第十四章-同步发电机的不对称运行课件.ppt

1、电气工程与自动化专业本章内容同步电机各序阻抗与等效电路同步电机各序阻抗与等效电路1同步发电机的单相稳定短路同步发电机的单相稳定短路2同步发电机的两相稳定短路同步发电机的两相稳定短路3电气工程与自动化专业对称分量法不对称运行状态的主要原因：外施电压不对称外施电压不对称。三相电流也不对称。各相负载阻抗不对称各相负载阻抗不对称。当初级外施电压对称，三相电流不对称。不对称的三相电流流经变压器，导致各相阻抗压降不相等，从而次级电压也不对称。外施电压和负载阻抗均不对称外施电压和负载阻抗均不对称。着重分析着重分析 不对称运行的分析方法 正序阻抗、负序阻抗及零序阻抗的物理概念及测量方法 危害性三相变压器在Y，

2、yn连接时相电压中点浮动的原因及其危害电气工程与自动化专业对称分量法 对称的三相系统对称的三相系统：三相中的电压Ua、Ub、Uc对称，只有一个独立变量。如三相相序为a、b、c，由Ua得出其余两相电压 Ub=2 Ua, Uc=Ua 复数算子复数算子ej120e-j240 = cos120+j sin120 2ej240e-j1203ej360ej01 三相不对称系统：三相中的电压三相不对称系统：三相中的电压UaUa、UbUb、UcUc互不相互不相关关大小不一定相等，相位关系不固定 Ua、Ub、Uc为三个独立变量ABC电气工程与自动化专业对称分量法 对称分量法是分析三相不对称运行的基本方法。在以后

3、的章节中还会用到。 任意一组三相不对称的物理量（电压、电流等）均可分解成三组同频率的对称的物理量。 以电流为例，说明如下：电气工程与自动化专业对称分量法 把把不对称不对称的三相系统分解为三个独立的对称系统，的三相系统分解为三个独立的对称系统，即正序系统、即正序系统、负序系统负序系统和和零序系统零序系统 下标“+”、“-”、“0”分别表示正序、负序和零序电气工程与自动化专业对称分量法 结论（1）正序、负序和零序系统都是对称系统。当求得各个对称分量后，再把各相的三个分量叠加叠加便得到不对称运行情形。（2）不同相序具有不同阻抗参数，电流流经电机和变压器具有不同物理性质。（3）对称分量法根据叠加原理，

4、只适用于线性参数的电路中。电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 不对称负载不对称负载 大容量的单相负载，如单相电炉大容量的单相负载，如单相电炉 引起三相电压和三相电流的不对称引起三相电压和三相电流的不对称 对同步发电机带来不利的影响对同步发电机带来不利的影响 主要分析方法主要分析方法 与分析异步电机不对称运行相同与分析异步电机不对称运行相同 对称分量法对称分量法 对称分量法对称分量法 将不对称的三相电压、电流及其所激励的磁将不对称的三相电压、电流及其所激励的磁势分解为势分解为正序分量、负序分量和零序分量正序分量、负序分量和零序分量 然后对各个分量分别建立的端点方程式和相然后对各个分量

5、分别建立的端点方程式和相序方程式，求解各序分量并研究各序分量分序方程式，求解各序分量并研究各序分量分别所产生的效果别所产生的效果电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 将它们叠加起来，就得出实际不对称运行将它们叠加起来，就得出实际不对称运行的结果和影响的结果和影响 应用条件：不计饱和应用条件：不计饱和 不对称运行时不对称运行时 同步发电机的空气隙磁场为一椭圆形旋转磁同步发电机的空气隙磁场为一椭圆形旋转磁场场 包含正序和负序旋转磁场包含正序和负序旋转磁场 由于旋转方向不同，所以转子回路的反应也由于旋转方向不同，所以转子回路的反应也各不相同，各不相同，对不同相序的电流，同步电机呈对不同相序

6、的电流，同步电机呈现的电抗也就有不同的数值现的电抗也就有不同的数值电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 对称运行时对称运行时 定子电流为一稳定的对称三相电流，即一组定子电流为一稳定的对称三相电流，即一组正序分量正序分量 其旋转磁场（即正序旋转磁场）和转子之间其旋转磁场（即正序旋转磁场）和转子之间没有相对运动，不会在转子绕组中产生感应没有相对运动，不会在转子绕组中产生感应电势，这个电流所遇到的电抗便是同步电抗电势，这个电流所遇到的电抗便是同步电抗 同步电机的正序电抗即系同步电抗，即同步电机的正序电抗即系同步电抗，即SXX 电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 不对称运行时不对

