核心提示：　　5發(fā)電機組失磁異步運行牛西澤，邱家俊，塔娜，郎作貴天津大學機械學院，天津372流形理論分析了按結(jié)分叉點附近的動力學特性；數(shù)值仿真分析了失磁異步運行時機組軸系的扭振和功率角的振蕩等機電量的變化規(guī)律；

　　5發(fā)電機組失磁異步運行牛西澤，邱家俊，塔娜，郎作貴天津大學機械學院，天津372流形理論分析了按結(jié)分叉點附近的動力學特性；數(shù)值仿真分析了失磁異步運行時機組軸系的扭振和功率角的振蕩等機電量的變化規(guī)律；最后利用實驗室發(fā)電機組進行了實驗研究，與理論分析結(jié)果吻合良好。

　　同步發(fā)電機的夫磁，包括全失磁和欠激磁，是電力系統(tǒng)的常故障大型機組礎(chǔ)磁環(huán)節(jié)較多史增加了發(fā)生失磁的機會。造成失磁的主要原因有調(diào)節(jié)器故障，副勵磁機故障和發(fā)電機勵磁回路開路或短路等⑴發(fā)電機失磁異步運行后，轉(zhuǎn)子滑極失步，發(fā)電機發(fā)出功功率減少，井從屯網(wǎng)吸，大量無功功率，負荷與電源間，衡會被破壞系統(tǒng)無功儲備不足還可能引起系統(tǒng)振蕩甚至造成電壓崩潰。而失磁后，發(fā)電機若能在段時間內(nèi)采用異步運行方式繼續(xù)工作直至故障排除河以避免因失磁造成的滿負荷解死停機甚至損壞設(shè)備和大面積停電事故，提高發(fā)電機組運行的可靠性，降低經(jīng)濟損失和能源消耗，減少突然切除負荷和起停機次數(shù)，從而減輕對發(fā)電機轉(zhuǎn)子運行壽命的影響3.

　　因此失磁異步運行給電網(wǎng)和機組帶來的影響，是工程上關(guān)注的，要問。

　　失磁后失穩(wěn)異步運行對軸系扭振影響的研宄結(jié)果述不多沐文建立了同步發(fā)電機士方柯與機械扭振方程相耦合的暫態(tài)非線性方程組，采用鞍結(jié)點分叉和中心流形定理給出機組欠激磁失穩(wěn)到異步運行的動力學解釋，分析了機組失磁異步運行時扭振的變化，并利用實驗室發(fā)電機組驗證了理論分析的結(jié)果。

　　1機組模型的建立采用實驗室發(fā)電機組模擬實際發(fā)電機組，實驗?zāi)Ｐ?.以直流電動機通過軸系拖動同步發(fā)電機運行，按機電分析動力學4的方法可建立機組的暫態(tài)數(shù)學模喂。其中需要說明的是發(fā)電機方程取如。1方程，做1變換，各個物理量按制進行標么化；屯動機〃發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角分別為和1相對發(fā)電機組并網(wǎng)后，基準轉(zhuǎn)速為工頻功率角。發(fā)屯機轉(zhuǎn)廣轉(zhuǎn)1間滿足所以乾kiki=ll，b=it；發(fā)電機無阻尼繞組，略去轉(zhuǎn)子阻尼方程，得機組的數(shù)學模型為收稿日期213.

　　基金項目973國家重點基礎(chǔ)研究規(guī)劃資助項目，1998020319.

　　個拉定平衡，6鞍結(jié)分叉點穩(wěn)定平衡焱發(fā)電機勵磁電流沁為直流電動機電樞電流為直流電動機勵磁電流，取為常數(shù)。

　　在模型分析中，把機械振動分析和電路分析中的兩個重要變量扭振角和功率角作為獨立變量，為清楚±也理解機電量的變化規(guī)律提供了方便。方程中各機電參數(shù)的具體數(shù)值可由空載實驗短路實驗以及零功率因數(shù)負載實驗等測得。

　　在實驗和計算中值得注意的是，發(fā)電機同步電抗1等些電參數(shù)會隨不同運行工況而有所改變，所以分析計算時應(yīng)按照相應(yīng)工況取定參數(shù)值，得到的結(jié)果才能較為可靠。

　　2鞍結(jié)分叉點處的中心流形分析由式1容易得出，穩(wěn)態(tài)運行時系統(tǒng)有無窮多對平衡點。在額定工況運行時，取功率角所對應(yīng)的，叫范圍內(nèi)的兩個平衡點外，和雖然模型方程中有強非線性銦合項，但仍可采用平衡點處系統(tǒng)線性化矩陣的特征值來判斷其穩(wěn)定性。易判定呢對應(yīng)的如，矩陣的特征根均具有負實部，為穩(wěn)定平衡點結(jié)點，又寸應(yīng)，1矩陣有具正實部的特征根，為不穩(wěn)定平衡點鞍點。

　　當激磁電流減小或有功負荷尸，大時，鞍結(jié)點，結(jié)點，鞍點隨力的減小或戶的增大，穩(wěn)定平衡點和不穩(wěn)平衡點相互靠近，最終會合消失，會合點即系統(tǒng)的鞍結(jié)分叉點眉出功率角，的分叉九中的豎線將分叉劃分為兩個區(qū)域，即有解區(qū)和異步運行區(qū)。系統(tǒng)受小擾動后，在有解區(qū)，運行會趨向于穩(wěn)定平衡點，而在汗步運行區(qū)域，系統(tǒng)失穩(wěn)異步運行。

