值，或在临界值附近受到系统的小扰动，致使发电机失去静态稳定。
该发电机通过主变压器升压并入220 kV系统。
2．1 各设备的额定参数和电抗标幺值
2．1．1 发电机的额定参数
发电机的额定参数如下：额定容量SGN为125MVA；额定功率PGN为100 MW；额定电流IGN为6．87 kA；额定电压UGN为10．5 k V；发电机直轴同步电抗x Gd为180．6％。
2．1．2 主变压器的额定参数
主变压器的额定参数如下：额定容量STN为120MVA；额定电压UTN高压侧为242 kV，低压侧为10．5 k V；额定电流ITN高压侧为0．286 kA，低压侧为6．60 kA；短路电抗xTd为14．15％。
2.1.3 系统和各设备电抗标幺值（下标“B”含义
值的计算结果如表1所示。 2．2 原因分析
运行人员在发电机有功功率为PG＝62．5MW、无功功率为QG＝31．5 Mvar后，再增加有功功率直至达到98 MW时，均未再增加发电机励磁电流，当时的系统电压约为US＝230 kV，机端电压UG＝10．5 k V。
2．2．1 求失步前的发电机电动势标幺值E＊q、功角δ和静稳储备系数KP
忽略电阻的影响，则此时系统侧有功功率标幺
静态稳定储备系数
《电力系统安全稳定导则》（DL755—2001）3．1．1条规定，在正常运行方式下，按功角计算的静态稳定储备系数KP应为15％～20％。可见，此时的发电机运行工况完全可满足系统静态稳定的要求。
2．2．2 求PG＝98 MW时的发电机电势、功角δ和静稳储备系数KP
在运行人员增加有功功率达到98 MW时，由于一直没有再增加无功功率，故发电机电动势保持不变，即不变。仿上节，可得此时的系统侧有功功率标幺值发电机功角δ＝71．629°，机端无功功率QG＝－18．022 7Mvar，机端电压UG＝9．615 kV。
可见，PG由62．5 MW升至98 MW时，UG下降了约8．4％（0．885 k V），发电机由发出无功变为吸收无功。此时的静态稳定储备系数KP＝5．37％。
可见，在手动调节励磁方式下运行，当PG由62．5 MW升至98 MW时，如果没有相应地同时增加发电机的励磁电流，发电机与系统等值机的功角δ将逐步增加，发电机无功功率、机端电压、静态稳定储备系数均大幅度减少。表面看来，KP虽然小于规程要求，但机组并不会失步。
2．2．3 在PG＝98 MW时，考虑发电机端电压和厂用电的影响结果
实际上，由于在手动励磁方式下，该发电机的手动感控励磁输入电源取自厂用380 V电源（见图1）。随着发电机进相运行的加深，厂用电压下降，励磁电流If按相同比例下降（如考虑隔离变压器和调压器的压降，If将更小），故与If成正比的发电机电动势Eq也将按相同比例下降。当PG由62．5MW增至98 MW时，Eq随UG一起下降了8．4％，即由标幺值1．714 7下降到1．571，此时的静态稳定极限，它明显小于此时的机械功率P＊T＝0．784，KP已变为负值，发电机必将持续加速直到失步。
由此可见，该发电机发生静态稳定破坏的真正原因是发电机在手动励磁方式下运行时，运行人员在用DCS系统自动增加有功功率的同时，没有及时人为地增加发电机的无功功率，随着有功功率的增加，输出无功功率逐渐减少，直至进相运行，功角δ逐渐增大，机端电压UG逐渐降低，导致If和Eq同步减小，静稳极限值下降，当功角达到90°时，达到临界失步状态，而当继续发展致时，发电机就失去静态稳定，进入异步运行状态，此时的功率、电压、电流等均产生剧烈振荡，有关表计大幅度摆动。2．2．4 发电机失步后对厂用电系统的影响