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1、第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行 内容内容 17.3 17.3 几种不对称稳态短路的分析几种不对称稳态短路的分析 17.1 17.1 概述概述17.2 17.2 不对称运行的相序方程式和等效电路不对称运行的相序方程式和等效电路17.5 17.5 不对称运行对同步发电机的影响不对称运行对同步发电机的影响17.6 17.6 超导体闭合回路的磁链守恒定则超导体闭合回路的磁链守恒定则17.7 17.7 三相突然短路分析三相突然短路分析第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行 要求要求 理解和掌握对称分量法的应用，理解和掌握对称分量法的应用， 理解正序、负序和零序电抗的概
2、念。理解正序、负序和零序电抗的概念。 了解不对称运行对发电机的影响。了解不对称运行对发电机的影响。 了解失磁运行的物理过程及发电机的状态表现。了解失磁运行的物理过程及发电机的状态表现。 理解发电机振荡的成因及现象。理解发电机振荡的成因及现象。 掌握发电机瞬态电抗的物理意义，掌握发电机瞬态电抗的物理意义， 了解三相突然短路对发电机的危害。了解三相突然短路对发电机的危害。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行17.2 同步发电机的不对称运行不对称原因：不对称原因：单相负载较大时单相负载较大时.发生不对称短路发生不对称短路. 分析方法：分析方法：对称分量法：三相不对称量对称分量法：三相
3、不对称量正序正序负序负序零序零序分别求解，然后叠加。分别求解，然后叠加。一、各相序电抗1正序电抗正序电抗同步发电机对称运行时的相序定义为正序，其同步电抗称为正序电抗。同步发电机对称运行时的相序定义为正序，其同步电抗称为正序电抗。 隐极电机：隐极电机：凸极电机：凸极电机： （Fa处于处于d轴时轴时 ）（Fa处于处于q轴时）轴时）（Fa在其它位置）在其它位置）第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行2负序电抗负序电抗负序电流流过定子绕组所遇到的电抗为负序电抗。负序电流流过定子绕组所遇到的电抗为负序电抗。 三相负序电流产生反转电枢磁场，三相负序电流产生反转电枢磁场，以两倍同步转速切割转子
4、绕组（励磁绕组和阻尼绕组），以两倍同步转速切割转子绕组（励磁绕组和阻尼绕组），在转子绕组中感应出二倍基频在转子绕组中感应出二倍基频(100Hz)的电动势和电流，的电动势和电流，此时相当于异步电机运行于转差率此时相当于异步电机运行于转差率 的制动状态。的制动状态。根据磁动势平衡关系：根据磁动势平衡关系：转子感应电流产生的主磁通对定子负序磁场起削弱作用。转子感应电流产生的主磁通对定子负序磁场起削弱作用。 负序特点：负序特点：第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行 直轴直轴 交轴交轴 负序电抗等效电路负序电抗等效电路忽略定、忽略定、转子子电阻，参照异步阻，参照异步电机等效机等效电路，可
5、画出同步路，可画出同步电机机负序序电抗等效抗等效电路。路。对应对应异步机异步机Xm励磁励磁绕组绕组漏电抗漏电抗直轴阻直轴阻尼绕组尼绕组漏电抗漏电抗定子定子漏抗漏抗 交轴阻交轴阻尼绕组尼绕组漏电抗漏电抗对应对应异步机异步机Xm交轴上交轴上没有励没有励磁绕组磁绕组对应异步机对应异步机转子漏抗转子漏抗第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行直轴负序电抗：直轴负序电抗： 交轴负序电抗：交轴负序电抗： 负序磁场与转子之间有二倍同步转速的相对运动，负序磁场与转子之间有二倍同步转速的相对运动，负序磁场轴线时而与转子直轴重合，时而与交轴重合，负序磁场轴线时而与转子直轴重合，时而与交轴重合，因此，负
6、序电抗的值介于直轴和交轴负序电抗之间。因此，负序电抗的值介于直轴和交轴负序电抗之间。 一般取平均值：一般取平均值：称为交轴超瞬态电抗称为交轴超瞬态电抗 称为直轴超瞬态电抗称为直轴超瞬态电抗 第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行3零序电抗零序电抗零序电流流过定子绕组所遇到的电抗就是零序电抗。零序电流流过定子绕组所遇到的电抗就是零序电抗。 电角度，合成为零。电角度，合成为零。 故零序电流只产生漏磁通。故零序电流只产生漏磁通。零序电抗很小：零序电抗很小：三相零序电流同大小、同相位，建立三个脉动磁动势，三相零序电流同大小、同相位，建立三个脉动磁动势，这三个脉动磁动势，大小相等、空间互差
