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

同步電動機的斷電失步保護就是為了在遇到各種失步事故時，既保障電機設備的安全，又保持連續運行而采取的綜合性技術措施。

一、 同步電機斷電失步保護在煙氣能量回收機組中應用中存在的問題

煙氣能量回收機組是催化裝置的關鍵設備，它是由煙機、軸流壓縮機（風機）、汽輪機和同步電機及其輔助系統組成，高壓同步電機（6kV 3200kW）是機組中重要的電氣設備，根據生產工藝的調整可以在電動和發電的工況下運行，它的運行安全性和連續性對煙氣能量回收機組正常運行具有重大影響。

煙氣能量回收機組

同步電機的保護設置有許多，如電流速斷保護、差動保護、接地保護、斷電失步保護等，由于斷電而造成電動機失步的故障非常普遍，因此斷電失步保護及帶載再整步技術是非常必要的，但該技術在我廠煙氣能量回收機組的實際應用中存在保護死區。

同步電機斷電失步保護設計原理圖

當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的轉速下降成正比，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來維持，隨著電機轉速的下降，兩段母線同相電壓向量之間（2YMC C630和1YMC C640）的相角逐漸增大。

當這一相角差大于某個角度時，達到相位差繼電器(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，就能相當準確而迅速地判斷出電機失步，啟動斷電保護出口繼電器DCJ，由DCJ繼電器的一個輔助觸點去跳該段母線的進線開關，DCJ的另一個輔助觸點同時去滅磁.

當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的常閉輔助觸點接通母聯開關的APD回路，母聯開關合閘，同步電機再加速，拉入亞同步，勵磁系統通過滑差和計時投勵環節，將電機拉入同步正常運行，即同步電機的帶載自動再整步。

我廠斷電失步保護技術在實際應用中暴露以下弊端：當同步電機在正常運行時，其所在的6kV II段母線發生波動（大于0.2秒），斷電失步保護不啟動，造成該段進線開關不跳閘，更為嚴重的是，有時由于同步電機的電壓反饋作用，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、 同步電機斷電失步保護煙氣能量回收機組中的問題分析

經過仔細研究，我們認為，當其所在的6kV II段母線發生波動（大于0.2秒）時，由于母線電壓頻率的下降與電機的轉速下降成正比，煙機和汽輪機做為原動力，拖著同步電機運行在發電狀態，同步電機的轉速未發生大的改變，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，因此斷電保護出口繼電器DCJ也就不能啟動，因此該母線的進線開關不跳閘，不僅影響APD裝置的正確動作，長時間同步電機會發生失步失勵運行，不利于設備運行的安全性和連續性。

三、 同步電機失步的危害及改善斷電失步保護的合理途徑

同步電機在正常運行過程中，不可避免地會受到各種各樣的擾動，當這些“擾動”的幅度或最大值大到一定程度，超出電機的穩定極限，就會引起電機失步，造成生產中斷和設備損壞的嚴重事故。同步電機受到各種擾動而失步的過程，既是一個機電暫態過程，又同時伴隨著電磁暫態過程。

在接有旋轉電機的高壓配電站母線上，當發生瞬間斷電時，由于旋轉電機的慣性旋轉以及轉子磁場的存在，在斷電段母線上將由此而呈現感應電勢。

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

它將引起電機定子和轉子繞組崩裂，絕緣損壞，大軸、軸銷和聯軸器扭壞，并可能進一步引起電機內部短路、起火等一系列嚴重事故。在工礦企業中由于斷電而造成電動機失步的故障非常普遍，電源短暫中斷期間，同步電機的電壓反饋作用影響APD裝置的正確動作，不僅影響機組的連續運行，甚至影響電力系統繼電保護的正確性。

同步電機的失步事故，絕大多數都是由“非電機本身故障”所引起，且造成失步危害的根本原因是定子旋轉磁場和轉子磁場之間的相互沖突，因此同步電機的失步保護一般地說都沒有必要跳閘停機，與勵磁裝置相配合，采用“快速滅磁”的方法。

首先熄滅轉子磁場，避免定子旋轉磁場和轉子磁場之間的相互沖突，消除失步危害，暫時把同步電機轉入無勵異步行程，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，實現自動再整步。

這種帶載再整步的方式，既保障設備安全性，又保持運行連續性，也就是說，進一步把同步電機的帶載自動再整步，作為處理同步電機各種失步事故的，普遍適用的保護和自動化措施或途徑。

同步電機的帶載再整步機電暫態過程一般可以劃分為三個發展階段，即：失步制動階段、異步驅動階段和再整步階段。

四、同步電機斷電失步保護在煙氣能量回收機組中應用的改進

針對斷電失步保護存在的問題和斷電保護的改善途徑，首先我們制定了一個整定原則，即當電網發生波動在0.4秒以內時，斷電失步保護不啟動，對設備的安全性和生產的連續性幾乎無影響。

當電網發生波動在0.4秒至3秒內時，啟動斷電失步保護，通過滅磁環節，降低同步電機所在的6kV II段母線電壓，待上級110kV變電站APD動作，使同步電機重新得電繼續運行。當電網發生波動在3秒以上時，上級110kV變電站APD發生故障未動作，則斷電失步保護動作使同步電機所在的6kV II段進線開關跳閘，本站的APD動作，使同步電機重新得電繼續運行。

我們將斷電失步保護進行了如下改進：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，低電壓整定為70％額定電壓，其輸出觸點延時0.4秒動作。當同步電機所在的6kV II段母線發生波動在0.4秒以內時，低電壓繼電器kV的輸出常開觸點不動作，斷電保護出口繼電器DCJ線圈不得電，斷電保護不啟動。

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

如果低電壓時間超過3秒以上，時間繼電器SJ常開觸點閉合，此時斷電失步保護動作跳本段進線開關，同時本站的APD回路啟動，使母聯開關合閘（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），將另一段的電源送來，啟動電機再投勵，使同步電機拉入同步，既保證了同步電機的連續性運行，同時不影響電力系統的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. 對同步電機所在的6kV II段母線的上級饋線開關進行如下操作：由合閘狀態切至分閘狀態，再立即由分閘狀態切至合閘狀態，以上的操作在2秒內完成，模擬電網波動時間在0.4秒至3秒期間。試驗結果表明，低電壓繼電器kV動作，滅磁啟動，延時約8秒，勵磁系統投勵成功，同步電機運行正常，同步電機所在的6kV II段母線的進線、母聯開關未動作。

2. 對同步電機所在的6kV II段母線的上級饋線開關進行如下操作：由合閘狀態切至分閘狀態，模擬電網波動時間大于3秒。試驗結果是，低電壓繼電器kV動作，滅磁啟動，延時約8秒，勵磁系統投勵成功，同步電機所在的6kV II段母線的進線開關跳閘，母聯開關合閘成功，同步電機運行正常。

五、結論

經過試驗證明，改進后的斷電保護在各種低電壓的情況下動作正確，與勵磁裝置相配合，對同步電機進行滅磁再整步，提高了生產的安全性、連續性和供電的可靠性。

綜上所述，同步電機斷電失步保護設計應根據各單位同步電機具體工藝、主接線等情況確定，在設計斷電失步保護時，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、對電力系統安全運行有利的保護方式。

（編自《電氣技術》，作者為馬強、劉楊。）