周如桂
[摘 要]从发电机发出的功率和负荷功率平衡原理，阐述了振荡和失步的现象原因分析，提出了解决问题的措施和方法。
[关键词]发电机 振荡和失步 现象原因分析 解决措施
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0153-01
发电机振荡原因如下：负荷的突然变化，大型机组失磁，原动机调速系统失灵，系统突然短路，大机组或大容量线路突然断开，以及其它人为操作不当造成的干扰等。本文以短路引起系统骚动为例，说明振荡和失步的现象及原因。
1、功角特性
同步发电机输出的有功功率和δ角有关，它们之间的关系符合下述公式： Pdc=m*UE0/Xd*sinδ
式中，Pdc为电磁功率;m为相数;U为端电压;E0为发电机感应电势;Xd为发电机的同步电抗;δ为端电压U和感应电势E0间的夹角。因为δ能表示发电机输出功率的大小，所以称它为“功角”，Pdc与δ的这种关系便称发电机的功角特性。
2、振荡和失步现象原因分析
振荡分为同步振荡和非同步振荡，振荡时δ角在0—360°范围内变化。发电机在0—180°范围内送出有功，在180°--360°范围内吸收有功，电流、功率等都发生剧烈的摆荡。
当短路时能保持住同步的振荡，一般经过一个或几个摇摆时间后就稳定在小于90°的新功角值运行，而当短路时可能失步的振荡，通常也在第一个摇摆期间或第二个摇摆期间就步出同期，因此对于后者，我们平常从表计上很难看清由振荡到失步的情况的明确界限。
振荡或失步的现象如下：
（1） 定子电流表的指针剧烈摆动，电流有可能超过正常值。
电流的变化与功率的变化有关电流中含有平衡电流和负荷电流，平衡电流与电网参数及功角δ的大小有关，δ为180°时的电流最大。
（2） 发电机定子电压表和其他母线电压表的指针剧烈摆动，且经常是降低。
电压摆动的原因也是由于δ的变化引起的，各点电压降低时由于平衡电流与负荷电流在阻抗上的压降引起的，电压降低的程度在各点不一样。
（3） 有功电功率表的指针在全刻度摆动。
这是因为发电机在未失步时的振荡过程中送出的有功功率时大时小，以及失步时有时送出有功有时吸收有功的缘故。
（4） 转子电流及电压表的指针在正常值附近摆动。
电机在振荡或失步时，定子磁场和转子之间就有相对速度，转子的线圈和其他金属部分中都会感应起交变电流，这个电流的大小与定子的磁场有关，也就是说与定子电流的大小有关，还与转子、定子磁场之间的相对速度有关。现在定子电流波动，所以也就使这个电流波动，在转子线圈中这个波动的电流叠加在原来的励磁电流上，就使得转子电流表的指针在正常值附近摆动。
3、振荡和失步的原因
发电机并网运行情况可用功角特性来分析，设发电机经变压器和线路连接到无穷大系统的高压线路母线上。这里Uδt 是系统中变电所的母线电压，x 是从发电机到变电所母线的综合电抗，包括发电机电机Xd，变压器电抗xb、线路电抗xx的等值网络电抗。δ是Ed和Uxt的向量夹角，曲线表示正常工作时的特性，PO输入功率，正常工作点为a点，对应的角度为δ。当系统发生短路时，电源间的综合电抗发生变化，假设平行的一条线路被切除使x变大，由x变为x，这时发电机输出功率也发生变化，由于转子有惯性，转速不能突变，刚短路时的瞬间δ间未变，所以发电机的运行点将由a 点落到b点。B点上功率是不平衡的，此时，输入功率大于输出功率，反应在转子上就是力矩不平衡，主力距大于阻力矩，在过剩力矩作用下，转子开始加速，δ角增大。在功角特性上，运行点从 b点向c点方向变化。在δ角增大的同时，输出功率也增大，即阻力矩也增大，当到达c点时，输入功率和输出功率平衡，理应停在这个点上运行，由于转子的惯性作用，还会往前冲，于是越过c点，角度继续增大。但是δ角一过c点，输出功率反而大于输入功率，阻力矩大于主力距，在相反的过剩力矩的作用下，转子的转速便会减慢。当达到d点时，转子惯性所起到的作用消失，单在这个点上是稳定不住的，发电机的输出功率大于输入功率，阻力矩大于主力矩，在这个过剩力矩作用下，转子减速，δ角开始变小，运行点从d点向c点方向变化，当到达c点时，又由于转子的惯性关系，不能停留在c点而继续从 处 点向b 点方向减速，δ角重新回到b点，惯性消失，但在b点附近又有过剩力矩作用，于是又开始新的摆动，象这种围绕着新的平衡值，角度时大时小来回变化，转子速度环绕着同步转速时高时低的。
振荡有两种可能的结果，一种是发电机能稳定在新的工作点保持同步运行，一种是可能造成发电机失步。
当发电机在c 点的周围来回振荡时，发电机转子和定子磁场有了相对速度，这样在转子上的阻尼线圈或槽楔、铁芯表面、转子线圈等处便会感应电流来，这个电流与定子磁场作用就会产生阻尼力矩，即异步力矩。阻尼力矩总是起 转子的转速变化作用的，故当上述在b、d点范围内振荡时每次来回变化的幅度会愈来愈小，振荡会很快衰减下来，最后稳定在新的工作点c 上继续运行，此时功率达到平衡，这属于第一种情形。如果振荡开始时过剩力矩很大，转子的冲劲很大，到达d点时相对速度还没有降到零，即惯性还在起作用，乃继续往前冲，一直冲到越过横线P0和曲线的另一个交点e后，此时由于角度越大，阻力矩愈小，过剩力矩愈大，转子更加速，功率不平衡了，δ超过180°，发电机就会造成失步，这是上面所说的第二种情况。这里的δe是个临界角度，振荡摆过了这个角度就会遭到失步。
4、运行中应采取的措施
若发生趋向稳定的振荡，即愈振愈小，侧不需要操作，振荡几下就过去了，只需做好处理事故的思想准备。
若造成失步，侧应尽快创造恢复同期的条件，一般可采取下列措施：
（1）增加发电机的励磁。对于有自动调节调整器的电机，不要退出调整器和强励，可任其自由动作调整励磁，对于无自动电压调整器的电机侧要手动增加励磁。增加励磁的作用是为了增加定、转子磁极间的拉力，以削弱转子的惯性作用，使电机较易在到达平衡点附近拉入同步。
（2）若一台电机失步，可适当减轻它的有功出力，即关小气门这样容易牵入同步。这好比减少转子的冲劲。若是系统的两个部分失去同期，侧每个电厂都根据具体情况增荷或减荷，不要一概减少出力。因为这时送端系统周波升高，受端系统的周波降低，周波低的电厂应增加有功出力，同时将电压提高到最大允许值，周波高的电厂应降低有功出力，以降低周波尽量接近于受端的周波，同时也要将电压提高到最大允许值。
（3）按上述方法进行处理，经1—2min后乃未进入同步状态时，即可将失步电机与系统解列，或按调度要求，将非同期两部分系统解列。
处理这种事故，一方面要冷静沉着的分析，准确的判断;另一方面要有整体观念，及时报告调度，听从指挥。
电力系统中采用快速保护、高速开关、强励、自动电压调整器、微机励磁、快速励磁系统等措施，都是为了提高系统的稳定，减少系统的振荡和失步事故。
参考文献：
1、《电气设备运行》山西省电力工业局编中国电力出版社1997.5
2、《电机学》周颚，徐德锦北京水力电力出版社，1988.6
