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1、第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 第10章同步发电机的暂态过程及 异常运行 10.1 同步发电机三相突然短路 10.2 同步发电机的异常运行 10.3 同步发电机的失磁运行 10.4 同步发电机常见故障及处理方法 习题 第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 10.1 同步发电机三相突然短路 同步电机突然短路时，电枢(定子)电流和相应的电枢磁场幅值会发生突然变化，定、转子绕组间出现了变压器感应关系，转子绕组中将会感生电动势和电流，此电流又会反过来影响定子绕组的电流。因此，突然短路过程要比稳态短路复杂得多。为了简化分析，作如下假设：(1) 在整个电磁瞬态过程中，转子转速保持为同步转速。(2
2、) 不计磁饱和，因而可利用叠加原理来分析。(3) 突然短路前，发电机是空载运行。(4) 转子上只有励磁绕组。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 10.1.1 突然短路时定子绕组电抗的变化图10-1表示一台三相同步发电机的示意图，定子上装有A、B、C三相绕组，转子上仅有励磁绕组。设电机原先为空载运行，当转子主极轴线转到与A相绕组轴线垂直(0-90，A相磁链为零)时，定子端点发生了三相突然短路。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-1 A相磁链A(0)=0时发生三相突然短路第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-2画出了突然短路后转子转过90电角度时，励磁电流If0、if和三
3、相短路电流中的周期分量所产生的磁场分布示意图。与图10-1所示短路前的情况相比较，短路以后，短路电流中的周期分量产生二束去磁的电枢反应磁通和一束电枢漏磁通 ； 励磁绕组中的感应电流if=则使主磁通增加一束，主极漏磁通亦增加一束。由于感应励磁电流所产生的磁链的增量恰好与去磁的电枢反应磁链相等，因此在短路初瞬，励磁绕组的磁链保持不变，满足换路条件。同样可以看出，在短路初瞬，A相磁链亦保持不变。对于B相和C相绕组，考虑到短路电流中的非周期分量以后，其磁链亦保持不变。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-2 突然短路后转子转过90电角度时，电机内的磁场分布第10章同步发电机的暂态过程及异常运
4、行 把图10-2中电枢反应磁通、主磁通的增量和励磁绕组漏磁通的增量加以归并，可得图10-3。图10-3的特点是，把励磁绕组中感应电流if=所产生的磁场，不作为主磁场的增强，而作为瞬态时电枢反应磁通所经过的磁路发生变化(因而对应的电抗亦发生变化)这样的效果来处理。换言之，即认为突然短路初瞬主磁通和励磁绕组的漏磁通均未发生变化。但由于励磁绕组中感应电流if所生磁动势的抵制，瞬态时电枢反应磁通在通过主气隙以后，将绕道励磁绕组的漏磁路闭合。相应地，瞬态时直轴电枢反应磁通所经磁路的磁阻 将变成直轴主气隙的磁阻rad与励磁绕组漏磁阻rfs的串联值，即 , 而直轴瞬态电枢反应磁导 将成为 (10-1)式中：
5、ad为直轴主气隙的磁导， ； fs为励磁绕组的漏磁磁导， 。 第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-3 从电枢端点看，突然短路磁场图第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 再考虑到与电枢反应磁路相并联的电枢漏磁磁路，可得瞬态时电枢的等效直轴磁导为 (10-2)式中s为电枢的漏磁磁导。由于电抗正比于磁导，于是可得瞬态时从电枢端点来看，同步电机所表现的等效直轴电抗，即直轴瞬态电抗 为 (10-3) 式中，xfs为励磁绕组的漏抗。和稳态时相比较，由于瞬态时的电枢磁导要比稳态时的d小很多，因此直轴瞬态电抗 要比直轴同步电抗xd小很多，所以突然短路电流要比稳态短路电流大很多。第10章同步发电机