　　鞍結(jié)分叉點為兩區(qū)域的分界點。在鞍結(jié)分叉點附近，可以用中心流形的方法將系統(tǒng)降維到個中心方程，以分析系統(tǒng)的運動特征。

　　其余特怔根均具負實部+為鞍結(jié)分叉點。

　　對應(yīng)的特征矩陣7取7=廣尤，所以尤=打，代入式2得中心流形分開1設(shè)代入式4，消去導數(shù)項，比較方程兩邊7的同次冪項系數(shù)，可得14個線性代數(shù)方程，由此可解得奶和機代，式4第。式，得中心流形上的方，為所得扭振角曲線的比較，抒步運行域，發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化幻人相電流波形3失磁異步運行數(shù)值仿真和實驗3.1數(shù)值仿真在異步運行域。可采數(shù)值計算分析各機電，欠激磁失穩(wěn)振蕩曲線同中未標注中位的貴為其標么化值。中單相電流波動的最大值為額定值的1.

　　5倍中發(fā)電機轉(zhuǎn)速周期波動。均值大于出失步后，發(fā)電機發(fā)出有功功率減少，并從電網(wǎng)吸收較大的無功功率；56和為功率角和扭振角的變化。

　　振角最大幅值為0.7，比相同發(fā)電機空載額定運行相短路時最大扭振角2 0要小。

　　其物理機理可以解釋為當欠激磁或失磁異步運行時1發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子相旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速失去同步，出現(xiàn)滑極異步。在每個周期內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁勢的況極相互靠近和離開次，氣隙磁場的極性和強弱發(fā)生1有功功。+振蕩無功功率振蕩0功率角振蕩，扭振波形突變，使得發(fā)電機定子繞組感應(yīng)電流發(fā)生相應(yīng)的突變，因此電磁力矩也發(fā)生相應(yīng)的突變。這種瞬變的電磁力矩又引起軸系的扭振沖擊和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的突變。定轉(zhuǎn)子行了5截斷處理。開始界由略小于于兀2的值緩慢增加，約達到7時發(fā)生突變，迅速增大，滑極約周后，為動態(tài)應(yīng)變儀輸出的扭振信號，需要指出的是估號記錄時，為避免直流偏置過大，采用交流檔；6，為發(fā)電機轉(zhuǎn)速；61為功率角的波動。

　　振蕩波形的變化特點也致，理論結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

　　笮略小于2的怙。完成1個循環(huán)周期的變化。由滑極時的突變引起的磁場突變，使所有各機電量都在同時刻發(fā)生沖擊振蕩現(xiàn)象，因此各量的振蕩周期完全相同。各物理量的振幅和頻率隨勵磁電流和功功率的改變而改變。

　　3.2實驗研究實驗時，發(fā)電機升速并網(wǎng)，先，大勵磁電流，調(diào)節(jié)定的有功功率輸出，逐漸減小勵磁電流，記錄不同勵磁時的失穩(wěn)振蕩波形曲線。相電流信號用互感器取出。

　　功率角由比較發(fā)電機軸端交流信號發(fā)生器輸出的電壓信號與同相電網(wǎng)標準電壓信號的相位差而得。

　　扮扭振波形，發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化⑴功率角振蕩另外，針對不同功率時勵磁電流對失穩(wěn)振蕩頻率和扭振沖擊的影響進行了計算和實驗，結(jié)果7和6.3，實驗流的變化曲線，可，在同有功功率時，失穩(wěn)頻率值隨的減小而增大。在相同勵磁電流的情況下，有功功率越大，失穩(wěn)頻率也越高。系統(tǒng)在額定有功功率全失磁時，失穩(wěn)振蕩的頻率約為1.2出。當力，加時，振蕩頻率減小直到為，系統(tǒng)，恢夂穩(wěn)定遠行。

　　隨勵磁電流的變化。由可，相同勵磁電流時，失磁前有功功率越大，扭振越大，而在同種有功功率時，4結(jié)論發(fā)電機組的欠激磁異步運行是系統(tǒng)經(jīng)鞍結(jié)分叉，平衡點消失后的種失穩(wěn)運行狀態(tài)。在鞍結(jié)分叉點附近可采用中心流形定理分析其動力學特性，而在異步運行區(qū)域，則只能通過數(shù)值計算和相應(yīng)的實驗來尋求失穩(wěn)振蕩的規(guī)律。

　　發(fā)電機失磁或欠激磁異步運行后，扭振角的振蕩頻率隨著勵磁電流的減小而增大，最高約為22，這與機組軸系的階扭振固有頻率和轉(zhuǎn)速般相差較大。若模型中無相關(guān)非線性耦合項，發(fā)生共振的可能較小，但異步運行最大扭振振幅接近額定值的兩倍。長時間異步運行也會對軸系造成疲勞損壞，影響軸系的使用券命。

　　發(fā)電機失磁異步運行時，要從電網(wǎng)吸取較大的無功功率。閃此系統(tǒng)應(yīng)有足夠的無功諸備。同時發(fā)電機定子沖擊電流使定子端部繞組溫，較快。異步運行時，應(yīng)減小有功輸出，從而降低定子電流。

　　姚晴林。同步發(fā)電機失磁及其保護。北京機械工業(yè)出版社，1978.

　　高崇斌，陳班。同步發(fā)電機失磁暫態(tài)數(shù)字仿真與研究整流器單向?qū)ㄌ匦缘挠绊憽ｋ娏ο到y(tǒng)自動化，李偉清，毛國光。國產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機失磁異步運行的實驗研宄。電力系統(tǒng)自動化，1986，1022635.

　　41邱家俊。機電耦聯(lián)動以統(tǒng)的非線1振動1.北京科學出版社，1996本文編輯謹玉梅