第十七章 同步发电机的非正常运行

第十七章同步发电机的非正常运行第二节同步发电机空载时三相突然短路的分析本节的要点：1掌握三相突然短路与稳态短路的区别和联系。2掌握空载三相突然短路后定子绕组中电流的主要分量的特点及相应磁通的磁路。3掌握上述电流分量对应的电抗与衰减时间常数的表达式和等效电路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，属于正常试验项目一、从实例看R-L电路过渡过程分析的一般原理合闸后电流有两个分量强制分量自由分量后者是无源分量，流过电阻消耗能量后得不到补充，要衰减。衰减时间常数1(1)i1(1)E(1)Uir(2)()tUiter1LRR-L电路过渡过程的特点1）电流的有源（强制）分量按照稳态分析方法确定，从时刻t=0开始就存在。2)无电源支持的自由分量，其初始值与有源（强制）分量在t=0时刻大小相等方向相反，使线圈在合闸前后电流不发生突变。3）凡是没有电源支持的电流，即“无源感应电流”，简称无源电流，都会衰减。关于换路定律的进一步说明自由分量的出现，可用楞次定律解释：合闸后立即出现的有源分量，有导致电流及其产生的磁通急剧变化的趋势；磁通的变化在电感线圈中产生感应电势，感生电流阻碍磁通的变化。阻碍到电流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R-L回路的换路定律。R-L电路换路定律的推广电感线圈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：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情况。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，各截面上的磁通不突变，甚至可以理解为各处的磁密不突变。22111222WLiiL两个耦合线圈过渡过程的特点问题描述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。1）分析一次电流有哪些分量，对比其磁路与衰减时间常数与单线圈的区别。2）分析二次电流变化趋势，它对一次电流的磁路有何影响。参见耦合线圈图1i1i分析方法：将单线圈的分析方法推广至耦合线圈2(1)i1(1)i1(1)02(1)i1(1)i1(1)线圈1中的电流分量与单线圈相似，合闸后直流电压U作用于闭合回路，立即出现有源电流分量为保证电流与磁通不突变，会立即出现无源感应分量，其初始值满足1(1)1Uir1(2)01|Uir短路线圈2对线圈1中的电流的影响1）对线圈1中电流所产生磁通的磁路的影响线圈1中电流所产生的突然出现的磁通要穿过线圈2，磁通的变化导致感应电势和感应电流i2(1)的出现，阻碍线圈2中磁通的变化，使其在合闸瞬间维持不变，于是线圈1中合闸后立即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。磁路从漏磁路向主磁路的转移i2(1)是无电源支持的感应电流，必然要衰减。随着它的逐渐衰减，对磁通的阻碍作用减小，使得磁路逐渐从线圈2的漏磁路转变为主磁路。这样，线圈1中有源强制分量i1(1)产生的磁通对应磁路的磁阻减小，磁导增加，电感变大。闭合线圈对时间常数的影响决定无源分量衰减时间常数的电阻与电感–电阻：线圈1的电阻r1–电感：从线圈1的出线端观察所呈现的等效电感。等效电抗的确定方法–借助双绕组变压器副边短路的等效电路–忽略激磁支路和副边的电阻。计算等效电感的等效电路线圈1无源分量衰减时间常数的等效电感该电感显著小于线圈2开路时的等效电感。1R1L2LsmL1sL211212111mmmLLLLLLLLLsssss二、同步发电机三相突然短路分析+A01fAXF同步发电机空载三相短路的物理过程图20-15a)为带阻尼绕组的同步发电机定、转子绕组结构示意图。其中转子上除了励磁绕组之外，还有阻尼绕组。阻尼绕组两端通过导电的短路环连接，使其始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分量同步发电机空载三相短路后的物理过程比较复杂。定子绕组中的电流分量较多。本节重点分析其中的主要分量：电源频率的有源强加分量和无源的直流衰减分量。突然短路电流的周期分量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分量。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略，所以仅取决于电抗。根据A、B、C三相绕组电流不能突变的原理，在三相绕组中必然产生无源感应电流分量。其初始值满足：记为。由于属于无源感应电流，所以要衰减，属于突然短路电流的非周期分量。以下进一步研究与的初始值及其衰减情况。突然短路电流的非周期分量0~002||cosAtAtdEiiX图20－15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1)突然短路瞬间定子的感应电势设短路瞬间转子位置如图20－15a),将该瞬间取为时间零点，容易推导出定子三相绕组感应电势为：电枢电流的周期分量形成的磁场突然出现的对称三相电流必产生突然出现的旋转磁场，转速为同步速，转向与转子相同,所以，相对于转子位置不变，时空相－矢量图忽略电阻的影响，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20－15b)。显然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电枢电流形成的旋转磁场的磁力线如图20－16a)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。与图20－13b)的情况相似。电枢突然短路电流初始值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第二、第三个绕组短路忽略电阻后所表现出的等效电抗，称为直轴超瞬态电抗。如图20－16b)所示。''dXsXadXfXKdX1111dSadfKXXXXX电枢电流周期分量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗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20－16电枢电流周期分量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗adXfXKX直轴超瞬态电抗根据图20－16b)所示等效电路容易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0.1～0.15。显然，如果没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。得到直轴超瞬态电抗后，与稳态短路时的情况相似，可以根据定子绕组的感应电势与的关系，得到定子瞬态电流的表达式定子瞬态电流的表达式Ae~Ai0~002sin(90)2cos()AddEitXEtX其初始值为由此可以得到定子瞬态电流周期分量的初始值定子瞬态电流周期分量的初始值0~002sin(90)2cos()AddEitXEtX三、突然短路电流的衰减（以下参阅教材相关内容）（1）电枢电流非周期分量的衰减电枢电流非周期分量是无源感应电流，在电枢绕组中流动，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与交轴的磁路闭合。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又有阻尼绕组，从定子绕组的出线端观察，所呈现出的等效电抗也是，即与上述确定周期分量初始值所用等效电抗相同。dXii电枢电流非周期分量对应的电抗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采用过的负序电抗。dXqX2X非周期分量衰减的时间常数这样，电枢电流非周期分量衰减的时间常数为电枢绕组短路时间常数。iaT21aXTRi电枢电流周期分量的衰减前面已经指出，由于产生的旋转磁场与转子同转速，所以，在转子绕组中不会由于切割作用而产生交变的感应电势与电流。但是，由于短路后突然出现的磁通要穿过闭合的阻尼绕组和励磁绕组，所以，在其中也会产生感应电势与感应电流，阻止相应磁通的变化。考虑到励磁绕组与阻尼绕组中的电流也是没有电源支持的，所以，随着两个绕组的电阻消耗能量，这些电流要衰减。~i~i衰减过程的两个阶段阻尼绕组中电流衰减过程的等效电抗较小，电阻相对较大，所以其中的电流衰减得快，于是从定子侧出线端观察的等效电抗是；当其衰减到可以忽略的程度，就相当于阻尼绕组开路，从定子侧出线端观察的等效电抗是;可见，衰减过程可以分为两个阶段，时间常数分别为与，dXdXdTdT突然短路后电枢电流的表达式经过推导，可以得到突然短路后电枢电流的表达式002cos2[()()]cos()addttTTAdddtTdddEEEieeXXXEEEetXXX00.10.20.30.40.50.60.70.8-6-4-202468