同步電機(jī)是廣泛采用的重要電氣設(shè)備之一，它的運(yùn)行安全性和連續(xù)性對生產(chǎn)往往具有重大影響，但同步電機(jī)運(yùn)行過程中不可避免地會由于種種擾動而引起失步，而在工礦企業(yè)中由于斷電而造成電動機(jī)失步的故障非常普遍，失步事故輕則造成生產(chǎn)的中斷或工藝流程的混亂，重則還會造成設(shè)備損壞和其它嚴(yán)重事故。

同步電動機(jī)的斷電失步保護(hù)就是為了在遇到各種失步事故時，既保障電機(jī)設(shè)備的安全，又保持連續(xù)運(yùn)行而采取的綜合性技術(shù)措施。

一、 同步電機(jī)斷電失步保護(hù)在煙氣能量回收機(jī)組中應(yīng)用中存在的問題

煙氣能量回收機(jī)組是催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它是由煙機(jī)、軸流壓縮機(jī)（風(fēng)機(jī)）、汽輪機(jī)和同步電機(jī)及其輔助系統(tǒng)組成，高壓同步電機(jī)（6kV 3200kW）是機(jī)組中重要的電氣設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)工藝的調(diào)整可以在電動和發(fā)電的工況下運(yùn)行，它的運(yùn)行安全性和連續(xù)性對煙氣能量回收機(jī)組正常運(yùn)行具有重大影響。

煙氣能量回收機(jī)組

同步電機(jī)的保護(hù)設(shè)置有許多，如電流速斷保護(hù)、差動保護(hù)、接地保護(hù)、斷電失步保護(hù)等，由于斷電而造成電動機(jī)失步的故障非常普遍，因此斷電失步保護(hù)及帶載再整步技術(shù)是非常必要的，但該技術(shù)在我廠煙氣能量回收機(jī)組的實際應(yīng)用中存在保護(hù)死區(qū)。

同步電機(jī)斷電失步保護(hù)設(shè)計原理圖

當(dāng)兩段母線中任意一段供電電源中斷時（一般大于0.2秒），失壓段母線電壓頻率的下降與電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降成正比，且比電壓的幅值下降要顯著得多，低周繼電器(DZJ )啟動，該母線的電壓在電源中斷期間，將由接在該母線上的同步電動機(jī)來維持，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，兩段母線同相電壓向量之間（2YMC C630和1YMC C640）的相角逐漸增大。

當(dāng)這一相角差大于某個角度時，達(dá)到相位差繼電器(CYJ)的動作整定電壓值時（實際整定為70V），相位差繼電器啟動，利用低周繼電器和相位差繼電器組成與門，就能相當(dāng)準(zhǔn)確而迅速地判斷出電機(jī)失步，啟動斷電保護(hù)出口繼電器DCJ，由DCJ繼電器的一個輔助觸點(diǎn)去跳該段母線的進(jìn)線開關(guān)，DCJ的另一個輔助觸點(diǎn)同時去滅磁.

當(dāng)失壓段母線殘壓下降到40％額定電壓時，低電壓繼電器BYJ線圈失電，則中間繼電器YZJ的常閉輔助觸點(diǎn)接通母聯(lián)開關(guān)的APD回路，母聯(lián)開關(guān)合閘，同步電機(jī)再加速，拉入亞同步，勵磁系統(tǒng)通過滑差和計時投勵環(huán)節(jié)，將電機(jī)拉入同步正常運(yùn)行，即同步電機(jī)的帶載自動再整步。

我廠斷電失步保護(hù)技術(shù)在實際應(yīng)用中暴露以下弊端：當(dāng)同步電機(jī)在正常運(yùn)行時，其所在的6kV II段母線發(fā)生波動（大于0.2秒），斷電失步保護(hù)不啟動，造成該段進(jìn)線開關(guān)不跳閘，更為嚴(yán)重的是，有時由于同步電機(jī)的電壓反饋作用，該站上級110kV變電站母線電壓降落很小，影響APD裝置的正確動作。

