大泵站同步电机起动与运行失步保护技术理论研究
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摘要
我国有大型泵站300余座，水泵配套动力机普遍使用同步电机，其中仅江苏
省境内江水北调、太湖治理工程等即装有同步电机139台。
同步电机的正常使用寿命（指线圈）应在20年以上，但据统计，各地大泵站
同步电机运行寿命多在20年以下，有的仅10余年；部分运行时间较长的大型泵
站同步电机每年均需大修；有的泵站泵机组起动困难或无法起动。
另外，大泵站同步电机起动及运行过程中，常有电力的、机械的、水力的等
因素干扰，当扰动的幅度或量值大到一定程度，超出电机的稳定极限时，会引起
电机失步，造成泵机组运行中断及设备损坏事故。
人们常把电机损坏率高及泵机组难于起动归结到电机本身的制造及安装质
量，为此厂家在制造工艺中采取了种种加强措施，但效果不明显，电机损坏事故
仍时有发生。通过对大泵站同步电机起动、运行及励磁装置工作状况的分析和研
究，结果表明：导致同步电机损坏及起动困难的原因与电机所配励磁装置保护技
术性能不完善有关；特别是先期起动失败后再多次频繁起动及运行失步时未起保
护作用或保护不到位造成。本文主要内容是：围绕大泵站同步电机起动过程、运
行中的失步机理及危害、失步时电磁物理过程等方面进行了细致深入的理论研究；
用“等面积定则”分析大泵站同步电机失步的稳定界限并提出求解方法；提出预
防同步电机失步的措施。研究成果对确保大泵站泵机组安全可靠运行、充分发挥
工程效益具有重要的意义。
II
ABSTRACT
There are more than 300 large pwnpmg stations in our country and most of them driven by
synchromotors. 139 synchromotors for the South-to-North Water Transfer and Taihu Harnessing
project has been installed in Jiangsu province
Technically, synchromotors are designed to have a service life of about 20 years while,
according to statistics, most of the actual service life can not be as long as 20 years. To make
matters worse, some of the synchromotors could only work for about 10 years and for those running
A
relatively a long time needed overhauling every year. Some of them had difficulties in starting or
could not be started at all. The users of these synchromotors tend to attribute the frequent
mechanical failure and the difficulty in starting to the poor quality of the synchromotors so much so
that many manufacturers of the said synchromotors have taken all sorts of effective measures to
improve the quality in the production, which has not turned out great effect in avoiding the
mechanical trouble.
In fact, the running and starting process of synchromotors are often affected by such factors
as electrical, mechanical and hydraulic factors as well. As the magnitude of interference amounts to
a certain degree, that is to say, above the stability limitation for the synchromotors, it will cause
fall-out of the synchromotors, interrupting of the running or damage to the pumping system.
The analysis and research of the starting and running of the synchromotors iii many large
pumping stations and the working condition of excitation system have indicated that the causes
leading to damage to the motor or difficulties in starting are relevant to the poor technical
characteristics of the equipped excitation system, especially resulting from the frequent restarting
after failure to start the motors and the failure to protect or protect the synchromotors improperly in
the fall-out.
The dissertation gives a profound and extensive theoretic research of starting process, causes of
fall-out and damages caused by fall-out as well as the electromagnetic process in large pumping
station. The 揈qual Area Criterion?is used in this research to analyze the stability limitation of the
synchromotors fall-out in detail.
In the end, the study also puts forward a couple of practical methods to prevent synchromotors
from fall-out and corresponding solutions to the fall-out.
This study is of great significance in guaranteeing the safe running of pumping stations and in
improving engineering benefits.
省境内江水北调、太湖治理工程等即装有同步电机139台。
同步电机的正常使用寿命（指线圈）应在20年以上，但据统计，各地大泵站
同步电机运行寿命多在20年以下，有的仅10余年；部分运行时间较长的大型泵
站同步电机每年均需大修；有的泵站泵机组起动困难或无法起动。
另外，大泵站同步电机起动及运行过程中，常有电力的、机械的、水力的等
因素干扰，当扰动的幅度或量值大到一定程度，超出电机的稳定极限时，会引起
电机失步，造成泵机组运行中断及设备损坏事故。
人们常把电机损坏率高及泵机组难于起动归结到电机本身的制造及安装质
量，为此厂家在制造工艺中采取了种种加强措施，但效果不明显，电机损坏事故
仍时有发生。通过对大泵站同步电机起动、运行及励磁装置工作状况的分析和研
究，结果表明：导致同步电机损坏及起动困难的原因与电机所配励磁装置保护技
术性能不完善有关；特别是先期起动失败后再多次频繁起动及运行失步时未起保
护作用或保护不到位造成。本文主要内容是：围绕大泵站同步电机起动过程、运
行中的失步机理及危害、失步时电磁物理过程等方面进行了细致深入的理论研究；
用“等面积定则”分析大泵站同步电机失步的稳定界限并提出求解方法；提出预
防同步电机失步的措施。研究成果对确保大泵站泵机组安全可靠运行、充分发挥
工程效益具有重要的意义。
II
ABSTRACT
There are more than 300 large pwnpmg stations in our country and most of them driven by
synchromotors. 139 synchromotors for the South-to-North Water Transfer and Taihu Harnessing
project has been installed in Jiangsu province
Technically, synchromotors are designed to have a service life of about 20 years while,
according to statistics, most of the actual service life can not be as long as 20 years. To make
matters worse, some of the synchromotors could only work for about 10 years and for those running
A
relatively a long time needed overhauling every year. Some of them had difficulties in starting or
could not be started at all. The users of these synchromotors tend to attribute the frequent
mechanical failure and the difficulty in starting to the poor quality of the synchromotors so much so
that many manufacturers of the said synchromotors have taken all sorts of effective measures to
improve the quality in the production, which has not turned out great effect in avoiding the
mechanical trouble.
