31 同步电机的突然短路与振荡

null电机学 Electrical Machinery电机学 Electrical Machinery自动化系温志明2013null突然短路的物理过程（掌握） 瞬态电抗和超瞬态电抗（掌握） 三相突然短路 不对称突然短路的概念（了解） 同步电机振荡的物理概念（了解）突然短路的物理过程突然短路的物理过程突然短路的直观影响 1、各绕组出现很大的冲击电流，峰值可达额定电流的十倍以上。 2、在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。 3、可能损坏绕组端部，或使转轴发生有害变形，破坏电网的稳定运行。突然短路的物理过程突然短路的物理过程主要原因 突然短路是一个暂态过程——从正常运行到稳定短路的过渡阶段。短路电流中包含有自由分量——按一定时间常数衰减；当自由分量衰减完毕，即进入稳定短路。 突然短路时，电枢（定子）电流和相应的电枢磁场幅值发生突然变化，定、转子绕组间产生变压器感应关系，在转子绕组中感应电势和电流，反过来又影响定子绕组的电流。突然短路的物理过程突然短路的物理过程突然短路的直观影响 各绕组出现很大的冲击电流，峰值可达额定电流的十倍以上。 在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。 可能损坏绕组端部，或使转轴发生有害变形，破坏电网的稳定运行。短路瞬间，假设转速仍为同步速。定子磁场与转子绕组间无相对运动。 定子电流突然变化（由于短路），定子磁场幅值突变，在转子绕组中产生变压器作用超导体闭合回路磁链不变原则 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 ψ=const 设t=0时磁链为ψt=0 ，则 ψ=ψt=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）。分析时的假设分析时的假设（1）不考虑机械过渡过程 在过渡过程期间，电机的转速保持为同步速不变； （2）利用叠加原理 电机的磁路不饱和； （3）突然短路前为空载运行，突然短路发生在发电机的出线端； （4）不考虑强励的情况 发生短路后，励磁系统的励磁电流If0始终保持不变。 三相突然短路时的磁链三相突然短路时的磁链空载时，转子旋转磁场在定子绕组中形成磁链t=0时，发电机端点发生三相突然短路，磁链分别为Ψ0A、Ψ0B、Ψ0C 根据磁链不变原则，各绕组磁链将保持而不随时间变化（忽略电阻的作用） 三相突然短路时的磁链三相突然短路时的磁链转子电流的分量转子电流的分量由于定子电流产生的旋转磁场和直流磁场的出现，转子磁链守恒将被破坏，转子电路中必将引起感应电流以建立恰能抵消上述磁场对转子绕组形成的磁链 定子绕组交流分量产生的合成磁场Ψ~ ，同步旋转与转子相对静止，转子有需直流分量If-，以抵消磁链Ψ~ 定子电流直流分量产生磁场（静止）与转子相对转速为同步速，在转子中磁链Ψ- 感应工频交流电势，需交流电流分量If~，以抵消Ψ- 。考虑绕组电阻后的影响考虑绕组电阻后的影响实际情况下，定子、转子回路均有电阻存在，所以各瞬态电流分量均将按一定时间常数衰减，并最后消失。这时定子电流将是稳态短路电流，转子回路将是正常外施的激磁电流。 如三相稳定短路时电流只有0.535 IN，比额定电流都小瞬态电抗和超瞬态电抗瞬态电抗和超瞬态电抗任一线圈产生一定数量磁通所需的电流大小将因磁通所走的路径不同而大不相同。为产生同样的磁通，如磁阻较小，所需电流较小，即有较大的电抗；如磁阻较大，所需电流较大，即有较小的电抗。直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗稳定短路时 端电压等于零，电枢反应为纯去磁作用。 不计电枢电阻和漏磁通的影响，由定子电流所产生的电枢反应磁通与由转子电流所产生的磁通，大小相等，方向相反。电枢反应磁通所经的路线如图所示 直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗电枢反应磁通将穿过转子铁芯而闭合，磁阻较小 定子电抗等于同步电抗xd（数值较大）直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗突然短路初瞬 转子磁链不能突变。 转子中产生一磁化方向与电枢磁场方向相反的感应电流，其磁通抵消要穿过转子绕组的电枢磁通。 等效： 电枢磁通从转子绕组外侧 的漏磁路通过直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗电枢反应磁通将从转子绕组外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻较大 定子电抗为直轴瞬态电抗 x’d（数值较小）直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗突然短路初瞬 转子磁链不能突变 如转子上有阻尼绕组，其磁链也不能突变。 