7、称运行时 负序电流所产生的负序旋转磁场以同步转速负序电流所产生的负序旋转磁场以同步转速向着和转子转向相反的方向旋转向着和转子转向相反的方向旋转 该磁场以两倍同步转速切割转子绕组，在其中感该磁场以两倍同步转速切割转子绕组，在其中感应出两倍电源频率的交变电流应出两倍电源频率的交变电流 对于负序旋转磁场，转子绕组的作用为一短对于负序旋转磁场，转子绕组的作用为一短路绕组路绕组 负序电流所遇到的电抗不再是同步电抗，而负序电流所遇到的电抗不再是同步电抗，而是另一个电抗是另一个电抗x x，称它为称它为负序电抗负序电抗，其数，其数值远较同步电抗为小值远较同步电抗为小电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电

8、路 负序旋转磁场负序旋转磁场 在转子激磁绕组和阻尼绕组中感应的两倍频率在转子激磁绕组和阻尼绕组中感应的两倍频率的交变电流，将引起附加的铜损耗的交变电流，将引起附加的铜损耗 在转子表面产生涡流，从而引起附加表面损耗在转子表面产生涡流，从而引起附加表面损耗 还在转子轴和定子机座引起振动还在转子轴和定子机座引起振动 我国我国发电机运行规程发电机运行规程 在额定负载连续运行时，汽轮发电机三相在额定负载连续运行时，汽轮发电机三相电流之差，不得超过额定值的电流之差，不得超过额定值的10%10%；水轮发；水轮发电机和同步补偿机不得超过额定值的电机和同步补偿机不得超过额定值的20%20%，同时任一相的电流不得

9、大于额定值同时任一相的电流不得大于额定值 在低于额定负载连续运行时，各相电流之在低于额定负载连续运行时，各相电流之差可以大于上面所规定的数值，但应差可以大于上面所规定的数值，但应根据根据试试验确定。验确定。电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 零序电流零序电流产生的三个脉动磁势，幅值相等，时间同产生的三个脉动磁势，幅值相等，时间同相，空间各相隔相，空间各相隔120120电角度，因此三相基电角度，因此三相基波合成磁势恰相互抵消，不形成气隙互磁通，波合成磁势恰相互抵消，不形成气隙互磁通，只存在一些漏磁场，数值一般很小只存在一些漏磁场，数值一般很小零序电流所遇到的电抗为带有漏抗性质的零序电

10、流所遇到的电抗为带有漏抗性质的零序电抗，用零序电抗，用x x0 0代表，代表，x x0 0较较x x更小更小 现代电力系统现代电力系统规模很大规模很大负载电流的严重不对称是不常见的负载电流的严重不对称是不常见的具有实际意义的不对称运行情况具有实际意义的不对称运行情况 单相接地短路单相接地短路 二相短路二相短路 二相接地短路等二相接地短路等电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 正序和负序正序和负序 实际旋转方向为正向，相应地称产生正向旋实际旋转方向为正向，相应地称产生正向旋转的电气旋转磁场的多相电流的相序为正序，转的电气旋转磁场的多相电流的相序为正序，反之，则称为负序反之，则称为负序

11、不对称运行时，电流中存在正序、负序和零不对称运行时，电流中存在正序、负序和零序分量。它们的磁场和转子有不同的相对关序分量。它们的磁场和转子有不同的相对关系，就呈现不同的阻抗以及不同的等效电路系，就呈现不同的阻抗以及不同的等效电路 正序阻抗正序阻抗在稳定状态下，同步电机的正序阻抗在稳定状态下，同步电机的正序阻抗就是同步阻抗就是同步阻抗对隐极机对隐极机sajxrjxrZ电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路对凸极同步机对凸极同步机 由于气隙不均匀，正序电流所遇到的阻抗为直轴由于气隙不均匀，正序电流所遇到的阻抗为直轴同步阻抗和交轴同步阻抗同步阻抗和交轴同步阻抗 由于电枢电阻较小，短路时电枢电

12、流的正序分量由于电枢电阻较小，短路时电枢电流的正序分量基本上为一纯感性的电流，基本上为一纯感性的电流， 9090，即，即I+ I+ I+d I+d ，而，而I+q I+q 0 0。其时。其时 。dXX 负序阻抗负序阻抗 可用转差率可用转差率s=2s=2的异步电动机的等效电路来的异步电动机的等效电路来表示表示 通常电阻的数值很小，在分析负序阻抗时可通常电阻的数值很小，在分析负序阻抗时可将电阻忽略不计将电阻忽略不计电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路(a)计入电阻计入电阻r2/2x2 Z mr1x1 Zrm同步电抗负序电抗的网络同步电抗负序电抗的网络x1 x2 X mx(b)略去电阻略去

