电力系统教案8

1、精品好资料学习推荐教学内容：了解同步发电机三相短路时的内部电磁过程；同步发电机机端三相短路时定子电流和转子电流中的各种分量；掌握同步发电机的次暂态参数、暂态参数和稳态参数及等值电路；同步发电机的原始方程、派克变换及同步发电机的基本方程、利用同步发电机基本方程分析同步发电机故障的方法步骤。教学重点：同步发电机三相短路时的内部电磁过程；同步发电机机端三相短路时定子电流和转子电流中的各种分量；同步发电机的次暂态参数、暂态参数和稳态参数及等值电路；派克变换、同步发电机的基本方程及利用基本方程分析同步发电机故障的方法步骤。教学难点：同步发电机机端三相短路时的短路电流的定性分析；机端三相短路时定子绕组、转

2、子绕组中的电流分量及其对应关系；同步发电机的电抗、电动势及其相量图和等值电路；park变换及同步发电机的基本方程。教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求：掌握等值电路，Park变换7.1故障概述在电力系统的运行过程中，时常会发生故 障，其中大多数是短路故障（简称短路）。1短路的概念及基本类型短路的概念所谓短路，是指电力系统正常运行情况 以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。短路的基本类型在正常运行时，除中性点外，相与相或者相与地之间是绝缘的。下表1-1给出了三相系统中短路的基本类型。2.短路产生的原因产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝

3、缘或者相对地绝缘被损坏。例如架空输电线的绝缘子可能由于受到过电压（例如由雷击引起）而发生闪络或由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电；其他电气设备，发电机、变压器、电缆线路等的载流备份绝缘材料在运行中损坏；运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作也会引起短路故障。3. 短路对电力系统的危害（1）短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害（2）短路会引起网络中电压降低短路还会引起网络中电压降低，特别是靠近短路点处电压下降很最多，结果可能使部分用户的供电受到破坏。（3）可能引起并列远行的发电机失去同步（4）造成对通讯系统的干扰4. 短路计算的几个基本假设（1）磁路的饱和、磁滞忽略

4、不计。（2）除不对称故障处之外，系统中其他各处认为是三相对称的。（3）各元件电阻的处理。（4）认为短路都是金属性短路。5. 预防短路的措施为了降低发生短路的概率，电力系统采取合理的防雷措施、降低过电压水平、采用合适的配电装置，以及加强对运行维护的管理。7.2标幺值7.2.1标幺值8.1同步发电机突然三相短路的物理过程及短路电流近似分析8.1.1空载情况下三相短路电流波形实测短路电流波形分析 短路电流包络线中心偏离时间轴，说明短路电流中含有衰减的非周期分量； 交流分量的幅值是衰减的，说明电势或阻抗是变化的。 励磁回路电流也含有衰减的交流分量和非周期分量，说明定子短路过程中有一个复杂的电枢反应过程

5、。8.1.2 理想电机：l 电路: 三相对称定子绕组(ax、by、cz)，转子励磁绕组ff，阻尼绕组DD,QQ:转子铁心中的涡流（隐极机）或闭合短路环（凸极机）l 磁路: 定子铁芯,气隙,转子铁芯l 机械旋转磁场:转子绕组中的直流电流产生; 电气旋转磁场：定子绕组中的三相对称交流电流产生azbcacyxb？8：阻尼绕组相当于异步电动机的鼠笼绕组，在同步发电机中起什么作用？8.1.3短路后各绕组的磁链及电流分量基本物理概念 转子以0的转速旋转，主磁通0交链定子abc绕组，即三相绕组的磁通如式（2-2） 在t=0（短路时刻）瞬间，各绕组的磁链初值为：由于绕组中的磁链不突变，若忽略电阻，则磁链守恒，

6、绕组中的磁链将保持以上值（一）定子短路电流分析1t=0（短路后），主磁通0继续交链定子绕组，则定子回路中须感应电流以产生磁链a I，使磁链守恒，图示为a ia|0|a0-a02a i是定子绕组中感应电流所产生的磁链，其中心轴偏离时间轴，则定子电流中包含基频交流i和直流分量i。3三相绕组中的直流分量合成为一个空间静止的磁场27018090cxbazy是空间静止的 当转子纵轴与重合时，气隙最小，则电感系数L大，需小； 当转子纵轴与垂直时，气隙最大，则电感系数L小，需大； 由于磁阻的变化周期是180，所以非周期分量包含2倍频分量和直流分量：（二） 励磁回路中的电流分量 是空间静止的0R01 励磁电压

