第十七章--同步发电机的非正常运行优秀PPT.ppt

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1、l突然短路的物理概念l 条件：l同步速，有励磁电流，定子绕组有感应电势l类别:l空载三相、单相、两相突然短路l定子绕组内部短路（相间、匝间短路）l空载三相突然短路与稳态短路的主要区分l突然短路电流十倍以上，具有极大破坏性l稳态短路电流1倍左右，属于正常试验项目一、从实例看一、从实例看R-LR-L电路电路过渡过程分析的一般原理过渡过程分析的一般原理l合闸后电流有两个重量l强制重量l自由重量l后者是无源重量，流过电阻消耗能量后得不到补充，要衰减。l衰减时间常数ER-LR-L电路过渡过程的特点电路过渡过程的特点l l1 1）电流的有源（强制）重量依据稳态分）电流的有源（强制）重量依据稳态分析方法确定

2、，从时刻析方法确定，从时刻t=0t=0起先就存在。起先就存在。l l2)2)无电源支持的自由重量，其初始值与无电源支持的自由重量，其初始值与有源（强制）重量在有源（强制）重量在t=0t=0时刻大小相等方时刻大小相等方向相反，使线圈在合闸前后电流不发生向相反，使线圈在合闸前后电流不发生突变。突变。l l3 3）凡是没有电源支持的电流，即）凡是没有电源支持的电流，即“无源无源感应电流感应电流”，简称无源电流，都会衰减。，简称无源电流，都会衰减。关于换路定律的进一步说明关于换路定律的进一步说明l l自由重量的出现，可用楞次定律说明：自由重量的出现，可用楞次定律说明：合闸后马上出现的有源重量，有导致电

3、合闸后马上出现的有源重量，有导致电流及其产生的磁通急剧变更的趋势；流及其产生的磁通急剧变更的趋势；l l磁通的变更在电感线圈中产生感应电势，磁通的变更在电感线圈中产生感应电势，感生电流阻碍磁通的变更。阻碍到电流感生电流阻碍磁通的变更。阻碍到电流与所产生的磁通不能突变的程度，亦即与所产生的磁通不能突变的程度，亦即保持合闸前后电流相等，这就是保持合闸前后电流相等，这就是R-LR-L回路回路的换路定律。的换路定律。R-LR-L电路换路定律的推广电路换路定律的推广l l电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变。电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变。电感线圈电流不突变的实质是磁场能量不突变。电感线圈

4、电流不突变的实质是磁场能量不突变。磁场能量的等效表示方式如下：磁场能量的等效表示方式如下：磁场能量的等效表示方式如下：磁场能量的等效表示方式如下：l ll l从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可从电流不能突变推广到磁场能量不突变后，可以适合于多线圈的状况。以适合于多线圈的状况。以适合于多线圈的状况。以适合于多线圈的状况。l l换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各换路定律可以理解为磁场能量不能突变，或各线圈的磁链不突变，各截面上的

5、磁通不突变，线圈的磁链不突变，各截面上的磁通不突变，线圈的磁链不突变，各截面上的磁通不突变，线圈的磁链不突变，各截面上的磁通不突变，甚至可以理解为各处的磁密不突变。甚至可以理解为各处的磁密不突变。甚至可以理解为各处的磁密不突变。甚至可以理解为各处的磁密不突变。两个耦合线圈过渡过程的特点两个耦合线圈过渡过程的特点问题描述问题描述l l 在铁心上有两个线圈（设想为单相变压器）在铁心上有两个线圈（设想为单相变压器），其中二次闭合，一次突然合闸到直流电源。，其中二次闭合，一次突然合闸到直流电源。l l 1 1）分析一次电流有哪些重量，对比其磁路）分析一次电流有哪些重量，对比其磁路与衰减时间常数与单线圈

6、的区分。与衰减时间常数与单线圈的区分。l l 2 2）分析二次电流变更趋势，它对一次电流）分析二次电流变更趋势，它对一次电流的磁路有何影响。参见耦合线圈图的磁路有何影响。参见耦合线圈图 l分析方法：将单线圈的分析方法 推广至耦合线圈 线圈线圈1 1中的电流重量中的电流重量l与单线圈相像，合闸后直流电压U作用于闭合回路，马上出现有源电流重量ll为保证电流与磁通不突变，会马上出现无源感应重量，其初始值满足短路途圈2对线圈1中的电流的影响1 1 1 1）对线圈）对线圈）对线圈）对线圈1 1 1 1中电流所产生磁通的磁路的影响中电流所产生磁通的磁路的影响中电流所产生磁通的磁路的影响中电流所产生磁通的磁