13、电阻电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 由此由此 当负序旋转磁场对比转子漏磁通为很大当负序旋转磁场对比转子漏磁通为很大时，即时，即 x m x2 ，则，则 X-为定子漏抗与转子漏抗之和为定子漏抗与转子漏抗之和mmxxxxxx221xxx21电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 当同步电机有很强的阻尼系统时，负序当同步电机有很强的阻尼系统时，负序旋转磁场将为转子感应电流所产生的去旋转磁场将为转子感应电流所产生的去磁磁势所抵消磁磁势所抵消 如整块转子的汽轮发电机如整块转子的汽轮发电机1xx 转子激磁绕组为单相绕组，阻尼绕组也不是完转子激磁绕组为单相绕组，阻尼绕组也不是完全对称

14、的绕组，因此全对称的绕组，因此对称分量法不能无条件地对称分量法不能无条件地应用应用 在定子端点上的负序电压与流过定子绕组的负在定子端点上的负序电压与流过定子绕组的负序电流决不能都有正弦波形序电流决不能都有正弦波形电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 负序电抗应为负序端电压的基波分量与定子绕负序电抗应为负序端电压的基波分量与定子绕组的负序电流的基波分量之比组的负序电流的基波分量之比 负序电抗的数值和负载情况有关不同的短路情负序电抗的数值和负载情况有关不同的短路情况下，负序电抗的数值各不相同况下，负序电抗的数值各不相同 凸极式同步电机的阻尼作用一般较差，负序磁凸极式同步电机的阻尼作用一般

15、较差，负序磁场便可能较强场便可能较强 由于沿着两轴的磁阻不同，阻尼作用也不相同由于沿着两轴的磁阻不同，阻尼作用也不相同，负序磁场的振幅将不断变化，相应的负序电，负序磁场的振幅将不断变化，相应的负序电抗数值亦将不断变化抗数值亦将不断变化 对转子上无阻尼绕组的凸极机，负序电抗将在对转子上无阻尼绕组的凸极机，负序电抗将在 x xd d 和和 x xq q 之间交变之间交变电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路x2 x1 x1 xdxq(a)直轴网络直轴网络 (b)交轴网络交轴网络无阻尼绕组时负序电抗的网络无阻尼绕组时负序电抗的网络aqXadX电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 负

16、序电抗的数值范围负序电抗的数值范围汽轮发电机的负序电抗的平均值为汽轮发电机的负序电抗的平均值为0.1550.155装有阻尼绕组的水轮发电机的负序电抗的装有阻尼绕组的水轮发电机的负序电抗的平均值为平均值为0.240.24，没有阻尼绕组的水轮发电机，没有阻尼绕组的水轮发电机的负序电抗的平均值为的负序电抗的平均值为0.420.42 负序电抗的测定方法负序电抗的测定方法 定子绕组加适当降低的三相对称电压定子绕组加适当降低的三相对称电压 受试电机的转子由原动机带动，且以同步转受试电机的转子由原动机带动，且以同步转速旋转，但其转向应与定子磁场的旋转方向速旋转，但其转向应与定子磁场的旋转方向相反相反 激磁绕

17、组应被短接激磁绕组应被短接 从定子侧测量电压、电流和功率，便可求出从定子侧测量电压、电流和功率，便可求出负序电阻和电抗负序电阻和电抗电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 零序阻抗零序阻抗 其合成磁场为零其合成磁场为零 零序电流只产生漏磁通，相应的零序电抗具零序电流只产生漏磁通，相应的零序电抗具有漏抗的性质有漏抗的性质零序电流所产生的漏磁通与正序电流零序电流所产生的漏磁通与正序电流所产生的漏磁通所产生的漏磁通不同不同，它们之间的差，它们之间的差别要依绕组的型式而定别要依绕组的型式而定 对于单层绕组和整距双层绕组对于单层绕组和整距双层绕组在每一槽中的电流都属于同一相在每一槽中的电流都属于

