發(fā)電機基礎知識

1、 第一章 基礎知識1.同步發(fā)電機保護的基本知識 電廠中的發(fā)電機都為同步電機，它把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過輸電線路等設備送往用戶。1.1 同步發(fā)電機基本工作原理 我們知道， 導線切割磁力線能產(chǎn)生感應電勢，將導線連成閉合回路，就有電流流過，同步發(fā)電機就是利用電磁感應原理將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿摹?圖1-1為同步發(fā)電機示意圖。導線放在空心圓筒形鐵芯的槽里。鐵芯是固定不動的，稱為定子。磁力線由磁極產(chǎn)生。磁極是轉(zhuǎn)動的，稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是構成發(fā)電機的最基本部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵芯內(nèi)圓，每相隔120分別安放著三相繞組A-X、B-Y、C-Z。轉(zhuǎn)子上有勵磁繞組（也稱轉(zhuǎn)子繞組）R-L。通過電刷和

2、滑環(huán)的滑動接觸，將勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵磁繞組，產(chǎn)生穩(wěn)恒的磁場。當轉(zhuǎn)子被原動機帶動旋轉(zhuǎn)后，定子繞組（也稱電樞繞組）不斷地切割磁力線，就在其中感應出電勢來。 感應電勢的方向由右手定則確定。由于導線有時切割N極，有時切割S極，因而感應的是交流電勢。 交流電勢的頻率f，決定于電機的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)n，即 f = 式中n的單位為轉(zhuǎn)每分（r/min） 轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)，A、B、C三相繞組先后切割轉(zhuǎn)子磁場的磁力線，所以在三相繞組中電勢的相位是不同的，依次差120，相序為A、B、C。 當發(fā)電機帶上負荷以后，三相定子繞組中的定子電流（電樞電流），將合成產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子以同速度、同方向旋轉(zhuǎn)

3、，這就叫“同步”。同步電機也由此而得名。它的特點是轉(zhuǎn)速與頻率間有著嚴格的關系，即 n = 1.2同步發(fā)電機的分類同步發(fā)電機的種類按原動機不同來分，可分為：汽輪發(fā)電機 一般是臥式的，轉(zhuǎn)子是隱極式的。水輪發(fā)電機 一般是立式的，轉(zhuǎn)子是凸極式的。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分： 空氣冷卻（空冷） 外冷（指冷卻介質(zhì)和導體隔著絕緣層的冷卻） 外冷同步發(fā)電機 氫氣冷卻（氫冷） 內(nèi)冷（冷卻介質(zhì)直接冷卻導體）水冷卻（水冷）雙水內(nèi)冷上述的冷卻介質(zhì)和方式還可以有不同的組合，如水-氫-氫（定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷，鐵芯氫冷）；水-水-空（定子、轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷，鐵芯空冷）；水-水-氫（定子、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、鐵芯氫冷）等。1.

4、3 銘牌電機上的銘牌是制造廠向使用單位介紹該臺電機的特點和額定數(shù)據(jù)用的。其所標的量，如容量、電流、電壓等都是額定值。所謂額定值，就是能保證電機正常連續(xù)運行的最大限值，即在此額定數(shù)據(jù)的情況下運行，發(fā)電機壽命可以達到預期的年限。銘牌上標的主要項目有：(一) 額定電流額定電流是該臺電機正常連續(xù)進行的最大工作電流。(二) 額定電壓額定電壓是該臺電機長期安全工作的最高電壓。發(fā)電機的額定電壓指的是線電壓。(三) 額定容量額定容量是指該臺電機長期安全運行的最大輸出功率。有的制造廠用有功功率的千瓦數(shù)，也有的是用視在功率的千伏安數(shù)表示。(四) 額定功率因數(shù)cosw同步發(fā)電機的額定功率因數(shù)是額定有功功率和額定視在