7、这三个脉动磁动势，大小相等、空间互差第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行二、各相序等效电路励磁磁场在定子绕组中只感应正序电动势励磁磁场在定子绕组中只感应正序电动势 E0 ，忽略电阻，各相序电动势方程为（以忽略电阻，各相序电动势方程为（以U 相为例）相为例） 正正 序序 负负 序序 零零 序序各相序等效电路各相序等效电路:第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行17.3几种不对称稳态短路分析1. 单相稳态短路单相稳态短路设U相相发生生稳态短路，短路，表示短路表示短路电流，流，侧 电流的对称分量电流的对称分量各相序方程式各相序方程式第十七章 同步发电机的非正常运行步发电
8、机的非正常运行单相稳态短路电流单相稳态短路电流 2. 两相稳态短路两相稳态短路设设V、W短路，短路，U相空载相空载 第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行因为零序电流等于零，故零序系统不予考虑。因为零序电流等于零，故零序系统不予考虑。将电压分解将电压分解为对称分量为对称分量根据正、负序电路得根据正、负序电路得两相稳态两相稳态短路电流短路电流 第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行单相短路电流单相短路电流 两相短路电流两相短路电流 三相短路电流三相短路电流 在励磁电流一定条件下，在励磁电流一定条件下，单相稳态短路电流最大，单相稳态短路电流最大，三相稳态短路电流最小。三
9、相稳态短路电流最小。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行17.5 不对称运行对发电机的影响 减小负序磁场的方法：减小负序磁场的方法：在同步发电机的转子上装设阻尼绕组，它能够起到在同步发电机的转子上装设阻尼绕组，它能够起到削弱负序磁场的作用，从而提高发电机承受不对称负载的能力。削弱负序磁场的作用，从而提高发电机承受不对称负载的能力。1引起转子表面发热引起转子表面发热 负序电流产生反转磁场以二倍同步速截切转子，在励磁绕组、阻尼绕组、转负序电流产生反转磁场以二倍同步速截切转子，在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面感应出倍频电流，在转子绕组中产生额外铜损耗，在转子铁心表面感子铁心表面感应
10、出倍频电流，在转子绕组中产生额外铜损耗，在转子铁心表面感应涡流而引起附加铁心损耗。使转子温度过高而发热。应涡流而引起附加铁心损耗。使转子温度过高而发热。2引起发电机振动引起发电机振动 负序磁场以二倍同步转速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电磁转负序磁场以二倍同步转速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电磁转矩，作用于定、转子铁心和机座上，将产生矩，作用于定、转子铁心和机座上，将产生100HZ的振动。的振动。不对称运行还会造成电网电压不对称，直接影响负载运行。不对称运行还会造成电网电压不对称，直接影响负载运行。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行 补充内容 同步发电机的失磁运行指
11、发电机失去直流励磁后，仍带有一定的有功功率，以低转差率与电网指发电机失去直流励磁后，仍带有一定的有功功率，以低转差率与电网继续并联运行的一种特殊运行方式。继续并联运行的一种特殊运行方式。失磁运行失磁运行:失磁原因失磁原因:励磁绕组开路或短路、灭磁开关误动作使励磁绕组经灭磁电阻闭合等。励磁绕组开路或短路、灭磁开关误动作使励磁绕组经灭磁电阻闭合等。失磁后，不必立刻将发电机与电网解列，应尽快查明原因，排除故障。失磁后，不必立刻将发电机与电网解列，应尽快查明原因，排除故障。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行一、发电机失磁时的电磁过程失磁时失磁时 失去同步，进入异步状态：失去同步，进入
