第20章同步发电机的不正常运行

第20章同步发电机的不正常运行 对称负载大容量的单相负载 不对称运行状态 输电线中出现一相断线等不对称故障稳态对称运行时 电机的输入功率总与输出功率相平衡 电机端电压U和励磁电势E0之间有着固定的相角差 从一个稳定运行状态突变至另一稳定运行状态所经历的过程成为瞬变过程 20 1不对称运行的分析方法 负载不对称时 合成电枢磁势不再是一个幅值不变的圆形旋转磁势 其电枢反应情况较对称运行时复杂得多对称分量法 即把一组不对称的三相电流 或电压 分解成三组对称的电流 或电压 分量 即正序分量 负序分量和零序分量 用这个方法时假设电路是线性的 忽略了磁路饱和现象 励磁电势EA EB EC只与励磁磁势的转向有关 所以只有正序分量 每相都可以列出三个相序的电势平衡方程及画出它们的等值电路 励磁电势只在正序的电势平衡方程中出现 各相序电流流过电枢绕组时的电枢反应情况 反映在等值电路和方程式中是各相序电流遇到不同的阻抗 以A相为例 各相序的电势平衡方程式为 EA UA Z IA 0 UA Z IA 0 UA0 Z0IA0适合于任何不对称负载或短路情况 知道不对称的电流情况就能解出不对称的电压 不对称运行 三相负载不对称分析方法 对称分量法 对称分量法 把不对称的三相系统分解为三个独立的对称系统 即正序系统 负序系统和零序系统 对称分量合成 不对称运行 三相负载不对称分析方法 对称分量法电枢反应磁势为椭圆形磁势 产生椭圆形旋转磁场 不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势 将不对称的三相系统分解为三个对称的系统 即正序系统 负序系统和零序系统 每相电流分解为三个分量 每相磁势也可分解为三个分量 当正序电流流过三相绕组时 产生正向旋转磁势 亦称正序旋转磁势当负序电流流过三相绕组时 产生负向旋转磁势 椭圆形旋转磁势 当电流为一不对称的三相电流 合成磁势将有两个分量 正序分量和负序分量 各以同步速向相反方向旋转 在任一瞬间的合成磁势仍按正弦分布 用旋转矢量表示为空间矢量和 不同时刻 有不同的振幅 其端点轨迹为一椭圆 1正序分量 产生正序旋转磁场 同步转速转子同步转速不在转子绕组中感应电势 即同步电机的对称运行情况 正序电抗即同步电抗正序电抗采用不饱和值 2负序分量 产生负序旋转磁场 同步速 反向转子同步速相对运动速度为2n1 在转子绕组中感应f2 2f1的交变电势 起削弱负序磁场的作用 使气隙中的合成负序磁场减弱 相当于异步电机的转子短路情况 等效电抗很小 负序电流的副作用 负序感应电流 产生附加的转子铜损耗负序磁场引起转子表面的涡流损耗 产生附加表面损耗负序磁场与正序磁场相互作用 产生2f1频率的交变电磁转矩 引起振动 规定 在额定负载连续运行时 汽轮发电机三相电流之差 不得超过额定值的10 水轮发电机和同步补偿机的三相电流之差 不得超过额定值的20 同时任一相的电流不得大于额定值 零序分量 三相零序基波磁势合成为零 在气隙中不产生零序磁场 各相电枢绕组中的零序电流分量在各相绕组周围产生零序漏磁通零序电抗为漏电抗 同步电机的各序等效电路 励磁电势由于电机电枢绕组结构的对称性是对称正序电势电枢反应电势与电枢电流性质有关 用不同的电抗表示正序阻抗负序阻抗零序阻抗 正序阻抗 稳态运行时 正序磁场与转子无相对运动 正序阻抗即同步电抗隐极机凸极机短路时 正序电流为纯感性电流 90 负序阻抗 当转子正向同步旋转 励磁绕组短路 电枢加上对称的负序电压时 负序电枢电流所遇到的阻抗从电磁关系来看 同步电机如一台转差率s 2的异步电动机 不计定 转子电阻 X1 为定子漏抗 XF 为励磁绕组漏抗 XZ 为阻尼绕组漏抗 励磁绕组放置在直轴磁路上 所以交轴电抗中不出现励磁漏抗 Xd 