5、功率的比值。銘牌上一般標有功功率和cosw值，或標視在功率和cosw值。上述額定電流、電壓、容量、功率因數(shù)是相對應的，知道其中幾個量，就可以求算出其余的量。1.4 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性，一般是指發(fā)電機的空載特性、短路特性、負載特性、外特性和調(diào)整特性等五種。從運行的角度看，外特性和調(diào)整特性是主要的運行特性，根據(jù)這些特性，運行人員可以判斷發(fā)電機的運行狀態(tài)是否正常，以便及時調(diào)整，保證高質(zhì)量安全發(fā)電?？蛰d特性、短路特性和負載特性則是檢驗發(fā)電機基本性能的特性，用于測量、計算發(fā)電機的各項基本參數(shù)。1.4.1 空載特性發(fā)電機空載特性是指發(fā)電機以額定轉(zhuǎn)速空載運行時其電勢E0與勵磁電流I1之

6、間的關系曲線。當發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)，其端電壓U就等于電勢E0，因此該曲線也就是空載時端電壓與勵磁電流的關系曲線。電勢決定于氣隙磁通，空載時的氣隙磁通決定于轉(zhuǎn)子磁勢，轉(zhuǎn)子磁勢又決定于勵磁電流，所以這曲線表達了電機中“電”與“磁”的聯(lián)系。如圖1-2所示空載特性曲線，E0=f（I1）。做空載特性試驗時，應維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變，逐漸增加勵磁電流，直至端電壓等于額定電壓的130%時為止。在增加勵磁電流的過程中，讀取勵磁電流值及與其對應的端電壓值，便可以得到空載特性的上升分支。接著減小勵磁電流，按上面方法讀取數(shù)值，便得到下降分支，如圖1-2（a）所示。由于鐵芯有磁滯現(xiàn)象，使上升分支與下降分支不重合。實際

7、應用的空載特性曲線是上升與下降兩曲線的平均，如圖中虛線所示。一般將平均的 曲線右移，使曲線通過坐標0點，如圖1-2（b）所示?？蛰d特性曲線實際上是一條具有電機這樣一個特定磁路的磁化曲線，因此它有磁化曲線的特征。它的開始部分接近于直線，E0與I1成直線關系，說明鐵芯未飽和。曲線的后一段彎曲，E0與I1不成直線關系，說明鐵芯已經(jīng)逐漸飽和，而且隨著I1的增大，飽和越來越嚴重。在試驗時，要注意當向某一方向（如I1增大）調(diào)節(jié)勵磁電流時，只許向同一方向逐漸調(diào)節(jié)，不要往返來回調(diào)，這是由于鐵芯的磁化與其經(jīng)歷的磁化過程有關?？蛰d特性曲線是發(fā)電機的一條最基本的特性曲線。可以用它來求發(fā)電機的電壓變化率、未飽和的同步

8、電抗值等參數(shù)。在實際工作中，它還可以用來判斷勵磁繞組及定子鐵芯有無故障等。1.4.2 短路特性 所謂短路特性，是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下，定子三相繞組短路時，定子穩(wěn)態(tài)短路電流I與勵磁電流I1的關系曲線，即I=f (I1)。如圖1-3。0III1 在做短路特性試驗時，要先將發(fā)電機三相繞組的出線端短路。然后，維持轉(zhuǎn)速不變，增加勵磁，讀取勵磁電流及相應的定子電流值，直到定子電流I達額定電流值時為止。在試驗過程中，調(diào)整勵磁電流時也不要往返來回調(diào)。圖1-3 短路特性 短路試驗測得的短路特性曲線，不但可以用來求取同步發(fā)電機的重要參數(shù)未飽和的同步電抗與短路比外，在電廠中，也常用它來判斷勵磁繞組有無匝間短路等故障