In fact, the running and starting process of synchromotors are often affected by such factors
as electrical, mechanical and hydraulic factors as well. As the magnitude of interference amounts to
a certain degree, that is to say, above the stability limitation for the synchromotors, it will cause
fall-out of the synchromotors, interrupting of the running or damage to the pumping system.
The analysis and research of the starting and running of the synchromotors iii many large
pumping stations and the working condition of excitation system have indicated that the causes
leading to damage to the motor or difficulties in starting are relevant to the poor technical
characteristics of the equipped excitation system, especially resulting from the frequent restarting
after failure to start the motors and the failure to protect or protect the synchromotors improperly in
the fall-out.
The dissertation gives a profound and extensive theoretic research of starting process, causes of
fall-out and damages caused by fall-out as well as the electromagnetic process in large pumping
station. The 揈qual Area Criterion?is used in this research to analyze the stability limitation of the
synchromotors fall-out in detail.
In the end, the study also puts forward a couple of practical methods to prevent synchromotors
from fall-out and corresponding solutions to the fall-out.
This study is of great significance in guaranteeing the safe running of pumping stations and in
improving engineering benefits.
引文
[1] 严登丰，刘超．泵系统起动瞬态特性计算．水利学报，1989(1)：66～72
[2] 刘超．江苏省水利动力重点实验室及其科学研究．江苏农学院学报．1998(19)：1～4
[3] 高景德著．交流电机过渡历程及运行方式的分析．北京：科学出版社，1963
[4] 揭天才．8000kW同步电动机全电压异步起动研究，1990．11
[9] 严登丰著．泵站过流设施与截流闭锁装置．北京：中国水利水电出版社，2000．12
[6] 严登丰，刘超．泵系统起动瞬态特性计算(一)．江苏农学院学报，1986(9)
[7] 汪桂钦．大型贯流泵泵站起动动态特性理论研究．硕士论文，2000．6
[8] (日本) 福本纪久男，加藤之敏。最近同期电动机瞬时电压低下瞬时停电对策．OHM 电气杂志，vol.65、No11，
[9] 高景德，张麟征编．同步电动机过渡过程的基本理论及分析方法．北京：科学技术出版社，1985：260～342
[10] 储训，陈履编．大型泵站建设和更新改造对策．南京：河海大学出版社,2000．11：98～105
[11] 周鹗主编．电机学(第三版)．北京：水利电力出版社，1994
[12] 章名涛编．电机学(下册)．北京：科学出版社，1993
[13] 朱长安．电动机保护的现状及发展趋势．继电器，1993．2
[14] 沈日迈主编．江都排灌站(第三版)。北京：水利水电出版社，1986
[15] 薛黎明．同步电机运行中存在的问题及解决的技术措施．苏州友明科技有限公司
[16] 卢英昭．高压电机保护的几点思考及同步机失步保护．继电器．1997，vol．25(3)：23～29
[17] 王维俭．电气主设备继电保护原理与应用．北京：中国电力出版社，1996．1
[18] 葛强，张锦德．泵站主电动机混合装设的探讨．江苏农学院学报，1995(16)：52～53
[19] 葛强，陆伟刚等．基于 MATLAB 大型泵站同步电机起动过程的数字仿真．扬州大学学报2001(4)：66～69．
[20] (西德) H.W.Rotter,L.Eckbauer. 中小型高压电机新绝缘．Siemens Review, 1973.No.3,国外大电机，1974．№2
[21] 葛强，周元斌等．泵站多参数动态测试系统研究与实现．扬州大学学报,2000(3)：23～25