7、作用下的依然存在；2 定子三相交流产生去磁的旋转磁场R= -0, 其突然穿越励磁绕组，则励磁绕组要保持磁链不突变，需感生直流电流；3 励磁绕组以同步转速切割空间静止的磁场，将产生基频交流。 4所以，d三）阻尼回路电流分量1 磁链轴线在d轴方向的称为直轴阻尼绕组D，；q2 磁链轴线在q轴方向的称为交轴阻尼绕组Q，；(四) 定、转子回路电流分量的对应关系和衰减 自由电流分量：维持绕组本身磁链不突变而感生的电流，其衰减主要由该绕组的电阻所确定； 强制电流分量：由电势产生的电流。1定、转子回路电流分量的对应关系为：定子电流iabc周期分量电流I自由分量直流电流i自由分量倍频交流i2强制电流Iifif|

8、0|自由分量直流 if基频交流ifiD自由分量直流 iD基频交流iDiQ自由分量直流 iQ0基频交流iQ2衰减关系 定子绕组自由分量电流、按定子回路时间常数衰减，所以，由静止磁场引起的转子电流、也按衰减； 维持转子绕组磁链不突变的自由分量电流、起到励磁电流的作用，其衰减变化引起定子周期分量电流由初始的衰减到 的衰减远快于，则可认为衰减完毕，变化甚少； 定子三相短路后，近似不变而衰减到零的过程的衰减时间常数为，其主要由阻尼绕组的电阻所确定，是衰减到的过程； 衰减到零的过程的衰减时间常数为，其主要由励磁绕组的电阻所确定，是衰减到的过程；三 短路电流基频交流分量的初始值和稳态值（一） 稳态值I 稳态

9、短路时的电枢反应 定子绕组电压方程：0if|0|ufRf 即 ：同步电抗。 （二）初始值 1不计阻尼回路时基频交流分量初始值因I产生的电枢反应磁通所经的磁路为绕励磁绕组外侧，其对应的电压降为0，则电压方程为f+ifif|0|ufR=R -oIf则 I为不计阻尼回路时初始基频交流电流-暂态电流；为绕励磁绕组外侧的定子磁通所对应的电抗-暂态电抗；2计及阻尼回路 同理可得： I”为计及阻尼回路时初始基频交流电流-次暂态电流；为绕励磁绕组和阻尼绕组外侧的定子磁通所对应的电抗-次暂态电抗； 同步发电机突然短路时基频交流电流幅值变化的原因是：突然短路时，转子闭合回路为维持本身磁链不突变而改变了电枢反应磁通

10、的磁路，使定子绕组的等值电抗发生了变化。 暂态过程中，定子绕组的等值电抗为、。二 短路电流的近似公式 （一） 基频交流分量电流的近似公式突然短路过程中，电枢反应引起磁路变化，相应的阻抗分别为： 起始阻尼电流衰减完毕稳态突然短路过程中，电枢反应引起磁路变化，相应的电流分别为： 起始阻尼电流衰减完毕稳态突然短路过程中，相应的电流衰减变化的时间常数分别为 起始阻尼电流衰减完毕 ：阻尼电流衰减完毕稳态 ：基频交流幅值可表示为：(二) 全电流的近似公式8.2 同步发电机的基本方程、参数和等值电路一基本方程 （一）回路电压方程和磁链方程ifrf绕组模型iaufLffzqdbcacyxbDDLaafibLb