6、的暂态过程及异常运行 10.1.2 突然短路电流1. 突然短路电流的示波图图10-4(a)表示三相突然短路时A相电流的波形图。从图可见，A相电流的上、下包络线与横坐标对称，即A相电流中仅有周期分量。在短路初瞬，A相电流的初始幅值 很大(标么值可达47)，以后A相电流逐步衰减，经过24 s，瞬态实际消失，短路电流就下降到稳态值Im。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-4 A(0)=0时三相突然短路电流的波形图(a) A相电流； (b) B相电流； (c) C相电流第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-4(b)和(c)表示B相和C相电流的波形图。从图可见，B相电流的上、下包络
7、线与横坐标不对称，这说明除了周期分量之外，B相电流中还有一个非周期分量。同理可知，C相电流中除周期分量外，亦有非周期分量。把B、C两相的周期分量与A相相比较，可知这三个周期分量的初始幅值、衰减速率和稳态幅值完全相同，差别仅在于相位不同，B相的周期分量滞后于A相120电角度，C相又滞后于B相120电角度。为什么突然短路电流的初始幅值会这样大，某些相中除周期分量外还会出现非周期分量，下面从物理概念来说明这两个问题。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 2. 短路电流的周期分量 设空载运行时的励磁电流为If0，If0产生主磁通，将在定子三相绕组内感生励磁电动势E0。由于有E0，三相短路时定子绕组内
8、将产生对称的三相短路电流，这组对称的三相电流就会形成电枢旋转磁动势，并产生相应的电枢反应。由于定子绕组本身的电抗远大于电阻，短路时电枢电路接近于纯电感性，因此此时的电枢反应基本为纯直轴去磁性的电枢反应。稳态短路时，电枢磁动势是一个恒幅、同步旋转的旋转磁动势，与转子相对静止，转子中没有感应电流。突然短路时，突然出现的直轴去磁性电枢反应将在励磁绕组内产生感应电流if=。根据换路定律，在短路初瞬，励磁绕组的磁链不能跃变，所以由此产生的磁链Lff if=应与电枢绕组所产生的直轴去磁性磁链Mfaid相抵消, 即Lff if=-Mfaid=0 (10-4) 第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 由此可见
9、，if=一方面由去磁性的电枢反应感应产生，另一方面，它又起到抵消电枢反应的作用。if=的出现，使励磁电流从原先的If0增大为If0+if=, 不计饱和时，主磁通和励磁电动势E0将按同样的倍数增大，从而引起短路电流周期分量初始幅值的大幅度增大。与稳态短路电流Im相比较，这一增大的部分 就称为短路电流的瞬态分量。由于if=不是由外加励磁电压uf所产生，而是一个感应电流，因此它是一个无源的自由分量。随着时间的推移，if=将按指数曲线逐步衰减，如图10-5所示。用式子表示时，励磁电流的非周期分量if=为 (10-5)式中， 为直轴瞬态时间常数。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-5 突然短
10、路时励磁电流的非周期分量第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 随着if=的逐步衰减，定子短路电流中的周期瞬态分量将同时衰减, 直至if=衰减为零，励磁电流恢复到If0，短路过程就进入稳态短路。所以，突然短路时，定子电流的周期分量i可表示为 (10-6) 式中，为各相的初相角； 对A相， ； 对B相， ；对C相， 。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 3. 短路电流中的非周期分量 若突然短路时A相的主磁链为零，则该瞬间A相励磁电动势的瞬时值将为最大。由于短路电流滞后于励磁电动势90，因此在短路初始瞬(即t=0+时)，A相电流周期分量的瞬时值为零。在短路前一瞬间(即t=0-时)，电机为空载，
11、A相电流亦为零，因此对A相而言，满足短路初始瞬间电流不能跃变的换路条件，所以A相电流中没有非周期的自由分量。对B、C两相来说，情况就不一样。以B相为例，短路前一瞬间，iB(0-)=0, 在短路初瞬(即t=0+时)，根据式(10-6)，B相电流的周期分量iB(0+)为 (10-7)由于短路初瞬电流不能跃变，故B相电流中必有一个非周期的自由分量iB=，使iB(0+)+iB=(0+)=iB(0-) (10-8) 第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 由此可知，B相电流的非周期分量 。由于此分量是自由分量，因此随着时间的推移，它将按指数曲线衰减，即 (10-9)式中，Ta为电枢电流中非周期分量衰减的
