第14章-同步发电机的三相突然短路..ppt

1 2020年4月21日4时28分 第十四章同步发电机的三相突然短路 主要内容 1 突然短路与稳态短路的区别 2 掌握参数的物理意义以及大小关系 3 了解三相突然短路的物理过程 2 2020年4月21日4时28分 14 1概述 突然短路与稳态短路的区别 稳态短路 电枢磁场在转子中不感应电势 三相稳态短路时 电枢磁场是一个恒幅 与转子同步旋转的圆形旋转磁场 转子绕组中不会感应电动势和电流 突然短路 电枢磁场在转子中要感应电势 三相突然短路时 电枢电流和电枢旋转磁动势的幅值是随时间而变化的 从而在转子绕组中产生感应电动势和电流 此电流反过来又影响定子绕组中的电流 这种定 转子绕组之间的相互影响 使突然短路后的过渡过程变得十分复杂 这也是三相突然短路区别于三相稳态短路的根本原因 3 2020年4月21日4时28分 14 2超导体闭合回路磁链守恒原理 1 守恒原理 4 2020年4月21日4时28分 时 所以 则可得 故 超导体回路磁链守恒原理 5 2020年4月21日4时28分 2 短路线圈中的电流 直流分量 或称非周期分量 它是用来维持短路前瞬间的磁链保持不变 6 2020年4月21日4时28分 3 电流的衰减 由于 回路中有一定的能量消耗 它使线圈里的电流和磁链要发生衰减 一般按指数规律衰减 直流分量的起始值 为衰减的时间常数 7 2020年4月21日4时28分 14 3同步发电机空载时发生三相突然短路的物理过程 为简化分析 作如下假设 1 机端发生三相突然短路 且短路前电机空载运行 2 短路前后 转子转速和励磁电流保持不变 3 所有参数已归算到定子侧 4 磁路不饱和 可应用叠加原理 5 先考虑各绕组为超导体 然后再考虑电阻引起的电流衰减 8 2020年4月21日4时28分 在突然短路瞬间 由于磁链不能突变 所以可以用超导体回路磁链守恒来求短路瞬间的电流起始值 然后再考虑电阻的影响 9 2020年4月21日4时28分 一 突然短路前电枢绕组的磁链 规定正方向 磁通由定子指向转子为正 电流的正方向与磁链的正方向符合右手螺旋定则 空载时 电枢绕组中无电流 因此 电枢绕组的磁链是由励磁磁通与电枢绕组交链产生的 由于励磁磁通随着转子旋转 因此励磁磁通对各相绕组的磁链随时间发生变化 为一时间相量 10 2020年4月21日4时28分 式中 为励磁磁通对相绕组的最大磁链 为转子N极轴线距离 A轴的空间电角度 11 2020年4月21日4时28分 二 突然短路瞬间电枢绕组的磁链 电枢绕组在t 0瞬间的磁链为 12 2020年4月21日4时28分 三 突然短路后电枢绕组的磁链 1 由励磁磁通交链的电枢磁链 13 2020年4月21日4时28分 2 电枢电流及其产生的磁链 14 2020年4月21日4时28分 四 突然短路电枢电流的交流分量 1 电枢电流交流分量的大小 通过与三相稳态短路进行比较 找出突然短路时电枢电流的交流分量大小 三相稳态短路时 其短路电流为 由于突然短路时励磁和转速没有变化 所以E0与稳态短路时的一样 xd的值是否会发生改变呢 这要看磁通所对应的磁路是否与稳态时一样 由于定子漏磁通主要通过空气作为磁路 因此漏抗x 为一常数 即突然短路时与稳态短路时的定子漏抗是一样的 那么电枢反应磁通所经磁路以及相应的电枢反应电抗是否一样呢 15 2020年4月21日4时28分 稳态短路时的电枢反应磁通所经磁路和等效电路如图14 6所示 16 2020年4月21日4时28分 突然短路时 由定子三相交流分量产生的电枢反应磁通与励磁磁动势产生的磁通方向相反 转子绕组认为是超导体 为了维持磁链守恒 感应电流产生磁通 以抵制定子磁通从转子绕组中通过 17 2020年4月21日4时28分 突然短路时电枢绕组中交流分量的大小为 直轴超瞬态电抗或直轴次暂态电抗 18 2020年4月21日4时28分 2 电枢电流交流分量的相位 由图14 4可以看出 i A与 aA同相位 14 18 19 2020年4月21日4时28分 以上分析的是同步发电机有阻尼绕组的情况 如果没有阻尼绕组或者阻尼作用消失 则相当于阻尼绕组开路 此时的电抗为 直轴瞬态电抗或直轴暂态电抗 20 2020年4月21日4时28分 讨论 1 和属于漏抗性质 因此数值较小 由于对应的磁导比的磁导小 对应的磁导又比稳态时之xd对应的磁导小 所以 2 一般 所以在额定空载电压下发生突然短路的超瞬态电流可达7 10倍额定电流 3 一般左右 所以在额定空载电压下发生突然短路的瞬态电流可达额定电流的5倍左右 21 2020年4月21日4时28分 五 突然短路电枢电流的直流分量 直流分量的大小可根据短路瞬间电流不能突变来确定 由于突然短路瞬间 t 0 电机为空载 相电流为零 所以 或 式中 i A 0 i A 0 分别为短路后瞬间A相的交流分量和直流分量的起始值 22 2020年4月21日4时28分 所以 由于是超导体 电流不会衰减 任何时刻的电枢电流直流分量都等于起始值 所以 同理 23 2020年4月21日4时28分 六 突然短路时电枢总电流 电枢绕组总的突然短路电流为交流分量和直流分量之和 24 2020年4月21日4时28分 当时发生突然短路 这时 