[22] 蒋宗道．同步电动机失步保护及自动再同步原理．电气传动，1978(3)：15～32
[23] 龙斌，雍家树等．驷马山乌江泵站同步电动机可控硅励磁装置改造技术研究之一．泵站技术，1997(1)：31～39
[24] 龙斌，雍家树等．驷马山乌江泵站同步电动机可控硅励磁装置改造技术研究之二．泵站技术，1997(2)：14～22
[25] 项双树，刘小兰．乌江泵站可控硅励磁装置改造研究．泵站技术，1995(1)：32～35
[26] 蒋宗道．高压交流电动机的防冲击保护．电世界，1989．4
[27] 葛强，马晓忠，沈昌荣等．计算机监控系统在泵站管理中的应用与研究．扬州大学学报，2000(3)：29～31
[28] 中华人民共和国行业标准．水利水电工程技术术语标准，1992．12
[29] 陈锦基，张锦德，葛强等编．泵站电气二次接线．南京：东南大学出版社，1995．05
[30] 季一峰主编．水电站电气部分．水利电力出版社，1986
[31] 蒋宗道．同步电动机半控励磁的简易改进电路．电世界，1980(11)
[32] 魏先导主编．水力机组过渡过程计算．北京：水利电力出版社，1992
[33] 蒋宗道．同步电动机失步机理及保护的途径．冶金自动化，1979(3)：54～63
[34] 白玉山．计算方法，辽宁人民出版社，1984
[35] 蒋宗道．同步电动机的断电失步保护—防非同期冲击保护．电气传动，1979(3)：40～52
[36] 刘宗富主编．电动机学．北京：冶金工业出版社，1980：166～168
[35] Robert J.Wooddall and Bruce I.Goyle, The Application of Solid-State Logic to the Control of Synchronous Motors with Collector Rings and Brushes for Separate Excitation, IEEE.vol.IA-10.No.1,1974
[38] 田恒安．同步电机负载突然变化时过渡过程计算方法．大电机技术，1988，(3)：34～40
[39] 王清灵，曹以龙．同步电机励磁电流控制新方案．中国矿大学报，1996，25(4)：77～83
[40] 张晓辉．7200kW 电机失步保护及带载自动再同步浅议．湖南冶金，1999(4)：25～37
[41] 汤蕴逑，史乃，沈文豹编．电机理论与运行．北京：水利电力出版社，1984
[42] 西巴依洛夫，洛奥斯A·B·．电机的数学模拟．姚守猷，刘锐乡译．北京：机械工业出版社，1985：130～135
[43] 1976·№6
[44] 中小型水利水电工程图集——抽水站分册．水利水电出版社，1984
[45] 泵站工程．扬州大学水利与建筑工程学院．自编教材
[46] 湖北省水利勘测设计院主编．大型电力排灌站．水利水电出版社，1984
[47] 斯捷潘诺夫．离心泵和轴流泵，中国工业出版社，1965
[48] 特罗斯科兰斯基等．叶片泵计算与结构．机械工业出版社，1981
[49] 华东水利学院编．水泵起动特性的理论计算和试验．1989
[50] 严登丰，刘超，金禾．淮阴泵站起动试验研究报告．江苏农学院学报．1988(9)
[51] 严登丰等．樊口泵站起动、停泵特性试验研究报告(一)．江苏农学院，1989
[52] 克里夫琴科主编．水电站动力装置中的过渡过程．常兆堂，周文通，吴培豪译．北京：水利出版社
[53] 华东地区建筑标准设计协作办公室．6～35kV 变配电站继电保护计算实例．1987．3
[54] 吴荣樵，陈鉴治合编．水电站水力过渡过程．中国水利水电出版社．1997．10
[55] 严亚芳主编．水力机组暂态特性及参数优化．中国水利水电出版社．1996．5
[56] 1978 №2
[57] 1973 №11
[58] 1977 №3
[2] 刘超．江苏省水利动力重点实验室及其科学研究．江苏农学院学报．1998(19)：1～4
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[40] 张晓辉．7200kW 电机失步保护及带载自动再同步浅议．湖南冶金，1999(4)：25～37
[41] 汤蕴逑，史乃，沈文豹编．电机理论与运行．北京：水利电力出版社，1984
[42] 西巴依洛夫，洛奥斯A·B·．电机的数学模拟．姚守猷，刘锐乡译．北京：机械工业出版社，1985：130～135
[43] 1976·№6
[44] 中小型水利水电工程图集——抽水站分册．水利水电出版社，1984
[45] 泵站工程．扬州大学水利与建筑工程学院．自编教材
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[47] 斯捷潘诺夫．离心泵和轴流泵，中国工业出版社，1965
[48] 特罗斯科兰斯基等．叶片泵计算与结构．机械工业出版社，1981
[49] 华东水利学院编．水泵起动特性的理论计算和试验．1989
[50] 严登丰，刘超，金禾．淮阴泵站起动试验研究报告．江苏农学院学报．1988(9)
[51] 严登丰等．樊口泵站起动、停泵特性试验研究报告(一)．江苏农学院，1989
[52] 克里夫琴科主编．水电站动力装置中的过渡过程．常兆堂，周文通，吴培豪译．北京：水利出版社
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[54] 吴荣樵，陈鉴治合编．水电站水力过渡过程．中国水利水电出版社．1997．10
[55] 严亚芳主编．水力机组暂态特性及参数优化．中国水利水电出版社．1996．5
[56] 1978 №2
[57] 1973 №11
[58] 1977 №3