为直轴等效电抗 Xq 为交轴等效电抗 凸极直轴磁路与交轴磁路的磁阻是不同的 负序电抗的数值将介于Xd 和Xq 之间作连续周期性变化 利用对称分量法无法计及负序电抗的变化 计算时取两个轴上电抗的平均值来作为负序电抗的近似值 X Xd Xq 2 零序电抗X0 零序电流流过定子绕组时所对应的电抗就是零序电抗 气隙中的三相合成磁势为零 忽略电枢电阻X0 U0 3I0 零序阻抗 合成谐波脉动磁势 对零序阻抗产生影响 且随转子位置 直轴 交轴 的变化而产生脉动 性质为漏抗性质 谐波漏抗 每相绕组周围产生漏磁通 影响零序阻抗 20 2稳态不对称短路分析 1 单相稳定短路短路电流中的高次谐波 在定子边有奇次谐波电压和电流 在转子边有偶数次谐波电压和电流 根据反向旋转磁场的电磁感应 假设 非短路相空载 单相对中点短路 根据各相的电流 求出各相序的电压为 负序电抗和零序电抗比正序电抗小得多 故单相短路电流比三相稳态短路电流大 其比值接近3 2 两相线对线短路 两相线对线短路 由于UA UA 两相线对线短路电流大约为三相短路电流的1 732倍 短路情况比较 例 汽轮发电机各序阻抗为x 1 62 x 0 155 x0 0 056 计算出Ik1 Ik2 Ik3 2 64 1 58 1在同一励磁电势E0下 单相稳定短路电流最大 两相次之 三相最小 大型同步发电机中点往往是通过接地电阻或电抗线圈接地 因此 实际上单相稳定短路电流并不总是最大 在隐极式电机中 整块转子的阻尼作用强 负序旋转磁场被削弱得较多 谐波电流的振幅较小 相应不对称运行带来的不良影响有所改善 负序电抗显著减小 不对称负载引起的端电压不对称将降低 在没有阻尼绕组的凸极式电机中 由于极面和极芯常用钢片叠成 故负序旋转磁场的削弱程度不大 谐波电流就有较大的振幅 定子电流中的主要谐波为三次谐波 转于电流中的主要谐波为二次谐波 次数较高的谐波则因振幅小 作用不大 写出不对称运行时的边界条件 根据边界条件利用对称分量法求电压电流的各相序分量 合成各序电压和电流求出各相 线 实际电压和电流 分析同步发电机负载不对称运行时基本思路 利用各序电流和电压的关系作出统一等效电路 利用等效电路求解各序电压和电流 不对称运行对同步发电机的影响 1 对同步发电机本身的影响 引起发电机转子过热 产生附加转矩 引起转子振动 2 对电力系统的影响 3 阻尼绕组在发电机不对称运行时的作用 对用户的损害 特别是异步电动机负载 对与输电线路平行的通讯线路的干扰 可以有效削弱负序磁场 负序电抗的变小 使得不对称运行引起的电网端电压不对称程度也减小 20 3三相突然短路的分析 从突然短路到进入稳态短路的过程所持续的时间很短 冲击电流可高达额定电流的10 20倍 在电机内产生极大的电磁力 这种电磁力可能会扯断电机绕组的端部或将转轴扭弯 突然短路的物理概念条件 同步速 有励磁电流 定子绕组有感应电势类别 空载三相 单相 两相突然短路定子绕组内部短路 相间 匝间短路 空载三相突然短路与稳态短路的主要区别突然短路电流十倍以上 具有极大破坏性稳态短路电流1倍左右 属于正常试验项目 1 超导体闭合回路磁链不变原则 合上开关 使定子绕组1短路 有不计电阻r1 则即 const设t 0时磁链为 t 0 则 t 0在没有电阻的闭合回路中 磁链将保持不变 磁链不能突变 在突然短路瞬间 认为磁链保持不变 类似超导体情况 为闭合线圈的磁链 包括自链和互链 如果外界磁通进入线圈 则线圈中必然立即产生一个电流 这一电流产生的磁通与外加磁通的大小相同 方向相反 以此保持线圈匝链的总磁通仍然不变 这就是超导闭合回路磁链不变原则 2 三相突然短路的物理过程 突然短路之前 电机处于空载状态设a a0的瞬间定子绕组突然短路 A相绕组的磁链为 A0 mcosa0 