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1、第十八章第十八章 同步发电机的异常运行同步发电机的异常运行分析及处理分析及处理 主要内容主要内容 同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行 同步发电机的突然短路同步发电机的突然短路同步发电机的突然短路同步发电机的突然短路 同步发电机的失磁运行同步发电机的失磁运行同步发电机的失磁运行同步发电机的失磁运行 同步发电机的进相运行同步发电机的进相运行同步发电机的进相运行同步发电机的进相运行 同步发电机常见故障同步发电机常见故障同步发电机常见故障同步发电机常见故障 要求掌握：同步电机序阻抗和暂态电抗要求掌握：同步电机序阻抗和暂态电抗要求掌握：同步电机序阻抗
2、和暂态电抗要求掌握：同步电机序阻抗和暂态电抗1(unsymmetric operation of synchronous generator)前言：属于异常运行状态，即介于正常前言：属于异常运行状态，即介于正常前言：属于异常运行状态，即介于正常前言：属于异常运行状态，即介于正常和具有破坏性的事故运行之间。和具有破坏性的事故运行之间。和具有破坏性的事故运行之间。和具有破坏性的事故运行之间。不对称发生情况不对称发生情况不对称发生情况不对称发生情况: :不对称的危害不对称的危害不对称的危害不对称的危害: :不对称的分析方法不对称的分析方法不对称的分析方法不对称的分析方法: :第一节第一节 同步发电机
3、的不对称运行同步发电机的不对称运行 2第一节第一节 同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行 不对称的分析方法不对称的分析方法: 同步发电机不对称运行时，电机中包括同步发电机不对称运行时，电机中包括同步发电机不对称运行时，电机中包括同步发电机不对称运行时，电机中包括正序分量、正序分量、正序分量、正序分量、负序和零序分量负序和零序分量负序和零序分量负序和零序分量。 不计饱和，三相不对称运行时可采用不计饱和，三相不对称运行时可采用不计饱和，三相不对称运行时可采用不计饱和，三相不对称运行时可采用对称分量法对称分量法对称分量法对称分量法将不对称电压和不对称电流分解为分解成正序、将不对称电压和不对称
4、电流分解为分解成正序、将不对称电压和不对称电流分解为分解成正序、将不对称电压和不对称电流分解为分解成正序、负序和零序三个对称系统，在不同相序中取其中负序和零序三个对称系统，在不同相序中取其中负序和零序三个对称系统，在不同相序中取其中负序和零序三个对称系统，在不同相序中取其中一相的等效电路分析。一相的等效电路分析。一相的等效电路分析。一相的等效电路分析。3 同步发电机正序电流流过三相对称绕组同步发电机正序电流流过三相对称绕组同步发电机正序电流流过三相对称绕组同步发电机正序电流流过三相对称绕组产生圆形旋转磁产生圆形旋转磁产生圆形旋转磁产生圆形旋转磁场（场（场（场（n n1 1，与转子同向），与转子
5、同向），与转子同向），与转子同向）与转子无相对运动与转子无相对运动与转子无相对运动与转子无相对运动正序电抗即正序电抗即正序电抗即正序电抗即为为为为三相同步发电机对称运行时的三相同步发电机对称运行时的三相同步发电机对称运行时的三相同步发电机对称运行时的同步电抗同步电抗同步电抗同步电抗。隐极机：隐极机：隐极机：隐极机：x x+=+=x xs s凸极机：凸极机：凸极机：凸极机：x x+ +介于介于介于介于x xd d及及及及x xq q间间间间，数值决定于正序旋转磁数值决定于正序旋转磁数值决定于正序旋转磁数值决定于正序旋转磁场与转子的相对位置。场与转子的相对位置。场与转子的相对位置。场与转子的相对位