A相直流分量达到最大值 A相电流的瞬时值为 25 2020年4月21日4时28分 图14 10画出了A相电流的波形 从图中看出 这时的i A达到最大值 如果发电机是在额定电压下发生突然短路 用标么值表示为E 0 1 取当 t 180度时电流最大值可达 即达额定电流有效值的22倍 这是一个很大的短路电流 26 2020年4月21日4时28分 七 突然短路电流的衰减 实际电机的绕组一般不是超导体 线圈都有电阻 电阻产生损耗 引起电流的衰减 尽管电流会衰减 但磁链守恒原理在t 0的初始瞬间还是适用的 所以前面求出的交流分量和直流分量的起始值仍然是对的 磁链和电流的衰减都是按指数函数规律衰减 衰减的时间常数决定于这个绕组的电阻和等效电感 27 2020年4月21日4时28分 所谓某一绕组的等效电感是指既考虑了它本身的自感 又考虑了其他绕组对它的互感作用所得到的一个电感 求某一绕组的等效电抗 以该绕组为原边 其他绕组为副边短路的变压器所对应的电抗 根据等效电抗即可求出该绕组的等效电感 28 2020年4月21日4时28分 例如 一台副边短路的变压器从原边看的等效电抗所对应的电路如图14 1l所示 其等效电抗为 其等效电感为 29 2020年4月21日4时28分 直流分量衰减的原因是 由于电枢绕组有电阻 电流在电阻上产生的损耗由短路瞬间储存在线圈里的磁场能量来供给 这个磁场所对应的磁链即为起始磁链 0 由此可知 随着电阻上能量的消耗 磁场能量和起始磁链 0随着减少 显然 维持 0的直流分量i 也以同一时间常数衰减 1 电枢电流直流分量的i 衰减 衰减的时间常数取决于电枢绕组的电阻ra和从电枢绕组看的等效电感La 30 2020年4月21日4时28分 x2对应的电感即为电枢绕组的等效电感 即 因此 电枢绕组的时间常数为 Ta又称为非周期时间常数 由于 0为固定的磁链 它所经磁路随转子的旋转而变化 当 0对着直轴时 从电枢绕组看的等效电抗为x2d 当 0对着交轴时 从电枢绕组看的等效电抗为x2q 取其平均值作为电枢绕组的等效电抗 即 31 2020年4月21日4时28分 所以各相电枢电流直流分量衰减的表达式为 32 2020年4月21日4时28分 电枢电流交流分量I 的作用是为了产生电枢磁链 a 以抵消励磁磁通对电枢绕组的磁链 由于励磁电流不衰减 当然也不会衰减 显然用来抵消 的 a也不会衰减 但是 由于转子产生的非周期性电流 if和 ikd和由它们产生的反磁动势要衰减 所以相应的电流i 也要衰减 2 电枢电流交直流分量i 的衰减 转子电流 if和 ikd是为了维持转子绕组磁链不变而引起的 由于转子绕组有电阻 它要引起转子电流衰减 从而使转子反磁动势减少 电枢反应磁通就要逐渐进入转子铁心 它所走的磁路的磁阻要逐渐减小 这样一来 产生不变的 a所需的电流也就减小了 最后 当电枢反应磁通全部进入转子时 达到了稳态短路电流的数值 33 2020年4月21日4时28分 由此可知 电枢电流交流分量衰减的原因是由于转子电流衰减所引起的 因此电枢电流交流分量衰减的时间常数决定于转子电流 if和 ikd衰减的时间常数 为了写出交流分量的衰减方程式 把电枢电流交流分量看成是几个分量之和 即 由于 ikd衰减快 时间常数为0 05 0 07秒 而 if衰减慢 时闻常数为0 4 O 6秒 为了分析简便 可近似地认为 当 ikd衰减时 if不衰减 只有当 ikd衰减至零以后 if才开始衰减 34 2020年4月21日4时28分 1 衰减的第一阶段 超瞬态阶段 由等效电路可得 阻尼绕组的时间常数为 又称为直轴超瞬态时间常数 35 2020年4月21日4时28分 由 ikd引起的超瞬态短路电流为 同理可写出B C相电枢电流的超瞬态短路电流 36 2020年4月21日4时28分 2 衰减的第二阶段 瞬态阶段 励磁绕组的时间常数为 又称为直轴瞬态时间常数 37 2020年4月21日4时28分 由 if引起的瞬态短路电流为 同理可写出B C相电枢电流的瞬态电流 38 2020年4月21日4时28分 3 当 if衰减完后 即进入稳定短路状态 此时转子电流只有不衰减的if0 它在定子绕组里引起稳态短路电流 所以 同理可写出B C相电枢电流的交流分量 把各个分量相加 即得电枢绕组的交流分量 39 2020年4月21日4时28分 3 考虑衰减后的电枢绕组短路电流 讨论 定子突然短路电流不仅与励磁电动势的大小有关 还与瞬态参数和短路瞬间转子的位置有关 40 2020年4月21日4时28分 起始磁链 0A 转子电流和对应的A相突然短路电流各分量的波形图如图14 15所示 其合成的定子A相突然短路电流波形如图14 16所示 41 2020年4月21日4时28分 说明 以上是分成三个阶段进行分析 这样便于理解 实际上电枢绕组 励磁绕组和阻尼绕组之间总是相互影响的 不可能完全分开 例如在超瞬态阶段中 if也要衰减 在瞬态阶段中 ikd也不可能衰减完 因此分析是近似的 42 2020年4月21日4时28分 14 4突然短路对同步发电机的影响 1 冲击电流产生很大的电磁力定子绕组端部与转子励磁绕组端部之间 定子绕组端部与定子铁心之间 定子绕组各相邻端部之间 2 产生很大的电磁转矩作用于电机轴 机座以及底脚螺钉上