m为Ff与A相轴线重合时A相绕组磁链转子磁通与A相绕组匝链 其磁链值为 A mcos a0 t 突然短路后 电枢绕组各相都产生一个非周期性的直流电流 共同产生不转的稳定磁势 使各相绕组分别产生一不变的磁链以维持其在短路瞬间的磁链 包括漏磁链 电枢绕组产生一组对称三相周期性交变电流 并在气隙中产生一个合成旋转磁势Fa 它始终和Ff大小相等 方向相反 作用在直轴上 以抵消Ff对电枢绕组各相的磁链 转子上的励磁绕组F和阻尼绕组Z也是闭合绕组 对Fa 的反应 Fa 产生的 a作用在直轴上 a要通过转子磁路 去匝链F和Z F和Z的反应是 分别产生非周期性直流电流IF 和IZ 产生恒定磁通以抵消 a a只能绕道而行 磁阻很大 要产生一定 a 就需要很大的电枢电流 突然短路电流要比稳态短路电流大得多 对Fa 的反应 Fa 在空间静止 与转子绕组之间有相对运动 它将在励磁绕组F和阻尼绕组Z中感应出交变电流IF 和IZ 以抵消Fa 在转子绕组中产生的磁链 电阻存在 短路电流会逐渐衰减 阻尼绕组的时间常数比励磁绕组小得多短路以后 IZ 首先衰减完毕 IF 还未来得及衰减 把短路瞬间到IZ 衰减完毕这一阶段称为超瞬变过程 IF 开始衰减 并逐渐达到稳态 这一过程称为瞬变过程 3 瞬态短路时的电抗 感性回路 X L N2 R N2 N为绕组串联匝数 R为磁路的磁阻 为磁路的磁导 稳态情况下 电枢电流产生 a和 as 略去铁心部分的磁阻 a对应的就是气隙磁导 ad as对应的是漏磁导 s 总磁通对应的总磁导为 d ad s对应的电抗为 Xd Xad Xs直轴同步电抗超瞬变瞬间 a遇到了气隙磁阻 阻尼绕组漏磁阻和励磁绕组漏磁阻 再考虑到电枢绕组的 as后 电枢磁通的总磁导为 对应的电抗为 瞬变过程时 阻尼绕组中的电流已衰减完毕 此时 a它遇到了气隙磁阻和励磁绕组漏磁阻 再考虑到电枢绕组的漏磁通后 电枢磁通的总磁导为 直轴瞬态电抗 直轴超瞬态电抗 20 4突然短路电流 A相为例 电枢电流的交变分量iA 为 其中 I E0 Xd E0为短路前励磁电势有效值I 称为电枢绕组的超瞬态电流 若无阻尼绕组 则I E0 Xd I 称瞬态电流 电枢电流非周期性分量为 电枢电流周期性分量的衰减分为两个阶段 从I 衰减到I 这一阶段的衰减量 I I 由阻尼绕组中对应电流的衰减而引起 Td LZ RZ 从I 到I 这一阶段的衰减量 I I 由励磁绕组中对应电流的衰减而引起 Td LF RFIA 的衰减由定子绕组本身的电阻引起 Ta La Ra 发电机进入稳态短路 I E0 Xd 当a0 0电枢短路电流的情况 经过半个周期电流达到最大值 它是超瞬态电流幅值的1 8倍左右 20 5同步电机的振荡 多种原因可能导致振荡 严重时可能造成电机与电力系统失去同步 中断供电或使与电网相关联的电器设备受到损坏 在振荡过程中电机的转速不再是恒速 同步电机的方程式呈非线性 小值振荡是指同步电机的功角围绕一个恒定值 b作小幅度周期性变化 变化幅度一般为10度以下 电机转速也围绕着同步速作周期性变化 在振荡过程中 阻尼绕组中将出现感应电势和电流 并形成感应转矩 当转子转速高于同步速时 感应转矩起制动作用 而当转子转速低于同步转速时 感应转矩又具有驱动作用 如振幅过大 则位移角变化角大 超过弹性极限 将与电网失步 当同步发电机由不均匀的原动机拖动时 将发生强制振荡 相近容量的两台发电机并列运行 一台发电机的振荡将引起另一台发电机的振荡 即电网电压的振荡 20 6不对称运行和突然短路的影响 1 不对称运行影响负序电流产生的负序旋转磁场在转子绕组中感应出两倍频率的电流以及在转子表面感应出涡流负序旋转磁场与转子磁场之间有两倍速的相对运动 产生以两倍频率 100Hz 脉动的转矩 对于同步发电机 常从转子发热的角度出发限制负序