18、同一相零序漏磁通和正序漏磁通相同零序漏磁通和正序漏磁通相同电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 对于短距双层绕组对于短距双层绕组上下圈边分属于不同的两相，槽内电流为上下圈边分属于不同的两相，槽内电流为相邻两相电流的相量差相邻两相电流的相量差如果上下层电流大小相等方向相反，槽内如果上下层电流大小相等方向相反，槽内合成电流为零合成电流为零双层短距绕组的零序漏磁通较正序漏磁通双层短距绕组的零序漏磁通较正序漏磁通为小，也即零序漏抗小于正序漏抗为小，也即零序漏抗小于正序漏抗 零序电抗的零序电抗的测定测定 把定子绕组串联连接把定子绕组串联连接 端点上外施额定频端点上外施额定频率率的单相交流电，使

19、电流的单相交流电，使电流（即零序电流）数值等于额定电流（即零序电流）数值等于额定电流 转子由原动机带动以同步转速旋转转子由原动机带动以同步转速旋转 激磁绕组应被短接激磁绕组应被短接 测量其电压、电流及功率，可求出测量其电压、电流及功率，可求出x x0 0电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路AWVAZYXGB测定零序电抗的接线图测定零序电抗的接线图电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 零序电阻零序电阻 零序电流主要产生漏磁通，不与转子零序电流主要产生漏磁通，不与转子 匝链，匝链，所以零序电阻就是电枢绕组的每相电阻所以零序电阻就是电枢绕组的每相电阻 零序电抗的数值范围零序电抗的

20、数值范围汽轮发电机平均值为汽轮发电机平均值为0.0560.056，水轮发电，水轮发电机为机为0.0850.085同步发电机的各序电抗是不相同的，同步发电机的各序电抗是不相同的，x x+ + x x x x0 0 。这也是旋转电机和静这也是旋转电机和静止的变压器不相同的一个特征止的变压器不相同的一个特征电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路不对称运行时不对称运行时 基本方程式将根据对称分量法改写为正序、基本方程式将根据对称分量法改写为正序、负序和零序三个基本方程式，方程式中各个负序和零序三个基本方程式，方程式中各个量值均为各序的数值量值均为各序的数值 因为对各序来说，它们都是对称三相系统

21、，因为对各序来说，它们都是对称三相系统，故各序的基本方程式也只须写出一相故各序的基本方程式也只须写出一相以以A A相来计算相来计算A A相的空载电势用相的空载电势用EAEA表示，并分别以表示，并分别以E EA+ A+ 、E EAA 、E EA0A0表示表示A A相的正序、负序和零序空相的正序、负序和零序空载电势载电势电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 假设假设转子磁场转子磁场总在电枢绕组中感应相序总在电枢绕组中感应相序为为A A、B B、C C的正序电势，则的正序电势，则 00AAAAEEEE同步发电机各序的基本方程式为同步发电机各序的基本方程式为00000ZIUZIUZIEUAA

22、AAAAA电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路IA+EA+UA+(a)正序正序Z+IA0UA0(c)零序零序Z0IAUA(b)负序负序Z同步发电机的同步发电机的各序等效电路各序等效电路电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 如果不计各序电阻，则方程式可改写为相序如果不计各序电阻，则方程式可改写为相序方程式方程式00000 xxxAAAAAAAIUIUIEU求解方法求解方法 空载电势和各序阻抗设为已知空载电势和各序阻抗设为已知 待求量是各相的电流和电压待求量是各相的电流和电压 三个相序方程式和三个端点方程式三个相序方程式和三个端点方程式 求出求出I IA+A+U UA+A+I

23、IA0A0U UA0A0I IAAU UAA电气工程与自动化专业同步电机各序阻抗与等效电路 最终求出各相电流最终求出各相电流 A2A0ACAA20ABAA0AAIaIaIIIaIaIIIIII 各相电压各相电压 A2A0ACAA20ABAA0AAUaUaUUUaUaUUUUUU电气工程与自动化专业同步发电机的单相稳定短路 电力系统中的短路故障电力系统中的短路故障 两个阶段：两个阶段：突然短路突然短路和和稳态短路稳态短路 第一阶段：自短路故障开始瞬间起，到所出第一阶段：自短路故障开始瞬间起，到所出现的巨大冲击电流衰减完毕，一般只有零点现的巨大冲击电流衰减完毕，一般只有零点几秒到几秒几秒到几秒 第

24、二阶段：冲击电流衰减完以后第二阶段：冲击电流衰减完以后AABCI k(1)IA=单相接地短路单相接地短路电气工程与自动化专业同步发电机的单相稳定短路 端点方程式端点方程式000CBAIIU 对称分量分解对称分量分解 03131AA0A)1(kAAA0AUUUIIIII电气工程与自动化专业同步发电机的单相稳定短路 相序方程相加有相序方程相加有 解得解得00 xxxAAIEj0 xxxAAjEI 单相短路电流单相短路电流0)1 (3xxxAkAjEII电气工程与自动化专业同步发电机的单相稳定短路 各序电压各序电压0000000000 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxAAAAAAA

