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

　　发电机振荡原因如下：水轮机输入力矩突然变化如调速器发卡又恢复动作，系统突然短路，大机组或大容量线路突然断开等。本文以短路引起系统骚动为例，说明振荡和失步的原因。

1　功角特性
　　根据实践经验和试验研究证明，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：

式中，P_dc为电磁功率；m为相数；U为端电压；E₀为发电机感应电势；X_d为8发电机的同步电抗；δ为定子磁极中心线和转子磁极中心线的夹角（也是端电压U和感应电势E₀间的夹角。）　　公式中P_dc与δ的关系是一正弦曲线，它有最大值P＝m（UE₀／X_d），出现在δ＝90°时。因为δ能表示发电机输出功率的大小，所以称它为“功角”，P_dc与δ的这种关系便称发电机的功角特性。
2　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，如图1所示。这里，U_δt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X_d，变压器电抗X_b、线路电抗X_X的等值网络电抗。其功角特性如图2所示，δ是E_d和U_xt的向量夹角，曲线1表示正常工作时的特性，水轮机的输入功率为P₀，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，功率特性由曲线1变到曲线2，（最大值）。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，主力矩大于阻力矩，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，阻力矩大于主力矩，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，但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C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情况就叫做“振荡”。

　　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。阻尼力矩总是起反对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，仍继续往前冲，一直冲到越过横线P₀和曲线2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，功率平衡不了，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δ_e是个临界角度，振荡摆过了这个角度就会遭到失步。
3　振荡和失步现象原因分析
　　所谓失步、非同期状态，指转子转速不再和定子磁场的同步的转速一致，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°（或说～－180°）范围内吸收有功、电流、功率等都发生剧烈的摆荡。
　　在非同期运行过程中，发电机轴上除作用着由励磁产生的同步力矩外，还会出现与转差相关的异步力矩，在这两个力矩的作用下，经过若干个非同期循环后，失步的发电机其转速还有可能接近同步转速而被重新拉入同步，这种情况称为“再同步”，不过一般要采取一些措施之后，才能恢复同期。
　　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。
　　系统中一台发电机发生振荡，或某处故障，将影响并在系统中的其他各台机组。有时是某一个电厂的一台机或多台机与系统之间产生振荡，有时甚至是电力系统的这一部分和那一部分之间失去同期并发生剧烈的振荡，在这种情况下整个系统电压和频率都要发生变化，电流和功率产生剧烈的振荡，问题就变得很复杂，但它们的主要性质还是和上面所说的一样。如果分析两台发电机或系统的两个部分之间的振荡情况，δ角就可理解为发电机电势之间的夹角。
　　发电机内部在振荡时的情况分析见图3。原来电机的功角为δ₀，因某原因使力矩平衡破坏，主力矩大于阻力矩，转子得到加速，与定子磁极拉开距离，相当于“弹簧”拉长。理应在a轴处停住。因为转子有惯性，没有停住，直往前冲。但一过a轴，就遇到阻力。到b轴处，惯性作用耗尽。被拉长的“弹簧”又往回缩，转子开始往回移动。移到a轴处仍因惯性作用滑过了头，移到O轴。在O轴处，力矩仍不能平衡，转子开始重复上述过程。这种围 绕a轴左右来回摆动过程就是发电机振动过程。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。
　　因为发电机电势间的夹角发生变化，出现了电势差，在电势差的作用下，发电机之间流过环流，又由于转子转速的摆动，使电势间的夹角时大时小，力矩和功率也时大时小，因而造成环流也时大时小，所以定子电流表的指针来回摆动，而这个环流加上原来的负荷电流，其值就有可能超过正常值。
　　（2）发电机电压表和其他母线电压表的指针剧烈摆动，且经常是降低。
　　在两个振荡部分之间连接网络上的各点电压，包括电厂的主母线及发电机母线上的电压，都和两个振荡部分电机电势间的夹角有关，夹角变化，电压也就摆动。系统中两个振荡部分的电源间还有一个电气中心点，此点电压最低。其他各点一般也比正常时低，这是因为电流大，压降也大的缘故，但发电机电压的波动幅度不是很大的，当有自动电压调整器时，电压的波动幅度就更小。
    （3）有功电力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。
　　在事故情况下，运行着的各台电机的表计都在摆动，监盘时可从以下方面来辨别哪台机失步：（1）由于本厂发生事故引起失步，可从本厂的操作原因或故障点来判定哪一台有关机组可能失步；（2）失步电机的的表针摆动幅度比别的电机厉害；（3）失步电机有功电力表的摆动是全刻度的，甚至撞到两边的针档。而其他机组则在正常负荷值左右摆动，且失步电机的有功电力表的表针摆向零或负时，其他电机的表针则摆向正的指示值大的一侧，即两者摆向正好相反。
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，则不需要操作，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，则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，则要手动增加励磁。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，即关小水门，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，则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1～2 min后仍未进入同步状态时，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，一方面要冷静沉着地分析，准确地判断；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］　周鹗，徐德淦，等．电机学［M］．北京：水利电力出版社，1988．6
［2］　哈尔滨电机制造学校．电机学［M］．北京：机械工业出版社，1979．9．
［3］　包头供电局《实用电工技术问题》编写组．实用电工技术问答［M］．内蒙古：人民出版社，1982．5．