等效： 电枢磁通从阻尼绕组和 转子绕组外侧的漏磁路通 过直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗电枢反应磁通将从转子外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻更大 定子电抗为直轴超瞬态电抗 x’’d（数值更小）x”d和x’d的达式x”d和x’d的表达式设ad代表空气隙的磁导，1d代表阻尼绕组旁的漏磁路的磁导，f代表激磁绕组旁的漏磁路的磁导 x”d和x’d的表达式x”d和x’d的表达式x”d和x’d的表达式x”d和x’d的表达式阻尼绕组阻尼绕组作用：提高电机运行的稳定性，削弱不对称运行时反向旋转磁场的不良影响。 x”d < x’d ，突然短路时定子电流的周期性分量幅值 将比无阻尼时更大。 在隐极发电机中，整块转子铁心起阻尼作用，不需另外的阻尼绕组。交轴瞬态电抗交轴瞬态电抗如短路电流中有交轴分量，产生交轴电枢磁场。 由于交轴方向无励磁绕组，交轴瞬态电抗和交相同步电抗相等 交轴超瞬态电抗交轴超瞬态电抗由于阻尼绕组的不对称性，在交轴方向有阻尼绕组作用（且与直轴方向作用不等）阻尼绕组在交轴的漏抗与负序电抗的关系与负序电抗的关系对于负序电流，其电枢磁场与转子绕组有2n1的相对运动，在转子绕组中感应电势产生电流。由于磁链不能突变，即类似短路时情况 直接外施负序电压 经外接电抗（很大）施加负序电压 外接电抗与负序电抗相当时如两相短路时2.7 静止法测定瞬态电抗2.7 静止法测定瞬态电抗试验：定子绕组的一相开路，另两相串联并外施一单相低压交流电源——两相短路。转子激磁绕组由电流表短接。 缓缓转动转子，定子电流和转子电流将发生变化，记录定子外施电压和定子电流。 当转到转子直轴时，转子绕组中的感应电流最大，定子电流最大；当转至转子交轴时，转子绕组中的感应电流最小，定子电流最小值。 如转子无阻尼绕组，切磁极由叠片构成，则测出的是瞬态电抗三、三相突然短路电流三、三相突然短路电流短路初瞬，定子电流中的直流分量与短路时的磁链有关（保持短路后磁链守恒）。 如短路时短路绕组与交轴重合，则磁链 如短路绕组与直轴重合，则磁链相应的短路电流中直流分类不相同，短路电流也不同。3.1 当 0=0 时的突然短路3.1 当 0=0 时的突然短路当t=0时，=0＝0，E0=Emax，Ik滞后E0 90°，Ik0=0。短路电流中直流分量I - = 0，只有交流分量3.2 当0= max时的突然短路3.2 当0= max时的突然短路当t=0时，＝0＝max，E0=0，周期分量I~= - Imax 初始条件，当t＝0时，绕组电流必须保持为零 短路电流中有非周期性的直流分量I-，且I- = Imax，使总电流的初值为零 衰减中的直流分量 交流分量如果衰减很缓慢，则在0．01s(半个周波)以后，最高冲击电流达到周期性电流的起始振幅的2倍。3.3 时间常数3.3 时间常数由于绕组存在电阻，各种自由分量都将衰减了解无阻尼、定子开路时激磁绕组的时间常数无阻尼、定子绕组短路时激磁绕组的时间常数定子短路时阻尼绕组的时间常数定子绕组四、不对称突然短路的概念四、不对称突然短路的概念利用对称分量法，分别考虑各序的瞬态电流分量 正序 负序 限制瞬态和超瞬态短路电流的是负序阻抗x- 零序 零序电流不产生气隙磁通，零序电抗只是定子绕组的漏电抗，用零序电抗x0计算瞬态过程 五、同步电机振荡的物理概念五、同步电机振荡的物理概念当同步电机运行时，合成磁场和转子磁场间可看着弹性关系：当负载增大时，位移角增大，相当于将磁力线拉长；当负载减小时，位移角减小，磁力线缩短。 当负载突然变化时，由于弹性作用，转子位移角不能立刻达到新的稳定值，即引起振荡——转子转速在同步速上下晃动。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。 如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。思思考题试说明下列情况中同步电机的转子电流中有没有交流分量 (1)同步运转，定子电流三相对称且有稳态值 (2)同步运转，定子电流有稳态值但三相不对称 (3)稳定异步运转 (4)同步运转，定子电流突然变化 如与电枢磁场有相对运动，或电枢磁场发生突然变化，产生变压器作用。思考题思考题说明瞬态电抗和超瞬态电抗和定子绕组的漏抗有什么不同 瞬态电抗是由定子三相绕组电流产生的电枢反应磁通对应的电抗；而定子漏抗对应于定子每相电流产生的且只匝链该相绕组的定子漏磁通 为什么同步发电机的突然短路电流比持续短路电流大得多 突然短路瞬间，各绕组的磁链需保持不变。电枢反应磁通的突然变化，在转子绕组中感应电流来抵抗电枢反应磁通，迫使电枢反应磁通在转子绕组以外的漏磁路通过，磁阻增加，电抗减小，突然短路电流大。 稳态短路时，电枢反应磁通能通过转子绕组磁路，磁阻小电抗大，短路电流小。思考题思考题突然短路对电机有何影响？ 突然短路电流的最大瞬时值可能达到额定电流的20倍左右 产生很大的电磁力——特别在端部，将导致绕组的端接部分受到严重的机械损坏 定子电流的突然变化，在转子绕组中感应电流，定子电流的磁场和转子电流产生的磁场相互作用将产生很大的单向制动转矩和交变转矩 ，使电机振荡 t>0时的磁链守恒t>0时的磁链守恒转子继续以同步转速旋转，转子磁场对定子绕组形成的磁链ΨfA、ΨfB和ΨfC始终按正弦规律变化。 定子各绕组的磁链要保持不变， 需由已闭合的定子绕组中产生感应电流，由该电流分别在各相绕组中建立磁链ΨAA、ΨBB和ΨCC以克服磁链的变化。 1.3 定子电流的分量1.3 定子电流的分量交流分量 在定子各相绕组中产生磁链-ΨfA、-ΨfB和-ΨfC ，以抵消转子磁场的作用，使定子绕组的磁链为零 直流分量 产生不变的磁链（保持磁链守恒）null