二、 同步電機(jī)斷電失步保護(hù)煙氣能量回收機(jī)組中的問題分析

經(jīng)過仔細(xì)研究，我們認(rèn)為，當(dāng)其所在的6kV II段母線發(fā)生波動（大于0.2秒）時，由于母線電壓頻率的下降與電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降成正比，煙機(jī)和汽輪機(jī)做為原動力，拖著同步電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速未發(fā)生大的改變，因此兩段母線同相電壓向量之間的相角變化較小，故低周繼電器(DZJ )和相位差繼電器(CYJ)未啟動，因此斷電保護(hù)出口繼電器DCJ也就不能啟動，因此該母線的進(jìn)線開關(guān)不跳閘，不僅影響APD裝置的正確動作，長時間同步電機(jī)會發(fā)生失步失勵運(yùn)行，不利于設(shè)備運(yùn)行的安全性和連續(xù)性。

三、 同步電機(jī)失步的危害及改善斷電失步保護(hù)的合理途徑

同步電機(jī)在正常運(yùn)行過程中，不可避免地會受到各種各樣的擾動，當(dāng)這些“擾動”的幅度或最大值大到一定程度，超出電機(jī)的穩(wěn)定極限，就會引起電機(jī)失步，造成生產(chǎn)中斷和設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。同步電機(jī)受到各種擾動而失步的過程，既是一個機(jī)電暫態(tài)過程，又同時伴隨著電磁暫態(tài)過程。

在接有旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高壓配電站母線上，當(dāng)發(fā)生瞬間斷電時，由于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)子磁場的存在，在斷電段母線上將由此而呈現(xiàn)感應(yīng)電勢。

當(dāng)母線上接有同步電機(jī)時，該感應(yīng)電勢在斷電后的一段時間內(nèi)，其值會高出供電電壓，如此時由備用電源自投（APD）使供電恢復(fù)時，電機(jī)會受到不同程度的非同期沖擊，使電機(jī)受到不同程度的損傷，電機(jī)所受非同期沖擊轉(zhuǎn)矩的最大值，一般可高達(dá)電機(jī)出口三相短路沖擊轉(zhuǎn)矩的三倍以上，即高達(dá)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的二十多倍甚至三十倍左右，這是電機(jī)所不能承受的.

它將引起電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組崩裂，絕緣損壞，大軸、軸銷和聯(lián)軸器扭壞，并可能進(jìn)一步引起電機(jī)內(nèi)部短路、起火等一系列嚴(yán)重事故。在工礦企業(yè)中由于斷電而造成電動機(jī)失步的故障非常普遍，電源短暫中斷期間，同步電機(jī)的電壓反饋作用影響APD裝置的正確動作，不僅影響機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行，甚至影響電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的正確性。

同步電機(jī)的失步事故，絕大多數(shù)都是由“非電機(jī)本身故障”所引起，且造成失步危害的根本原因是定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互沖突，因此同步電機(jī)的失步保護(hù)一般地說都沒有必要跳閘停機(jī)，與勵磁裝置相配合，采用“快速滅磁”的方法。

首先熄滅轉(zhuǎn)子磁場，避免定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互沖突，消除失步危害，暫時把同步電機(jī)轉(zhuǎn)入無勵異步行程，待“造成失步的擾動”已過去，帶載再整步條件已滿足時，重新投勵，實現(xiàn)自動再整步。

這種帶載再整步的方式，既保障設(shè)備安全性，又保持運(yùn)行連續(xù)性，也就是說，進(jìn)一步把同步電機(jī)的帶載自動再整步，作為處理同步電機(jī)各種失步事故的，普遍適用的保護(hù)和自動化措施或途徑。

同步電機(jī)的帶載再整步機(jī)電暫態(tài)過程一般可以劃分為三個發(fā)展階段，即：失步制動階段、異步驅(qū)動階段和再整步階段。

四、同步電機(jī)斷電失步保護(hù)在煙氣能量回收機(jī)組中應(yīng)用的改進(jìn)

針對斷電失步保護(hù)存在的問題和斷電保護(hù)的改善途徑，首先我們制定了一個整定原則，即當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動在0.4秒以內(nèi)時，斷電失步保護(hù)不啟動，對設(shè)備的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性幾乎無影響。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動在0.4秒至3秒內(nèi)時，啟動斷電失步保護(hù)，通過滅磁環(huán)節(jié)，降低同步電機(jī)所在的6kV II段母線電壓，待上級110kV變電站APD動作，使同步電機(jī)重新得電繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動在3秒以上時，上級110kV變電站APD發(fā)生故障未動作，則斷電失步保護(hù)動作使同步電機(jī)所在的6kV II段進(jìn)線開關(guān)跳閘，本站的APD動作，使同步電機(jī)重新得電繼續(xù)運(yùn)行。

