第十四章 同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行

第十四章同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行第一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日本章內(nèi)容同步電機(jī)各序阻抗與等效電路1同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路2同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路3第二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)稱(chēng)分量法不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行狀態(tài)的主要原因：①外施電壓不對(duì)稱(chēng)。三相電流也不對(duì)稱(chēng)。②各相負(fù)載阻抗不對(duì)稱(chēng)。當(dāng)初級(jí)外施電壓對(duì)稱(chēng)，三相電流不對(duì)稱(chēng)。不對(duì)稱(chēng)的三相電流流經(jīng)變壓器，導(dǎo)致各相阻抗壓降不相等，從而次級(jí)電壓也不對(duì)稱(chēng)。③外施電壓和負(fù)載阻抗均不對(duì)稱(chēng)。著重分析不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的分析方法正序阻抗、負(fù)序阻抗及零序阻抗的物理概念及測(cè)量方法危害性——三相變壓器在Y，yn連接時(shí)相電壓中點(diǎn)浮動(dòng)的原因及其危害第三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)稱(chēng)的三相系統(tǒng)：三相中的電壓Ua、Ub、Uc對(duì)稱(chēng)，只有一個(gè)獨(dú)立變量。如三相相序?yàn)閍、b、c，由Ua得出其余兩相電壓Ub=α2Ua,Uc=αUa 復(fù)數(shù)算子α＝ej120＝e-j240 α=cos120°+jsin120°