12、异步状态： 同步发动机进入异步发电状态，异步电磁转矩为制动转矩。同步发动机进入异步发电状态，异步电磁转矩为制动转矩。即即此时调速系统开始动作此时调速系统开始动作 异步发电稳定运行。异步发电稳定运行。失磁后：失磁后：同步发电机同步发电机异步发电机异步发电机输出感性无功输出感性无功吸收感性无功吸收感性无功规定，汽轮发电机的异步运行时间不得超过规定，汽轮发电机的异步运行时间不得超过30min， 水轮发电机不允许异步运行。水轮发电机不允许异步运行。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行二、失磁运行时各表计的指示情况1转子励磁电流表指示接近于零或等于零转子励磁电流表指示接近于零或等于零2定
13、子电流表指示升高并有摆动定子电流表指示升高并有摆动3有功功率表指示减小并摆动有功功率表指示减小并摆动4无功功率表指示负值，功率因数表指示进相无功功率表指示负值，功率因数表指示进相5发电机母线电压下降并摆动发电机母线电压下降并摆动若励磁开路，电流表指示为零。若励磁短路，有感应交流，但数值很小。若励磁开路，电流表指示为零。若励磁短路，有感应交流，但数值很小。失磁时，既向电网发有功，又从电网吸收大量无功电流供给励磁故定子电流升高。失磁时，既向电网发有功，又从电网吸收大量无功电流供给励磁故定子电流升高。由于转子感应交流产生变化磁场在定子中产生变化电动势，从而引起电流脉动。由于转子感应交流产生变化磁场在
14、定子中产生变化电动势，从而引起电流脉动。失磁后转速升高，汽门自动关小，输入功率减小，有功功率输出也减小。失磁后转速升高，汽门自动关小，输入功率减小，有功功率输出也减小。有功功率表摆动的原因同有功功率表摆动的原因同2 2所述。所述。失磁后，由向系统输送感性无功变为吸取感性无功，故无功功率表指示负值，失磁后，由向系统输送感性无功变为吸取感性无功，故无功功率表指示负值，功率因数表指示自然由迟相（滞后）变为进相（超前）。功率因数表指示自然由迟相（滞后）变为进相（超前）。定子电流增大，线路压降增大，母线电压下降并随定子电流摆动而摆动。定子电流增大，线路压降增大，母线电压下降并随定子电流摆动而摆动。 第十
15、七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行三、失磁运行的不良影响发电机失磁后，运行人员必须尽快查明失磁原因，排除故障。发电机失磁后，运行人员必须尽快查明失磁原因，排除故障。若不能及时恢复励磁，则必须做停机处理。若不能及时恢复励磁，则必须做停机处理。励磁绕组、阻尼绕组及转子铁心中感应出交流电流，产生附加损耗，发热；励磁绕组、阻尼绕组及转子铁心中感应出交流电流，产生附加损耗，发热；失磁后发电机从系统吸取感性无功，使电力系统出现无功不足。失磁后发电机从系统吸取感性无功，使电力系统出现无功不足。当某台发电机失磁而使电网电压下降时，电网中的其他发电机会自动增大励磁，当某台发电机失磁而使电网电压下降
16、时，电网中的其他发电机会自动增大励磁，以供给失磁发电机所需要的额外感性无功。因此允许汽轮发电机失磁运行一段时间。以供给失磁发电机所需要的额外感性无功。因此允许汽轮发电机失磁运行一段时间。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行 补充内容同步发电机的振荡振振荡时，发电机的功角、机的功角、转速、速、电压、电流、功率及流、功率及转矩均矩均发生周期性生周期性变化。化。振振荡幅幅值较大大时，对电机本身及机本身及电网均将造成不利影响。网均将造成不利影响。一、振荡的物理现象在在 a 点稳定运行时，点稳定运行时，功角功角为为分析方便，忽略各种损耗。为分析方便，忽略各种损耗。若若突然改变发电机的负载
17、，则功角和转速将发生振荡。突然改变发电机的负载，则功角和转速将发生振荡。发电机并网运行机并网运行时：若若逐渐增加发电机的负载，则功角逐渐增加，其过程是平缓的。逐渐增加发电机的负载，则功角逐渐增加，其过程是平缓的。 第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行在在b点，点，n n1，且因惯性将继续加速，且因惯性将继续加速 功率平衡。功率平衡。到到c点，点，n = n1 转速平衡，转速平衡，到到b点，因惯性点，因惯性 n , 如此反复如此反复, 形成振荡。形成振荡。输入转矩输入转矩电磁转矩电磁转矩第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行功角在功角在左右左右变化。化。 转速在转速