6、置。当发生三相对称稳态短路，电枢反应磁场在直轴，当发生三相对称稳态短路，电枢反应磁场在直轴，当发生三相对称稳态短路，电枢反应磁场在直轴，当发生三相对称稳态短路，电枢反应磁场在直轴，x x+=+=x xd d（不饱合）。（不饱合）。（不饱合）。（不饱合）。正序电阻正序电阻正序电阻正序电阻r r+=+=r ra a（每相定子绕组电阻）（每相定子绕组电阻）（每相定子绕组电阻）（每相定子绕组电阻）1.正序阻抗正序阻抗4n1n12f1i-F-负序电流经定子绕组，产生负序电流经定子绕组，产生负序电流经定子绕组，产生负序电流经定子绕组，产生一负序圆形旋转磁场，速度一负序圆形旋转磁场，速度一负序圆形旋转磁场，
7、速度一负序圆形旋转磁场，速度为为为为n n1 1，方向与转子转向相反，方向与转子转向相反，方向与转子转向相反，方向与转子转向相反，以以以以2 2n n1 1切割转子，切割转子，切割转子，切割转子，在转子中产生感应电势及电在转子中产生感应电势及电在转子中产生感应电势及电在转子中产生感应电势及电流流流流i i2 2，且频率，且频率，且频率，且频率 ：2n1相相对对于于转转子子2.负序阻抗负序阻抗5F F2 2与与与与F F- -相相相相对对对对静静静静止止止止，这这这这样样样样转转转转子子子子绕绕绕绕组组组组对对对对定定定定子子子子绕绕绕绕组组组组的的的的影影影影响响响响可可可可以以以以看看看看成
8、成成成变变变变压压压压器器器器负负负负边边边边短路对原边绕组的影响。短路对原边绕组的影响。短路对原边绕组的影响。短路对原边绕组的影响。n1n12f1i-F-2n1相相对对于于转转子子将转子励磁绕组，阻尼绕组及将转子励磁绕组，阻尼绕组及将转子励磁绕组，阻尼绕组及将转子励磁绕组，阻尼绕组及转子本身成一对称的多相短路转子本身成一对称的多相短路转子本身成一对称的多相短路转子本身成一对称的多相短路绕组，多相电流流入多相绕组绕组，多相电流流入多相绕组绕组，多相电流流入多相绕组绕组，多相电流流入多相绕组旋转磁场旋转磁场旋转磁场旋转磁场F F2 2（n n=2=2n n1 1 相对相对相对相对转子，方向为顺时
9、针）转子，方向为顺时针）转子，方向为顺时针）转子，方向为顺时针） F F2 26 这样与变压器这样与变压器这样与变压器这样与变压器x x1 1 对应的为定子漏抗对应的为定子漏抗对应的为定子漏抗对应的为定子漏抗x x ，对于隐极电机，对于隐极电机，对于隐极电机，对于隐极电机，与与与与x xmm对应的为对应的为对应的为对应的为x xa a，与，与，与，与x x2 2 对应的为转子漏抗对应的为转子漏抗对应的为转子漏抗对应的为转子漏抗x xf f 。忽略电。忽略电。忽略电。忽略电阻，则阻，则阻，则阻，则隐极同步电机的负序电抗隐极同步电机的负序电抗隐极同步电机的负序电抗隐极同步电机的负序电抗为为为为r1
10、 x xmrm x xaxs-7r1 x xmrm凸极电机凸极电机凸极电机凸极电机：由于气隙不均匀，当由于气隙不均匀，当负序磁场正对转子直轴负序磁场正对转子直轴，应同时考虑励磁绕组和阻尼绕组的影响。则应同时考虑励磁绕组和阻尼绕组的影响。则与与与与x xmm对应的为对应的为对应的为对应的为x xadad，与，与，与，与x x2 2 对应的为转子漏抗对应的为转子漏抗对应的为转子漏抗对应的为转子漏抗x xf f 以及阻尼绕组的漏抗以及阻尼绕组的漏抗以及阻尼绕组的漏抗以及阻尼绕组的漏抗x xD D ，则则则则凸极同步电机的直轴负序电抗凸极同步电机的直轴负序电抗凸极同步电机的直轴负序电抗凸极同步电机的直
11、轴负序电抗为：为：为：为：xd-xadxD a）当）当F-正对正对d轴轴8凸极电机凸极电机凸极电机凸极电机：由于气隙不均匀，当由于气隙不均匀，当负序磁场正对转子交负序磁场正对转子交轴轴，则，则与与与与x xmm对应的为对应的为对应的为对应的为x xaqaq，与，与，与，与x x2 2 只有阻尼绕组漏抗只有阻尼绕组漏抗只有阻尼绕组漏抗只有阻尼绕组漏抗x xD D ，则，则，则，则凸极同步电机的交轴负序电抗凸极同步电机的交轴负序电抗凸极同步电机的交轴负序电抗凸极同步电机的交轴负序电抗为：为：为：为：r1 x xmrmxq-xaqx xD b）当当正正对对q轴轴F-（q轴轴无无励磁绕组漏抗）励磁绕组
