非同期并列对汽轮发电机组的危害
王步华
河南省电力局
汽轮发电机组非同期并列时，将产生较大的冲击电流和电磁转矩。冲击电流对发电机定子端部绕组将产生强大的应力，电磁转矩则对轴系统产生强大的扭应力，轴系扭振形成疲劳损耗，缩短有效使用寿命，重则大轴即时断裂。按扭振疲劳损耗百分数考虑，严重的非同期并列时，每次疲劳损耗大于10%［1］，远超过发电机机端三相短路的疲劳损耗值，是最为危险的单一冲击。
随着大电网、大机组的发展，非同期并列时的轴系扭振问题，必须受到高度重视。大电网的发展，使发电机与系统的联络阻抗减小，非同期并列时的电磁转矩增大。大机组在非同期并列时，更不易进入同步，冲击性的大电磁转矩作用时间较长。
众所周知，发电机非同期并列时，如果合闸角为180°，则冲击电流最大。因而，一般认为180°合闸角下并列为最严重的并列条件。但从电磁转矩的观点来看，180°合闸角下并列并非最严重的并列条件。已有资料［1］、［2］指出，在合闸角为120°左右时并列，电磁转矩最大，因而轴系扭振最为严重。需要指出是，至今还没有资料对合闸角在120°左右并列时电磁转矩最大这一结论进行推导证明，本文将进行此工作。
发电机非同期并列造成轴系统损坏事故在国内外已多次发生，1973年联邦德国一台630 MW汽轮发电机在接近于最不利条件下角差130°并列，结果造成了靠背轮局部变形，其螺丝发生了裂纹，美国也发生过同样事故损坏了对轮螺栓。
1 汽轮发电机非同期并列时的电流和电磁转矩特性
对于隐极式汽轮发电机，假定其并列时的电势与系统电压量值相等，则并列后的电流和电磁转矩如下［3］：
(1)
(2)
式中 I(F)——发电机定子基频交流分量起始幅值；
Xd″——发电机d轴次暂态电抗；
XL——系统电抗；
δ——发电机与系统并列时的合闸角；
M——发电机电磁转矩。
由式(1)，在δ=180°时，合闸冲击电流最大，其值为：
(3)
M由2部分组成：
 为同步转矩
 为脉震转矩。
当 时，电磁转矩达到峰值：
(4)
式(4)中，M(F)为δ的函数，M(F)对δ求导，并令 可得δ=120°。
则
(5)
2 焦作电厂非同期并列事例分析
2.1 事例过程
如图1所示，焦作电厂6号机(200 MW)系发电机—变压器—线路组方式接入系统。
1994年12月8日15时45分，焦作电厂6号机启动，零起升压正常后，15时56分，用焦226同期并列时，6号机电流速断保护动作跳闸。
事后检查发现，焦226开关同期回路无问题，但开关因油压低合闸速度过慢，导致了同期并列条件下事实上的非同期并列。对发电机转子检查发现，发电机至主励磁机间大轴靠背轮螺丝多处扭断，由于靠背轮螺丝的扭断，保护了大轴，否则将可能造成大轴损伤甚至扭断。
2.2 事例分析
根据故障录波数据，焦作电厂6号机三相合闸后，第一个周波三相电流基波分量(以下各值均为SB=100 MV.A下的标么值)：
IA≈IB≈IC≈11
焦作电厂6号机电抗X″d=0.0614
系统电抗XL=0.0866
由式(1)知，U=1可求得 ,从而δ=120°。
可见，焦作电厂6号机非同期并列正处于最严重的并列条件。其电磁转矩为：
该电磁转矩为额定电磁转矩的7倍(额定电磁转矩Me=2.3)，与机端三相短路电磁转矩相同(机端三相短路电磁转矩 。其中脉振电磁转矩( )超过额定电磁转矩的4倍，接近于机端三相短路电磁转矩的70%。如此大的脉振转矩将以50 Hz的频率作用在转轴上，使后者发生50 Hz的强迫扭振，因而造成了靠背轮螺丝的扭断。
3 结语
(1) 汽轮发电机组在合闸角为120°左右并网时，电磁转矩最大，因而对轴系统的扭应力最大。对此，应予以高度重视。对调度运行部门来讲，更应予以特别重视。
(2) 避免汽轮发电机组非同期并列，除加强同期并列装置的监视和维护保证其完好外，还应加强同期开关的监视和维护，防止因开关合闸速度慢造成发电机非同期并列。
参考文献
1 王维俭，候炳蕴.大型机组继电保护理论基础.北京：水利电力出版社1989
2 王梅义，吴竟昌，蒙定中.大电网系统技术.北京：水利电力出版社，1991
3 高景德，张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法.北京：科学出版社，1985
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