7、路的影响 线圈线圈线圈线圈1 1 1 1中电流所产生的突然出现的磁通中电流所产生的突然出现的磁通中电流所产生的突然出现的磁通中电流所产生的突然出现的磁通要穿过线圈要穿过线圈要穿过线圈要穿过线圈2 2 2 2，磁通的变更导致感应电势和，磁通的变更导致感应电势和，磁通的变更导致感应电势和，磁通的变更导致感应电势和感应电流感应电流感应电流感应电流i2(1)i2(1)i2(1)i2(1)的出现，阻碍线圈的出现，阻碍线圈的出现，阻碍线圈的出现，阻碍线圈2 2 2 2中磁通中磁通中磁通中磁通的变更，使其在合闸瞬间维持不变，于是的变更，使其在合闸瞬间维持不变，于是的变更，使其在合闸瞬间维持不变，于是的变更，

8、使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈线圈线圈线圈1 1 1 1中合闸后马上出现的电流所产生的磁中合闸后马上出现的电流所产生的磁中合闸后马上出现的电流所产生的磁中合闸后马上出现的电流所产生的磁通在合闸后的一小段时间内只能走漏磁路。通在合闸后的一小段时间内只能走漏磁路。通在合闸后的一小段时间内只能走漏磁路。通在合闸后的一小段时间内只能走漏磁路。磁路从磁路从漏磁路向主磁路的转移漏磁路向主磁路的转移li2(1)i2(1)是无电源支持的感应电流，必定要是无电源支持的感应电流，必定要衰减。随着它的渐渐衰减，对磁通的阻衰减。随着它的渐渐衰减，对磁通的阻碍作用减小，使得磁路渐渐从线圈碍作用减小，使得磁路渐渐从线圈

9、2 2的漏的漏磁路转变为主磁路。磁路转变为主磁路。l这样，线圈这样，线圈1 1中有源强制重量中有源强制重量i1(1)i1(1)产生产生的磁通对应磁路的磁阻减小，磁导增加，的磁通对应磁路的磁阻减小，磁导增加，电感变大。电感变大。闭合线圈对时间常数的影响l确定无源重量衰减时间常数的电阻与电感确定无源重量衰减时间常数的电阻与电感l 电阻：线圈电阻：线圈1 1的电阻的电阻r1r1l 电感：从线圈电感：从线圈1 1的出线端视察所呈现的等效电感。的出线端视察所呈现的等效电感。l等效电抗的确定方法等效电抗的确定方法l借助双绕组变压器副边短路的等效电路借助双绕组变压器副边短路的等效电路l忽视激磁支路和副边的电

10、阻。忽视激磁支路和副边的电阻。计算等效电感的等效电路l线圈线圈1 1无源重量衰减时间无源重量衰减时间常数的等效电感常数的等效电感l该电感显著小于线圈该电感显著小于线圈2 2开开路时的等效电感。路时的等效电感。1R1L2Ls smL1s sL二、同步发电机三相突然短路分析同步发电机空载三相短路的物理过程l图图20-15a)为为 带阻尼绕组的同步发电机定、带阻尼绕组的同步发电机定、l转子绕组结构示意图。其中转子上除了转子绕组结构示意图。其中转子上除了l励磁绕组之外，还有阻尼绕组。阻尼绕励磁绕组之外，还有阻尼绕组。阻尼绕l组两端通过导电的短路环连接，使其始组两端通过导电的短路环连接，使其始l终构成闭

11、合回路。终构成闭合回路。同步发电机空载三相短路后定子绕组中主要的的电流重量l同步发电机空载三相短路后的物理过程比较困难。定子绕组中的电流重量较多。本节重点分析其中的主要重量：电源频率的有源强加重量和无源的直流衰减重量。突然短路电流的周期重量l空载时，定子绕组中产生对称三相感应电势。三相突然短路后必产生对称三相电流，这是有源（强加）电流,其频率为50赫兹，属于突然短路电流的周期重量。电流的大小取决于感应电势的大小和定子绕组闭合电路的阻抗。由于电阻对电流大小的影响可忽视，所以仅取决于电抗。l依据A、B、C三相绕组电流不能突变的原理，在三相绕组中必定产生无源感应电流重量。其初始值满足：记为。ll由于

12、属于无源感应电流，所以要衰减，属于突然短路电流的非周期重量。以下进一步探讨与的初始值及其衰减状况。突然短路电流的非周期重量图2015 同步发电机空载突然短路后的时空相矢量图 电枢绕组突然短路电流的初始值电枢绕组突然短路电流的初始值l1)1)突然短路瞬间定子的感应电势突然短路瞬间定子的感应电势设短路瞬间转子位置如图设短路瞬间转子位置如图202015a),15a),将将该瞬间取为时间零点，简洁推导出定子该瞬间取为时间零点，简洁推导出定子三相绕组感应电势为：三相绕组感应电势为：电枢电流的周期重量形成的磁场电枢电流的周期重量形成的磁场l突然出现的对称三相电流必产生突然出l现的旋转磁场，转速为同步速，转