25、AAAEEUEEUEEEUjjjjjj电气工程与自动化专业同步发电机的单相稳定短路 B B相电压相电压02AAABUUaUaU12020aaaExxxxxA C C相电压相电压02AAACUUaUaU1020aaaExxxxxA电气工程与自动化专业同步发电机的单相稳定短路 x_x_和和x x0 0远小于远小于x x（x x s s）单相短路电流远较三相短路电流大单相短路电流远较三相短路电流大如把如把x_x_和和x x0 0略去，则单相短路电流将高达三略去，则单相短路电流将高达三相短路电流的相短路电流的3 3倍倍 例例:某台某台125MW汽轮发电机的各标么值为汽轮发电机的各标么值为x+=1.86

26、7，x=0.22，x0=0.069，则有则有6 . 2069. 022. 0867. 1867. 1330)3() 1 (xxxxIIkk电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 两相稳定短路两相稳定短路 令令B B相和相和C C相直接短接相直接短接而在分解为对称分量时，则仍以而在分解为对称分量时，则仍以A A相的数量为标准相的数量为标准并以并以I I k(2)k(2)表示两相短路电流表示两相短路电流AABCIA两相短路两相短路IBIC电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 端点方程式端点方程式)2(0kCBCBAIIIUUI 对称分量分解对称分量分解0AAAAIIUU电气工程与自动

27、化专业同步发电机的两相稳定短路 没有中线连接，故在短路电流中没有零序分量没有中线连接，故在短路电流中没有零序分量 000A0AUI 求解得求解得 和和 为为I IA+I IAxxAAAjEII电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 B相电流的对称分量为相电流的对称分量为xxxxAABAABjjEaIaIEaIaI22 两相短路电流为两相短路电流为xxABBBkEIIII3)2(电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 两相短路电流也较三相短路电流为大两相短路电流也较三相短路电流为大 仍以上节所列电机的参数为例，可算得仍以上节所列电机的参数为例，可算得 I k(2) 为为 I k(3)

28、的的1.55倍倍 两相短路时的电压两相短路时的电压xxxxxxAAAAEUEU电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 正常相正常相A的电压为的电压为 短路相的电压为短路相的电压为xxxAAAA2EUUUAABBCBUaUaUUUU2AAAUUUaa212电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 相电压与短路电流的关系相电压与短路电流的关系)2()2(332kCBkAxxIUUIU 两相短路试验，可以测定同步电机两相短路试验，可以测定同步电机的负序电抗的负序电抗x)2()2(323kBkAxIUIU电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 如果发电机的中心点没有引出来，测不如果发电

29、机的中心点没有引出来，测不到相电压到相电压AAAABBAUUUUUU2321xkBA)2(3IU)2(3kBAxIU电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路ACIA两相对中点短路两相对中点短路IBIC0I0B 端点方程式端点方程式000CBAUUI电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 对称分量分解对称分量分解 由端点方程式和相序方程式可求解各序由端点方程式和相序方程式可求解各序分量分量AAAAAAAAUUUUIIII31000电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路00000000000 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxAAAAAAAEIEIEEIjjjj

30、电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 A相各序电压相各序电压0000 xxxxxxxxAAAAEUUU B、C相电流相电流aaaEIaaaEI20002020011xxxxxxxxxxxxxxxxACABjj电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 A相电压相电压00033xxxxxxxxAAAEUU 两相对中点短路稳态电流也比三相两相对中点短路稳态电流也比三相短路稳态电流为大短路稳态电流为大仍以上节所取电抗值：仍以上节所取电抗值：I k(1,1)为为I k(3)的的1.505倍倍电气工程与自动化专业同步发电机的两相稳定短路 同步发电机端点短路稳态电流同步发电机端点短路稳态电流 单相短路的短路电流为最大单相短路的短路电流为最大 三相短路的短路电流为最小三相短路的短路电流为最小 两相短路和两相对中点短路的短路电流介于两相短路和两相对中点短路的短路电流介于二者之间二者之间 可通过两相对中点短路试验，测定零序电抗可通过两相对中点短路试验，测定零序电抗 中线的电流为中线的电流为 只需在试验时测量开路电压和中点电流，就只需在试验时测量开路电压和中点电流，就可求得零序电抗可求得零序电抗00003xxxxxxxxAAUEIjj