我們將斷電失步保護(hù)進(jìn)行了如下改進(jìn)：新增一個帶返回的低電壓繼電器kV，三相電源來自勵磁柜380V電源側(cè)，低電壓整定為70％額定電壓，其輸出觸點(diǎn)延時0.4秒動作。當(dāng)同步電機(jī)所在的6kV II段母線發(fā)生波動在0.4秒以內(nèi)時，低電壓繼電器kV的輸出常開觸點(diǎn)不動作，斷電保護(hù)出口繼電器DCJ線圈不得電，斷電保護(hù)不啟動。

當(dāng)電網(wǎng)波動超過0.4秒時，低電壓繼電器kV的延時常開觸點(diǎn)閉合，斷電保護(hù)出口繼電器DCJ線圈得電，斷電保護(hù)啟動，DCJ的一個常開觸點(diǎn)閉合啟動滅磁回路，滅磁后母線電壓會在約1秒內(nèi)下降到40％額定電壓，由于該站上級110kV變電站的APD時間為2秒，因此同步電機(jī)所在的6kV II段母線重新得電，電機(jī)受電后繼續(xù)運(yùn)行，勵磁裝置在滅磁后計時8秒再投勵使同步電機(jī)拉入同步。

如果低電壓時間超過3秒以上，時間繼電器SJ常開觸點(diǎn)閉合，此時斷電失步保護(hù)動作跳本段進(jìn)線開關(guān)，同時本站的APD回路啟動，使母聯(lián)開關(guān)合閘（此時母線電壓因為滅磁動作下降很快，降到額定電壓的40％以內(nèi)），將另一段的電源送來，啟動電機(jī)再投勵，使同步電機(jī)拉入同步，既保證了同步電機(jī)的連續(xù)性運(yùn)行，同時不影響電力系統(tǒng)的APD正確動作。

二次回路改造完成后，我們做了以下傳動試驗：

1. 對同步電機(jī)所在的6kV II段母線的上級饋線開關(guān)進(jìn)行如下操作：由合閘狀態(tài)切至分閘狀態(tài)，再立即由分閘狀態(tài)切至合閘狀態(tài)，以上的操作在2秒內(nèi)完成，模擬電網(wǎng)波動時間在0.4秒至3秒期間。試驗結(jié)果表明，低電壓繼電器kV動作，滅磁啟動，延時約8秒，勵磁系統(tǒng)投勵成功，同步電機(jī)運(yùn)行正常，同步電機(jī)所在的6kV II段母線的進(jìn)線、母聯(lián)開關(guān)未動作。

2. 對同步電機(jī)所在的6kV II段母線的上級饋線開關(guān)進(jìn)行如下操作：由合閘狀態(tài)切至分閘狀態(tài)，模擬電網(wǎng)波動時間大于3秒。試驗結(jié)果是，低電壓繼電器kV動作，滅磁啟動，延時約8秒，勵磁系統(tǒng)投勵成功，同步電機(jī)所在的6kV II段母線的進(jìn)線開關(guān)跳閘，母聯(lián)開關(guān)合閘成功，同步電機(jī)運(yùn)行正常。

五、結(jié)論

經(jīng)過試驗證明，改進(jìn)后的斷電保護(hù)在各種低電壓的情況下動作正確，與勵磁裝置相配合，對同步電機(jī)進(jìn)行滅磁再整步，提高了生產(chǎn)的安全性、連續(xù)性和供電的可靠性。

綜上所述，同步電機(jī)斷電失步保護(hù)設(shè)計應(yīng)根據(jù)各單位同步電機(jī)具體工藝、主接線等情況確定，在設(shè)計斷電失步保護(hù)時，要考慮APD裝置和自動重合閘裝置的電源的配合，采取對生產(chǎn)、對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有利的保護(hù)方式。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為馬強(qiáng)、劉楊。）