α2＝ej240＝e-j120 α3＝ej360＝ej0＝1三相不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)：三相中的電壓Ua、Ub、Uc互不相關(guān)——大小不一定相等，相位關(guān)系不固定Ua、Ub、Uc為三個(gè)獨(dú)立變量ABC第四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)稱(chēng)分量法是分析三相不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的基本方法。在以后的章節(jié)中還會(huì)用到。任意一組三相不對(duì)稱(chēng)的物理量（電壓、電流等）均可分解成三組同頻率的對(duì)稱(chēng)的物理量。以電流為例，說(shuō)明如下：第五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)稱(chēng)分量法把不對(duì)稱(chēng)的三相系統(tǒng)分解為三個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，即正序系統(tǒng)、負(fù)序系統(tǒng)和零序系統(tǒng)下標(biāo)“+”、“-”、“0”分別表示正序、負(fù)序和零序第六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)稱(chēng)分量法結(jié)論（1）正序、負(fù)序和零序系統(tǒng)都是對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。當(dāng)求得各個(gè)對(duì)稱(chēng)分量后，再把各相的三個(gè)分量疊加便得到不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行情形。（2）不同相序具有不同阻抗參數(shù)，電流流經(jīng)電機(jī)和變壓器具有不同物理性質(zhì)。（3）對(duì)稱(chēng)分量法根據(jù)疊加原理，只適用于線性參數(shù)的電路中。第七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路不對(duì)稱(chēng)負(fù)載大容量的單相負(fù)載，如單相電爐引起三相電壓和三相電流的不對(duì)稱(chēng)對(duì)同步發(fā)電機(jī)帶來(lái)不利的影響主要分析方法與分析異步電機(jī)不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行相同對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)稱(chēng)分量法將不對(duì)稱(chēng)的三相電壓、電流及其所激勵(lì)的磁勢(shì)分解為正序分量、負(fù)序分量和零序分量然后對(duì)各個(gè)分量分別建立的端點(diǎn)方程式和相序方程式，求解各序分量并研究各序分量分別所產(chǎn)生的效果第八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路將它們疊加起來(lái)，就得出實(shí)際不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的結(jié)果和影響應(yīng)用條件：不計(jì)飽和不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)的空氣隙磁場(chǎng)為一橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)包含正序和負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由于旋轉(zhuǎn)方向不同，所以轉(zhuǎn)子回路的反應(yīng)也各不相同，對(duì)不同相序的電流，同步電機(jī)呈現(xiàn)的電抗也就有不同的數(shù)值第九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)定子電流為一穩(wěn)定的對(duì)稱(chēng)三相電流，即一組正序分量其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（即正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）和轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這個(gè)電流所遇到的電抗便是同步電抗同步電機(jī)的正序電抗即系同步電抗，即第十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速向著和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的方向旋轉(zhuǎn)該磁場(chǎng)以?xún)杀锻睫D(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組，在其中感應(yīng)出兩倍電源頻率的交變電流對(duì)于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組的作用為一短路繞組負(fù)序電流所遇到的電抗不再是同步電抗，而是另一個(gè)電抗x–，稱(chēng)它為負(fù)序電抗，其數(shù)值遠(yuǎn)較同步電抗為小第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子激磁繞組和阻尼繞組中感應(yīng)的兩倍頻率的交變電流，將引起附加的銅損耗在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流，從而引起附加表面損耗還在轉(zhuǎn)子軸和定子機(jī)座引起振動(dòng)我國(guó)《發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》在額定負(fù)載連續(xù)運(yùn)行時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)三相電流之差，不得超過(guò)額定值的10%；水輪發(fā)電機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)不得超過(guò)額定值的20%，同時(shí)任一相的電流不得大于額定值在低于額定負(fù)載連續(xù)運(yùn)行時(shí)，各相電流之差可以大于上面所規(guī)定的數(shù)值，但應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定。第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路零序電流產(chǎn)生的三個(gè)脈動(dòng)磁勢(shì)，幅值相等，時(shí)間同相，空間各相隔120°電角度，因此三相基波合成磁勢(shì)恰相互抵消，不形成氣隙互磁通，只存在一些漏磁場(chǎng)，數(shù)值一般很小零序電流所遇到的電抗為帶有漏抗性質(zhì)的零序電抗，用x0代表，x0較x–更小現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模很大負(fù)載電流的嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)是不常見(jiàn)的具有實(shí)際意義的不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行情況單相接地短路二相短路二相接地短路等第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路正序和負(fù)序?qū)嶋H旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎颍鄳?yīng)地稱(chēng)產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)的電氣旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的多相電流的相序?yàn)檎颍粗?，則稱(chēng)為負(fù)序不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，電流中存在正序、負(fù)序和零序分量。它們的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子有不同的相對(duì)關(guān)系，就呈現(xiàn)不同的阻抗以及不同的等效電路正序阻抗在穩(wěn)定狀態(tài)下，同步電機(jī)的正序阻抗就是同步阻抗對(duì)隱極機(jī)第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路對(duì)凸極同步機(jī)由于氣隙不均勻，正序電流所遇到的阻抗為直軸同步阻抗和交軸同步阻抗由于電樞電阻較小，短路時(shí)電樞電流的正序分量基本上為一純感性的電流，90°，即I+I+d，而I+q0。其時(shí)。負(fù)序阻抗可用轉(zhuǎn)差率s=2的異步電動(dòng)機(jī)的等效電路來(lái)表示通常電阻的數(shù)值很小，在分析負(fù)序阻抗時(shí)可將電阻忽略不計(jì)第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路(a)計(jì)入電阻r2/2'x2'Zmr1x1Z–rm同步電抗負(fù)序電抗的網(wǎng)絡(luò)x1x2'Xmx–(b)略去電阻第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路由此當(dāng)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)比轉(zhuǎn)子漏磁通為很大時(shí)，即xmx2，則X-為定子漏抗與轉(zhuǎn)子漏抗之和第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路當(dāng)同步電機(jī)有很強(qiáng)的阻尼系統(tǒng)時(shí)，負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將為轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流所產(chǎn)生的去磁磁勢(shì)所抵消如整塊轉(zhuǎn)子的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子激磁繞組為單相繞組，阻尼繞組也不是完全對(duì)稱(chēng)的繞組，因此對(duì)稱(chēng)分量法不能無(wú)條件地應(yīng)用在定子端點(diǎn)上的負(fù)序電壓與流過(guò)定子繞組的負(fù)序電流決不能都有正弦波形第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路負(fù)序電抗應(yīng)為負(fù)序端電壓的基波分量與定子繞組的負(fù)序電流的基波分量之比負(fù)序電抗的數(shù)值和負(fù)載情況有關(guān)不同的短路情況下，負(fù)序電抗的數(shù)值各不相同凸極式同步電機(jī)的阻尼作用一般較差，負(fù)序磁場(chǎng)便可能較強(qiáng)由于沿著兩軸的磁阻不同，阻尼作用也不相同，負(fù)序磁場(chǎng)的振幅將不斷變化，相應(yīng)的負(fù)序電抗數(shù)值亦將不斷變化對(duì)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組的凸極機(jī)，負(fù)序電抗將在x–d和x–q之間交變第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路x2x1x1x–dx–q(a)直軸網(wǎng)絡(luò)(b)交軸網(wǎng)絡(luò)無(wú)阻尼繞組時(shí)負(fù)序電抗的網(wǎng)絡(luò)第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路負(fù)序電抗的數(shù)值范圍汽輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序電抗的平均值為0.155裝有阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序電抗的平均值為0.24，沒(méi)有阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序電抗的平均值為0.42負(fù)序電抗的測(cè)定方法定子繞組加適當(dāng)降低的三相對(duì)稱(chēng)電壓受試電機(jī)的轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，且以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)向應(yīng)與定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相反激磁繞組應(yīng)被短接從定子側(cè)測(cè)量電壓、電流和功率，便可求出負(fù)序電阻和電抗第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路零序阻抗其合成磁場(chǎng)為零零序電流只產(chǎn)生漏磁通，相應(yīng)的零序電抗具有漏抗的性質(zhì)零序電流所產(chǎn)生的漏磁通與正序電流所產(chǎn)生的漏磁通不同，它們之間的差別要依繞組的型式而定對(duì)于單層繞組和整距雙層繞組在每一槽中的電流都屬于同一相零序漏磁通和正序漏磁通相同第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路對(duì)于短距雙層繞組上下圈邊分屬于不同的兩相，槽內(nèi)電流為相鄰兩相電流的相量差如果上下層電流大小相等方向相反，槽內(nèi)合成電流為零雙層短距繞組的零序漏磁通較正序漏磁通為小，也即零序漏抗小于正序漏抗零序電抗的測(cè)定把定子繞組串聯(lián)連接端點(diǎn)上外施額定頻率的單相交流電，使電流（即零序電流）數(shù)值等于額定電流轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)激磁繞組應(yīng)被短接測(cè)量其電壓、電流及功率，可求出x0第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路AWVAZYXGB測(cè)定零序電抗的接線圖第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路零序電阻零序電流主要產(chǎn)生漏磁通，不與轉(zhuǎn)子匝鏈，所以零序電阻就是電樞繞組的每相電阻零序電抗的數(shù)值范圍汽輪發(fā)電機(jī)平均值為0.056，水輪發(fā)電機(jī)為0.085同步發(fā)電機(jī)的各序電抗是不相同的，x+>x–