12、漏抗）9转子上转子上有阻尼绕组有阻尼绕组xD ：为阻尼绕组漏抗且设各量：为阻尼绕组漏抗且设各量已折到定子边，则已折到定子边，则直轴负序电抗直轴负序电抗为：为：xd-xadxD 若直轴若直轴若直轴若直轴无阻尼绕组无阻尼绕组无阻尼绕组无阻尼绕组：10转子上转子上有阻尼绕组有阻尼绕组xD ：为阻尼绕组漏抗且设各量：为阻尼绕组漏抗且设各量已折到定子边，则已折到定子边，则交轴负序电抗交轴负序电抗为：为：xq-xaqx xD 若交轴无阻尼：若交轴无阻尼：若交轴无阻尼：若交轴无阻尼：11 可见，由于存在励磁绕组或阻尼绕组的作用，可见，由于存在励磁绕组或阻尼绕组的作用，可见，由于存在励磁绕组或阻尼绕组的作用，
13、可见，由于存在励磁绕组或阻尼绕组的作用，负序负序负序负序电抗总是小于同步电抗电抗总是小于同步电抗电抗总是小于同步电抗电抗总是小于同步电抗。 从从从从物理意义物理意义物理意义物理意义来说，负序磁场以两倍同步速相对转子来说，负序磁场以两倍同步速相对转子来说，负序磁场以两倍同步速相对转子来说，负序磁场以两倍同步速相对转子旋转，转子上的励磁绕组和阻尼绕组都会感应两倍旋转，转子上的励磁绕组和阻尼绕组都会感应两倍旋转，转子上的励磁绕组和阻尼绕组都会感应两倍旋转，转子上的励磁绕组和阻尼绕组都会感应两倍频率的电势和电流，按楞次定律，这些感应电流都频率的电势和电流，按楞次定律，这些感应电流都频率的电势和电流，按
14、楞次定律，这些感应电流都频率的电势和电流，按楞次定律，这些感应电流都产生削弱定子负序磁场的作用，使气隙中的负序磁产生削弱定子负序磁场的作用，使气隙中的负序磁产生削弱定子负序磁场的作用，使气隙中的负序磁产生削弱定子负序磁场的作用，使气隙中的负序磁场减小很多。场减小很多。场减小很多。场减小很多。 由此可见，由此可见，由此可见，由此可见，负序电抗标么值小于正序电抗标么值负序电抗标么值小于正序电抗标么值负序电抗标么值小于正序电抗标么值负序电抗标么值小于正序电抗标么值，但比定子漏抗标么值大。但比定子漏抗标么值大。但比定子漏抗标么值大。但比定子漏抗标么值大。 12 负序电抗负序电抗x_与发电机外电路情况有
15、关：与发电机外电路情况有关：(1)(1)若发电机出线端直接外加负序电压，略去若发电机出线端直接外加负序电压，略去r则则: :(2(2）若发电机外加负电压，经过很大电抗）若发电机外加负电压，经过很大电抗xe接至定接至定子绕组子绕组（3 3）若外电抗）若外电抗xe= =x_,_,则则13一般同步发电机中，负序电抗的标么值约为：一般同步发电机中，负序电抗的标么值约为： 汽轮发电机为汽轮发电机为: 没有阻尼绕组的水轮发电机为没有阻尼绕组的水轮发电机为: 有阻尼绕组的水轮发电机为有阻尼绕组的水轮发电机为: 14零序电流产生的三相合成磁势基波为：零序电流产生的三相合成磁势基波为：零序电流产生的三相合成磁势
16、基波为：零序电流产生的三相合成磁势基波为：故只存在零序漏磁通故只存在零序漏磁通故只存在零序漏磁通故只存在零序漏磁通零序电抗具有漏磁性质：零序电抗具有漏磁性质：零序电抗具有漏磁性质：零序电抗具有漏磁性质：3 .零序阻抗零序阻抗15第二节第二节 同步发电机的突然短路同步发电机的突然短路 对称稳态运行时，电枢磁势的大小不随时间而变对称稳态运行时，电枢磁势的大小不随时间而变对称稳态运行时，电枢磁势的大小不随时间而变对称稳态运行时，电枢磁势的大小不随时间而变化，在空间以同步速度旋转，它同转子没有相对化，在空间以同步速度旋转，它同转子没有相对化，在空间以同步速度旋转，它同转子没有相对化，在空间以同步速度旋
17、转，它同转子没有相对运动，因此不会在转子绕组中感应电流。运动，因此不会在转子绕组中感应电流。运动，因此不会在转子绕组中感应电流。运动，因此不会在转子绕组中感应电流。 同步发电机的突然短路是指发电机在原来正常稳同步发电机的突然短路是指发电机在原来正常稳同步发电机的突然短路是指发电机在原来正常稳同步发电机的突然短路是指发电机在原来正常稳定运行的情况下，发电机出线端发生三相突然短定运行的情况下，发电机出线端发生三相突然短定运行的情况下，发电机出线端发生三相突然短定运行的情况下，发电机出线端发生三相突然短路。发电机从原来的稳态运行状态过渡到稳态短路。发电机从原来的稳态运行状态过渡到稳态短路。发电机从原