18、在n1上下变化，上下变化， 振荡时，振荡时，由于存在机械和由于存在机械和电气气损耗，所以振耗，所以振荡幅度幅度渐趋衰减，最后在平衡位置衰减，最后在平衡位置稳定运行。定运行。 由电机本身惯性引起的振荡，振荡频率决定于电机的机械和电磁参数，称为自由振荡；由电机本身惯性引起的振荡，振荡频率决定于电机的机械和电磁参数，称为自由振荡；若转子受到周期性外转矩的作用，引起转子按照交变转矩的频率振荡，称为强制振荡。若转子受到周期性外转矩的作用，引起转子按照交变转矩的频率振荡，称为强制振荡。在转子表面上装设阻尼绕组，相当于笼型转子，会产生异步转矩。在转子表面上装设阻尼绕组，相当于笼型转子，会产生异步转矩。在振荡
19、过程中，在振荡过程中，当当 n n1 时，相当于异步发电机运行，异步转矩起制动作用，迫使转速下降；时，相当于异步发电机运行，异步转矩起制动作用，迫使转速下降；当当 n n1 时，相当于异步电动机运行，异步转矩起驱动作用，迫使转速上升。时，相当于异步电动机运行，异步转矩起驱动作用，迫使转速上升。总之，阻尼绕组所产生的异步转矩具有阻尼作用，能使转速很快稳定下来。总之，阻尼绕组所产生的异步转矩具有阻尼作用，能使转速很快稳定下来。抑制振荡方法：抑制振荡方法：第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行3有功功率表在全刻度范围内摆动有功功率表在全刻度范围内摆动 振荡时发电机输出有功随功角时大时小
20、变化，造成功率表指示在全刻度范围内摆动。振荡时发电机输出有功随功角时大时小变化，造成功率表指示在全刻度范围内摆动。二、振荡运行时各表计的指示情况1定子电流表指针剧烈摆动定子电流表指针剧烈摆动 电网中，振荡的发电机与其它发电机之间出现电动势差，而产生环流。由于转电网中，振荡的发电机与其它发电机之间出现电动势差，而产生环流。由于转 速摆动，转矩和功率时大时小，造成环流时大时小，定子电流表指示来回摆动。速摆动，转矩和功率时大时小，造成环流时大时小，定子电流表指示来回摆动。 环流加上原来的负荷电流，使定子电流有可能超出正常值。环流加上原来的负荷电流，使定子电流有可能超出正常值。2发电机电压表指针剧烈摆
21、动，并经常降低发电机电压表指针剧烈摆动，并经常降低 振荡时，功角变化引起电压摆动；电流的增加，阻抗压降的增大导致电压下降。振荡时，功角变化引起电压摆动；电流的增加，阻抗压降的增大导致电压下降。4转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动 振荡时，定子磁场和转子之间有相对运动，在转子绕组中感应交变电流，振荡时，定子磁场和转子之间有相对运动，在转子绕组中感应交变电流， 其叠加在直流励磁电流上，使转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动。其叠加在直流励磁电流上，使转子电流表、电压表指针在正常值附近摆动。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行17.7 同步
22、发电机的三相突然短路一、超导体闭合回路的磁链守恒原理超导体：是指电阻为零的导体。超导体：是指电阻为零的导体。 参考方向参考方向 实际方向实际方向超导线圈超导线圈 则则当外磁场引起超导回路磁链发生变化时，由感应电流产生的磁链将恰好抵消这种变化，当外磁场引起超导回路磁链发生变化时，由感应电流产生的磁链将恰好抵消这种变化，使得任意瞬间超导回路总磁链保持不变，这就是超导体闭合回路的磁链守恒原理。使得任意瞬间超导回路总磁链保持不变，这就是超导体闭合回路的磁链守恒原理。设设N极突然移入线圈，使极突然移入线圈，使 变化，变化， 第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行二、三相突然短路时同步电抗的
23、变化 此时，电枢磁通对应电抗为直轴电抗此时，电枢磁通对应电抗为直轴电抗, 大小将随突然短路过渡过程由小到大变化。大小将随突然短路过渡过程由小到大变化。短路时短路时 滞后滞后 方向相反。方向相反。1超瞬超瞬态电抗抗设短路前空载运行设短路前空载运行励磁绕组励磁绕组阻尼绕组阻尼绕组交链励磁磁通交链励磁磁通短路瞬间磁链守恒短路瞬间磁链守恒励磁绕组励磁绕组阻尼绕组阻尼绕组交链交链 不变。不变。保持保持 不变。不变。穿过穿过突然短路电流突然短路电流励磁绕组励磁绕组阻尼绕组阻尼绕组感应电流感应电流 外侧漏磁路通过，因磁阻很大，故外侧漏磁路通过，因磁阻很大，故 很小。很小。 阻尼绕组阻尼绕组励磁绕组励磁绕组从