9、。顯然，勵磁繞組存在匝間短路時，因安匝數(shù)的減少，短路特性曲線是會降低的。1.4.3 負載特性負載特性是當轉(zhuǎn)速、靜子電流為額定值，功率因數(shù)cos=常數(shù)時，發(fā)電機電壓與勵磁電流之間的關系，即U=曲f(I1)。如圖1-4所示為不同功率因數(shù)時的負載特性曲線。當cos值不同，我們即可得到不同負荷種類的負載特性曲線。用負載特性與空載、短路特性，可以測定發(fā)電機的基本參數(shù)，是電機設計、制造的主要技術數(shù)據(jù)。1.4.4 外特性發(fā)電機帶上負荷以后，端電壓就會有所變化，外特性就是反映這種變化規(guī)律的曲線。所謂外特性，就是指勵磁電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更負荷（定子電流I）時端電壓U的變化曲線，即U=f(I)

10、。如圖1-5所示為幾個不同功率因數(shù)下的外特性曲線。從圖中可以看出，在滯后的功率因數(shù)（cos）情況下，當定子電流增加時，電壓降落較大，這是由于此時電樞反應是去磁的。在超前的功率因數(shù)cos（-）的情況下，定子電流增加時，電壓反應升高，這是由于電樞反應是助磁的。在cos=1時，電壓降落較小。外特性可以用來分析發(fā)電機運行中的電壓波動情況，藉以提出對自動調(diào)節(jié)勵磁裝置調(diào)節(jié)范圍的要求。一般用電壓變化率來描述電壓波動的程度。從發(fā)電機的空載到額定負載，端電壓變化對額定電壓的百分數(shù)，稱電壓變化率U，即 U = 100%式中 發(fā)電機空載電勢或電壓； 額定電壓。汽輪發(fā)電機的U=30 48%。1.4.5 調(diào)整特性電壓會

11、隨負荷的變化而變動，要維持端電壓不變，必須在負荷變動時調(diào)整勵磁電流。所謂調(diào)整特性，就是指電壓、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更負荷（定子電流I）時勵磁電流I1的變化曲線，即I1的變化曲線，即I1=f(I)，如圖1-6所示。從圖1-6所示不同功率因數(shù)下的調(diào)整特性可以看出，在滯后的功率因數(shù)情況下，負荷增加，勵磁電流也必須增加。這是因為此時去磁作用加強，要維持氣隙磁通，必須增加轉(zhuǎn)子磁勢。在超前的功率因數(shù)下，負荷增加，勵磁電流一般還要降低。這是因為電樞反應有助磁作用的緣故。調(diào)整特性可以使運行人員了解：在某一功率因數(shù)時，定子電流到多少而不使勵磁電流超過制造廠的規(guī)定值，并能維持額定電壓。利用這些曲線，可

12、使電力系統(tǒng)無功功率分配更合理一些。1.4.6 同步發(fā)電機有功功率的輸出當發(fā)電機空載時，定子繞組中的電流I=0，即電樞不會產(chǎn)生磁勢。此時發(fā)電機中，只有由轉(zhuǎn)子主磁極的勵磁磁勢所建立的主磁場，如圖1-7（a）所示。這時發(fā)電機的端電壓等于由主磁場產(chǎn)生的空載電勢，原動機輸給發(fā)電機的功率P1只要克服空載損耗就行了。圖1-7同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場與氣隙磁場之間的夾角d （a）發(fā)電機空載時，d=0；（b）發(fā)電機帶負荷時，d角的大小與負荷大小和性質(zhì)有關當發(fā)電機定子繞組端接上負荷時（假定負荷是純電阻性的），定子繞組中就出現(xiàn)了電流I，發(fā)電機向負荷輸出有功功率，于是發(fā)電機轉(zhuǎn)子受到一個制動轉(zhuǎn)矩的作用，這個制動轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩

13、加起來，比原動機的拖動轉(zhuǎn)矩要大，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度變慢。為了保持同步發(fā)電機以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，就必須增加原動機的拖動轉(zhuǎn)矩（增加汽輪機的進汽量），于是轉(zhuǎn)子又要加速，直到原動機所供給的機械功率與發(fā)電機輸出的電功率（還要加上發(fā)電機內(nèi)部的損耗）重新達到平衡，發(fā)電機才重新以穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。由于定子繞組中出現(xiàn)了電流，則在發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子和氣隙中，由繞組電流產(chǎn)生的磁勢F建立了第二個磁場 電樞反應磁場。我們稱電樞反應磁場對主磁場的影響叫電樞反應。如果負荷是純電阻性的，氣隙磁路是均勻的，那么電樞反應的結果是使發(fā)電機的氣隙磁場發(fā)生向移，即氣隙合成磁場對于主磁場來說，逆著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向偏轉(zhuǎn)了一個d角度，如圖1-7（b