13、向与l转子相同,所以，相对于转子位置不变，时空相矢量图l忽视电阻的影响，则电流落后于电势90度。同时，在时空相矢量图中三相合成磁势与A相电流相量在同一方向上，如图2015 b)。明显电枢磁势轴线与励磁磁势矢量在同一轴线（d轴）上，但方向相反。电枢电流形成的旋转磁场的磁力线l电枢电流形成的旋转磁场的磁力线如图2016a)所示，可以看出：它试图穿过闭合的阻尼绕组与励磁绕组，使其中的磁力线增加。自然，在励磁绕组与阻尼绕组中会产生感应电势与感应电流阻碍其增加，两者作用的结果，使得励磁绕组与阻尼绕组闭合回路中的磁通在短路瞬间不发生突变，因此，电枢磁场的磁力线只能走漏磁路。使磁阻很大，磁导很小，电抗很小。

14、与图2013b)的状况相像。电枢突然短路电流初始值电枢突然短路电流初始值l从定子绕组的出线端向电机内部看的等效电抗，就相当于三绕组变压器其次、第三个绕组短路忽视电阻后所表现出的等效电抗，称为直轴超瞬态电抗。如图2016b)所示。电枢电流周期重量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗l图中，,与 依次为同步电机的电枢反应电抗、励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗。a)b)图2016 电枢电流周期重量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗直轴超瞬态电抗l依据图2016b)所示等效电路简洁得到直轴超瞬态电抗的表达式由于励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗的值都很小，所以直轴超瞬态电抗的标么值一般只有0.10.15。明显，假如没

15、有阻尼绕组或阻尼绕组不起作用，则等效电抗为称直轴瞬态电抗，标么值0.2左右。l得到直轴超瞬态电抗后，与稳态短路时l的状况相像，可以依据定子绕组的感应l电势 与 的关系，得到定子瞬态电流l的表达式定子瞬态电流的表达式l其初始值为由此可以得到定子瞬态电流周期重量的初始值定子瞬态电流周期重量的初始值三、突然短路电流的衰减（以下参阅教材相关内容）l（1 1）电枢电流非周期重量）电枢电流非周期重量 的衰减的衰减l电枢电流非周期重量电枢电流非周期重量 是无源感应电流，在是无源感应电流，在电枢绕组中流淌，形成在空间固定不动的磁场；电枢绕组中流淌，形成在空间固定不动的磁场；随着转子的旋转，其磁通交替地经过直轴

16、与交随着转子的旋转，其磁通交替地经过直轴与交轴的磁路闭合。其磁力线切割转子的励磁绕组轴的磁路闭合。其磁力线切割转子的励磁绕组和阻尼绕组。考虑到在直轴方向既有励磁绕组和阻尼绕组。考虑到在直轴方向既有励磁绕组又有阻尼绕组，从定子绕组的出线端视察，所又有阻尼绕组，从定子绕组的出线端视察，所呈现出的等效电抗也是呈现出的等效电抗也是 ，即与上述确定周期，即与上述确定周期l重量初始值所用等效电抗相同。重量初始值所用等效电抗相同。电枢电流非周期重量对应的电抗l在交轴方向没有闭合的励磁绕组，只有电枢绕组和等效的阻尼绕组。所以，等效电抗与 不同，记为 ,取二者的平均值 ，这也是在分析稳态不对称运行时所接受过的负

17、序电抗。非周期重量 衰减的时间常数l这样，电枢电流非周期重量 衰减的时l间常数为l 电枢绕组短路时间常数。电枢电流周期重量电枢电流周期重量 的衰减的衰减l 前面已经指出，由于 产生的旋转磁场与转l子同转速，所以，在转子绕组中不会由于切割l作用而产生交变的感应电势与电流。但是，由l于短路后突然出现的磁通要穿过闭合的阻尼绕l组和励磁绕组，所以，在其中也会产生感应电l势与感应电流，阻挡相应磁通的变更。考虑到l励磁绕组与阻尼绕组中的电流也是没有电源支l持的，所以，随着两个绕组的电阻消耗能量，l这些电流要衰减。衰减过程的两个阶段l阻尼绕组中电流衰减过程的等效电抗较l小，电阻相对较大，所以其中的电流衰l减得快，于是从定子侧出线端视察的等l效电抗是 ；当其衰减到可以忽视的程l度，就相当于阻尼绕组开路，从定子侧l出线端视察的等效电抗是 ;可见，衰l减过程可以分为两个阶段，时间常数分l别为 与 ，突然短路后电枢电流的表达式l经过推导，可以得到突然短路后电枢电流的表达式