24、从等效成等效成超瞬态超瞬态第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行 直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗 瞬态瞬态2瞬瞬态电抗抗阻尼绕组匝数少，电感小，感应电流先衰减到零；阻尼绕组匝数少，电感小，感应电流先衰减到零；励磁绕组匝数多，电感大，感应电流后衰减到零。励磁绕组匝数多，电感大，感应电流后衰减到零。阻尼、励磁绕组的电阻阻尼、励磁绕组的电阻感应电流要衰减。感应电流要衰减。当阻尼绕组感应电流衰减到零后，当阻尼绕组感应电流衰减到零后，穿过阻尼绕组，穿过阻尼绕组， 直轴瞬态电抗相应增大直轴瞬态电抗相应增大瞬态短路电流相应减小瞬态短路电流相应减小遇到的磁阻相应减小，对应遇到的磁阻相应减小，对应
25、相应增大，相应增大，此时此时 超瞬态短路电流超瞬态短路电流 = =（10102020）IN( (突然短路瞬间突然短路瞬间) )第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行稳态稳态3稳态电抗抗当励磁绕组中感应电流衰减为零时，当励磁绕组中感应电流衰减为零时，过渡过程结束，进入稳态短路。过渡过程结束，进入稳态短路。 穿过阻尼绕组和励磁绕组，穿过阻尼绕组和励磁绕组，此时，此时，直轴同步电抗直轴同步电抗 稳态短路电流稳态短路电流 定子短路电流变化使电枢反应磁通幅值变化，在转子绕组中感应电动势及感应电流，定子短路电流变化使电枢反应磁通幅值变化，在转子绕组中感应电动势及感应电流，这一电磁过程与变压器
26、类似。电枢绕组相当于变压器的一次绕组；励磁和阻尼绕组这一电磁过程与变压器类似。电枢绕组相当于变压器的一次绕组；励磁和阻尼绕组相当于二次（短路）绕组。相当于二次（短路）绕组。仿变压器等效电路，可得到发电机突然短路时的超瞬态和瞬态电抗的等效电路仿变压器等效电路，可得到发电机突然短路时的超瞬态和瞬态电抗的等效电路: 突然短路过渡过程期间突然短路过渡过程期间:对应对应 较大较大.遇到的磁阻较小，遇到的磁阻较小，第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行超瞬态电抗超瞬态电抗瞬态电抗瞬态电抗稳态电抗稳态电抗同步发电机三相突然短路时的超瞬态电抗与不对称运行时的直轴负序电抗相同。同步发电机三相突然短
27、路时的超瞬态电抗与不对称运行时的直轴负序电抗相同。在负序电枢磁场作用下在负序电枢磁场作用下:同步电机定、转子电磁关系与异步电机相同同步电机定、转子电磁关系与异步电机相同,在突在突 然然 短短 路路 时时: 同步电机定、转子电磁关系与变压器相同同步电机定、转子电磁关系与变压器相同.所以它们的等效电路相同，对应的同步电抗相等。所以它们的等效电路相同，对应的同步电抗相等。第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行三、突然短路电流励磁绕组感应电流励磁绕组感应电流衰减结束衰减结束阻尼绕组感应电流阻尼绕组感应电流衰减结束衰减结束突然短路瞬间突然短路瞬间突然短路突然短路过渡过程过渡过程稳稳 态态瞬
28、瞬 态态超瞬态超瞬态衰减衰减时间常数时间常数短路电流短路电流衰减值衰减值短路短路电流电流短路短路状态状态设发电机在空载时发生突然短路，且短路前定子绕组磁链为零，设发电机在空载时发生突然短路，且短路前定子绕组磁链为零，则突然短路电流：则突然短路电流：第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行若定子绕组交链最大励磁磁通时刻发生突然短路，则短路后半个周波时刻，短路若定子绕组交链最大励磁磁通时刻发生突然短路，则短路后半个周波时刻，短路电流出现最大冲击电流：电流出现最大冲击电流： 通常，最大冲击电流不应大于通常，最大冲击电流不应大于 短路冲击电流使电机绕组、转轴受到巨大电磁力作用，使绕组变形，发热加剧。短路冲击电流使电机绕组、转轴受到巨大电磁力作用，使绕组变形，发热加剧。国家标准规定，同步发电机必须能承受国家标准规定，同步发电机必须能承受空载电压为空载电压为1.05倍的额定电压下的三相倍的额定电压下的三相短路，这时的冲击电流估算为短路，这时的冲击电流估算为第十七章 同步发电机的非正常运行步发电机的非正常运行本章结束