18、来的稳态运行状态过渡到稳态短路。发电机从原来的稳态运行状态过渡到稳态短路状态。路状态。路状态。路状态。 次暂态电抗和暂态电抗（理解）次暂态电抗和暂态电抗（理解）次暂态电抗和暂态电抗（理解）次暂态电抗和暂态电抗（理解）16一一.突然短路定子绕组的电抗的变化突然短路定子绕组的电抗的变化 为了分析简单起见，假设：为了分析简单起见，假设：不考虑机械过渡过程，电机的转速保持为同步速不变；不考虑机械过渡过程，电机的转速保持为同步速不变；电机的磁路不饱和；电机的磁路不饱和；不考虑强励的情况，发生短路后，励磁系统的励磁电不考虑强励的情况，发生短路后，励磁系统的励磁电流始终保持不变；流始终保持不变；突然短路前为
19、空载运行，突然短路发生在发电机的出突然短路前为空载运行，突然短路发生在发电机的出线端。此时励磁绕组和阻尼绕组仅交链励磁磁通线端。此时励磁绕组和阻尼绕组仅交链励磁磁通 0。17图图图图18-8 18-8 无阻尼绕组同步发电机正常稳态运行时磁链分解示意图无阻尼绕组同步发电机正常稳态运行时磁链分解示意图无阻尼绕组同步发电机正常稳态运行时磁链分解示意图无阻尼绕组同步发电机正常稳态运行时磁链分解示意图18稳定短路时电枢磁链的路径稳定短路时电枢磁链的路径稳定短路时电枢磁链的路径稳定短路时电枢磁链的路径稳定短路时稳定短路时稳定短路时稳定短路时端电压等于零，电枢反端电压等于零，电枢反端电压等于零，电枢反端电压
20、等于零，电枢反应为纯去磁作用应为纯去磁作用应为纯去磁作用应为纯去磁作用。 由定子电流所产生的由定子电流所产生的由定子电流所产生的由定子电流所产生的电枢反应磁通电枢反应磁通电枢反应磁通电枢反应磁通与由与由与由与由转子电转子电转子电转子电流所产生的磁通流所产生的磁通流所产生的磁通流所产生的磁通，大小相，大小相，大小相，大小相等，方向相反。电枢反应等，方向相反。电枢反应等，方向相反。电枢反应等，方向相反。电枢反应磁通所经的路线如图所示磁通所经的路线如图所示磁通所经的路线如图所示磁通所经的路线如图所示NSAX 0 ad f 19（1 1）发生三相突然短路时，）发生三相突然短路时，）发生三相突然短路时，
21、）发生三相突然短路时， ad要穿过转子，但励磁要穿过转子，但励磁要穿过转子，但励磁要穿过转子，但励磁绕组及阻尼绕组均要维持穿过自己的磁链不变，故要绕组及阻尼绕组均要维持穿过自己的磁链不变，故要绕组及阻尼绕组均要维持穿过自己的磁链不变，故要绕组及阻尼绕组均要维持穿过自己的磁链不变，故要感应出电流，抵消感应出电流，抵消感应出电流，抵消感应出电流，抵消 ad的变化的变化的变化的变化。所以。所以。所以。所以 ad的路径如下图的路径如下图的路径如下图的路径如下图NSAX 0 f D NSAX 0 ad f D ad1.直轴次暂态电抗直轴次暂态电抗20另外还有电枢漏磁通路径另外还有电枢漏磁通路径NSAX
22、0 f D NSAX 0 ad f D ad21 超瞬变电抗超瞬变电抗xdxadx xD 凸极机：凸极机：凸极机：凸极机： 直轴次暂态电抗等效电路直轴次暂态电抗等效电路直轴次暂态电抗等效电路直轴次暂态电抗等效电路22暂态电抗暂态电抗NSAX 0 ad f D （2 2）由于阻尼绕组时间常数大，衰减快，当阻）由于阻尼绕组时间常数大，衰减快，当阻尼绕组中电流衰减完之后，此时尼绕组中电流衰减完之后，此时NSAX 0 ad f D 23xdxadx 凸极机：凸极机：凸极机：凸极机： 直轴暂态电抗等效电路直轴暂态电抗等效电路直轴暂态电抗等效电路直轴暂态电抗等效电路（3 3 3 3）当励磁绕组中电流）当励磁绕组中电流）当励磁绕组中电流）当励磁绕组中电流亦衰减完之后，亦衰减完之后，亦衰减完之后，亦衰减完之后，NSAX 0 ad f 24xqxaqx xD 交轴次暂态电抗等效电路交轴次暂态电抗等效电路交轴次暂态电抗等效电路交轴次暂态电抗等效电路同理：交轴超瞬变电抗：同理：交轴超瞬变电抗：同理：交轴超瞬变电抗：同理：交轴超瞬变电抗：由于无阻尼绕组由于无阻尼绕组由于无阻尼绕组由于无阻尼绕组xxq q= x= xq q25