>x0

。這也是旋轉(zhuǎn)電機(jī)和靜止的變壓器不相同的一個(gè)特征第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)基本方程式將根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法改寫(xiě)為正序、負(fù)序和零序三個(gè)基本方程式，方程式中各個(gè)量值均為各序的數(shù)值因?yàn)閷?duì)各序來(lái)說(shuō)，它們都是對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)，故各序的基本方程式也只須寫(xiě)出一相以A相來(lái)計(jì)算A相的空載電勢(shì)用EA表示，并分別以EA+、EA–、EA0表示A相的正序、負(fù)序和零序空載電勢(shì)第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路假設(shè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)總在電樞繞組中感應(yīng)相序?yàn)锳、B、C的正序電勢(shì)，則同步發(fā)電機(jī)各序的基本方程式為第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路~IA+EA+UA+(a)正序Z+IA0UA0(c)零序Z0IA–UA–(b)負(fù)序Z–同步發(fā)電機(jī)的各序等效電路第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路如果不計(jì)各序電阻，則方程式可改寫(xiě)為相序方程式求解方法空載電勢(shì)和各序阻抗設(shè)為已知待求量是各相的電流和電壓三個(gè)相序方程式和三個(gè)端點(diǎn)方程式求出IA+UA+IA0UA0IA–UA–第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步電機(jī)各序阻抗與等效電路最終求出各相電流各相電壓第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路電力系統(tǒng)中的短路故障兩個(gè)階段：突然短路和穩(wěn)態(tài)短路第一階段：自短路故障開(kāi)始瞬間起，到所出現(xiàn)的巨大沖擊電流衰減完畢，一般只有零點(diǎn)幾秒到幾秒第二階段：沖擊電流衰減完以后AABCIk(1)IA=單相接地短路第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路端點(diǎn)方程式對(duì)稱(chēng)分量分解第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路相序方程相加有解得單相短路電流第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路各序電壓第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路B相電壓C相電壓第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的單相穩(wěn)定短路x_和x0遠(yuǎn)小于x＋（xs）單相短路電流遠(yuǎn)較三相短路電流大如把x_和x0略去，則單相短路電流將高達(dá)三相短路電流的3倍例:某臺(tái)125MW汽輪發(fā)電機(jī)的各標(biāo)么值為x+=1.867，x–=0.22，x0=0.069，則有第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路兩相穩(wěn)定短路令B相和C相直接短接而在分解為對(duì)稱(chēng)分量時(shí)，則仍以A相的數(shù)量為標(biāo)準(zhǔn)并以Ik(2)表示兩相短路電流AABCIA兩相短路IBIC第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路端點(diǎn)方程式對(duì)稱(chēng)分量分解第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路沒(méi)有中線連接，故在短路電流中沒(méi)有零序分量求解得和為IA+IA–第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路B相電流的對(duì)稱(chēng)分量為兩相短路電流為第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路兩相短路電流也較三相短路電流為大仍以上節(jié)所列電機(jī)的參數(shù)為例，可算得

Ik(2)為Ik(3)的1.55倍兩相短路時(shí)的電壓第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日同步發(fā)電機(jī)的兩相穩(wěn)定短路正常相A的電壓為短路相的電壓