11、brarbQDrcLDDrDuDiDaficLccrQuQiQLQQucubua 6绕组模型，定子abc三相绕组，励磁绕组ff，d轴阻尼绕组DD，q轴阻尼绕组QQ; 磁链正方向在绕组的轴线上，q轴超前d轴90(发电机一般处于过激，过励状态)； 定子正电流产生负磁链（过激运行，电枢反应为去磁作用）； 转子正电流产生正磁链（转子方程符合右手螺旋定则）； 定子流出正电流，电压为正（电源）； 转子侧绕组流入正电流，电压为正（负载）；回路电压方程定子回路：，正电流产生负磁链转子回路：（负载反电势）绕组：绕组：用分块矩阵形式简写为：磁链方程电感系数分析原理：电感正比于磁通，磁通反比于磁阻，磁阻正比于气隙宽

12、度；气隙宽度小，电感系数大；气隙宽度大，电感系数小。定子绕组的自感系数Laa、Lbb、Lcc自感，由环绕本绕组的磁通所经的磁路分析。aadddaad气隙小，电感大 气隙大，电感小 气隙小，电感大 气隙大，电感小Laa周期为的周期函数；27018090Laa=f()=f(-)偶函数 理想电机，仅考虑基波性，略去4次及以上高次项，Laa=l0+l2cos2同理Lbb=l0+l2cos2(-120)Lcc=l0+l2cos2(+120)定子绕组间的互感系数 互感，由环绕（链匝）两相绕组的磁通所经磁路作分析Mab27018090adddad气隙小，电感大 气隙大，电感小作富氏级数分析，取基波项，得转子

13、各绕组的自感系数Lff=Lf LDD=LD LQQ=LQ转子各绕组间的互感系数MfQ=MQf=MDQ=MQD=0MfD=MDf=Mr定子与转子绕组间的互感系数 因定子、转子绕组的相对位置随转子的旋转而周期变化，所以Maf=mafcos, MaD=maDcos, MaQ=-maQsinMbf=mafcos(-120), MbD=maDcos(-120), MbQ=-maQsin(-120)Mcf=mafcos(+120), McD=maDcos(+120), McQ=-maQsin(+120)结论：因同步发电机的凸极使得气隙不均匀和转子同步旋转，Lss可以是周期变化的时变参数，LSR、LRS必然

14、周期变化的时变参数，abc坐标制的同步发电机基本方程是时变系数微分方程。（二） Park变换及dq0坐标系统的发电机基本方程 原变量新变量形成便于求解的方程求解新方程逆变换为原变量 1Park变换变换矩阵 逆变换 对电压、电流、磁链可作变换 ， ， 逆变换： ， ， 2Park变换的物理意义 由park变换形式可知，变量作Park变换是用旋转坐标系代替空间静止的坐标系，即是观察点的变换； 对于正弦量，可应用三角公式：例2-2： 若iabc为三相正序交流idq0为直流，i0=0;若iabc为直流idq0为交流， 若iabc为三相负序交流idq为2倍频交流 若iabc为三相2倍频交流idq0为交流

15、3磁链方程的坐标变换Park变换后的磁链方程为： 采用正交变换或选用适当的基准值，可使磁链方程的电感系数矩阵对称，取标幺值的磁链方程为：idxd-i0xq0xad-iqxqxfifiQxQqxaqiDxDd 对称系数矩阵（满足互易）可用线性元件（R、L、C）作出等值电路，则励磁方程的等值电路为：磁链方程的Park变换是将定子abc三相绕组用dq0三个绕组磁等效代替，dd绕组的轴线与d轴重合，qq绕组的轴线与q轴重合，且d、q轴随转子同步旋转。零绕组是孤立绕组。4电压方程的Park变换经运算得：磁链变化产生的电势，称为变压器电势；：因旋转产生的电势，称为发电机电势。 电压方程作Park变换，是将同步发电机用直流电机模型来表示（参考资料1、2） 当为常数，电压方程是便于求解的一阶线性非齐次常微分方程。二 同步发电机稳态运行方程、相量图和等值电路 稳态运行：=1，iabc、uabc、abc三相对称，id、iq、d、q是常数。 定子绕组方程中，、 转子绕组方程中， 稳态运行方程为：进一步得仅用定子量表示得适用形式 式中，称为空载电势，是与励磁绕组中直流分量成正比的电势。2相量图qqqddd、q是空间互相垂直的两轴，将、表示为d轴相量，、表示为q轴相量稳态运行方程的相量形式为：或 这样，稳态运行电压方程为：jdxdjqxq