12、时间常数，称为电枢时间常数。同理可知，C相电流中除周期分量外，亦有一个非周期分量iC=。定子短路电流中的非周期分量，将在电机内产生一个固定不动的电枢磁动势和磁场。当同步旋转的转子“切割”这一磁场时，励磁绕组内将感应出一个基波频率的周期分量if。在t=0+时，该周期分量if的值恰好与if=的值相等，相反，以满足励磁电流不能跃变的换路条件。随着时间的推移， if将和感生它的定子非周期分量一起以时间常数T衰减。 图10-6表示突然短路后整个励磁电流的波形，图中1表示If0，2表示考虑了if=，3表示再加上if后的波形。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-6 三相突然短路后励磁电流的波形第
13、10章同步发电机的暂态过程及异常运行 励磁电流的周期分量if将在转子上产生一个脉振磁动势，将此磁动势分解成两个幅值相等、转向相反的旋转磁动势，再考虑到转子本身的转速，则反向磁动势将在空间静止不动，正向磁动势将以两倍同步转速在空间旋转，后者将在定子三相绕组内感应出一组二次谐波短路电流。所以严格地说，定子短路电流一般应为周期分量、非周期分量和二次谐波等三个分量之和。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 10.1.3 突然短路电流对电机的影响突然短路所引起的各种不良影响主要是由于短路初瞬过大的冲击电流所引起的。过大的电流流过电枢绕组，将使绕组电阻ra上的功率损耗大幅度增加。但由于冲击电流仅在几秒钟
14、内就衰减为稳态短路电流，而一般同步发电机其稳态短路电流往往还不及额定电流大，因此在此极短促的时间内，突然短路所产生的热能，对电机温度的升高几乎不会有所影响。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 但是过大的冲击电流将在电机中产生较大的电磁力。在图10-7中画出了同步电机的电枢绕组端部因冲击电流而产生电磁力的情况。在短路时，由于电枢反应几乎为纯去磁作用，于是由电枢绕组产生的电磁力或由电枢电流产生的漏磁场，使得励磁绕组出现的电磁力成为两线圈相互排拆的力，如图10-7的F1。此外，电枢绕组与电枢铁芯之间，根据镜像法分析还将使绕组端部受到向铁芯靠近的电磁力，如图中的F2。因此所形成的合力将使电枢绕组向
15、外胀开。电机在发生突然短路时，其冲击电流将达到额定电流的1520倍，而电磁力是与电流的平方成正比的，因而突然短路时绕组端部所受的电磁力将为额定运行状态时的200400倍，这就有可能使电枢绕组的端部遭到损坏。为此必须对电枢绕组的端部加强支撑和固定。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 图10-7 突然短路时电枢绕组端部的电磁力 第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 另外，突然短路时，三相电枢电流中的非周期分量将产生一个在空间上不动的磁场，那么转子磁场在旋转时与此不动的磁场相作用，使转子与定子之间产生往复摆动的力矩，其摆动的频率为100周，这将给发电机组的机件和结构，特别是焊接结构带来不利的影
16、响。又由于突然短路时电枢电流几乎全为去磁的无功电流，此时同步发电机的电磁阻力矩几乎为零，在原动机的调速机构尚未来得及动作时，转子将因此而加速。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 10.2 同步发电机的异常运行10.2.1 不对称运行在电力系统中确实存在着许多单相负载，小的有照明灯具及家用电器等，较大的有单相电炉以及电力机车等。但在实际运行中供配电人员都力争使众多的单相负载在三相电源下对称分布以便尽可能使三相功率保持平衡。特别是当今同步发电机大都是并联在大电网上运行的，由于电网容量都相当的庞大，即使较大的单相负载在庞大的电力系统中也不会给不对称带来明显的影响。因此，研究同步发电机不对称负载运行，并无多大的现实意义，但是当同步发电机发生不对称短路的故障情况，诸如单相短路、两相短路、两相对中点短路以及断相运行等都是可能发生的。第10章同步发电机的暂态过程及异常运行 在对短路故障进行分析时，我们仍然只考虑其基波的问题，也就是认为同步发电机中的各个电磁量都是在时间上按正弦规律变化和在空间上按正弦规律分布的。分析的方法仍是采用对称分量法。对称分量法是属于线性变换方法，它适用于线性系统。这对于分