14、）所示。如果繼續(xù)使負荷增大，即發(fā)電機輸出的有功功率增加，那么原動機的輸入功率也必須增加。但是負荷的增加就表示著定子繞組電流的增加，即電樞磁勢要增加。因此，電樞反應作用增強，使得發(fā)電機氣隙磁場軸線與主磁極磁場軸線之間的夾角d繼續(xù)增大。如果發(fā)電機的負荷是純電抗（純電感或純電容），那么發(fā)電機中就只有去磁或助磁電樞反應，其結果只是使發(fā)電機的磁場削弱或增強，而不會使磁場歪扭。由于感性負荷的去磁性電樞反應，使得發(fā)電機向純電感負荷送電時，發(fā)電機氣隙磁場由于去磁作用而將被消弱，端電壓就要降低；當負荷為容性時，電樞反應是助磁性質(zhì)的，將使端電壓升高。一般情況下，負荷常常是電感性的，所以它即有使主磁場相當于電阻負荷

15、的向移，又有相當于電感性負荷的去磁作用。這樣，發(fā)電機就向負荷既送出了有功功率，又送出了無功功率。由此可見，在同步發(fā)電機中，氣隙磁場軸線與主磁極磁場軸線之間的夾角d的大小，與同步發(fā)電機輸出的有功功率大小有關。當同步發(fā)電機輸出的有功功率增大時，原動機輸入的機械功率增大，d角也隨著增大。所以我們把d角叫作功率角。一般汽輪發(fā)電機在額定負荷下運行時，d角約為2530。同步發(fā)電機的這種運行狀況，就好象是發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場和氣隙磁場之間有一些橡皮筋連在一起，如圖1-8所示。由轉(zhuǎn)子磁場拖動氣隙磁場在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機輸出的有功功率越大，橡皮筋就被拉得越長，轉(zhuǎn)子磁場領前于氣隙磁場的角度d就越大。圖1-8發(fā)電

16、機轉(zhuǎn)子磁場拖動氣隙磁場在空間以同步速度施轉(zhuǎn)1.5 同步發(fā)電機的參數(shù)1.5.1 兩種旋轉(zhuǎn)磁場的概念轉(zhuǎn)子上裝有直流激磁磁極，它與轉(zhuǎn)子無相對運動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，形成旋轉(zhuǎn)磁場，稱機械旋轉(zhuǎn)磁場。定子流過三相對稱電流，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢，速度為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向從帶有超前電流的相轉(zhuǎn)向帶有滯后電流的相。當某相電流達到最大值時，旋轉(zhuǎn)磁場的振幅恰好轉(zhuǎn)到該相軸線處，該旋轉(zhuǎn)磁場稱電樞磁場。順著旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)子磁場超前于電樞磁場的為發(fā)電機運行，這時轉(zhuǎn)子由外施機械轉(zhuǎn)矩拖動，對轉(zhuǎn)子而言，電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用的力是個電磁阻力；反之電樞磁場超前于轉(zhuǎn)子磁場為電動機運行方式，這時電樞磁場作用到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。兩個旋轉(zhuǎn)磁

17、場空間有相位差。1.5.2 同步發(fā)電機的電樞反應及等值電勢電路圖（1）隱極同步發(fā)電機電樞反應及等值電勢電路圖定子與轉(zhuǎn)子兩種旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子繞組沒有相對運動，因而不會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應電勢。 這兩個磁場只在定子繞組產(chǎn)生感應電勢，在不考慮磁路飽和的情況下，轉(zhuǎn)子磁場感應空載電勢E0，電樞磁場感應的電勢為電樞反應電勢Ea,則有E0+Ea=Uf+I(ra+jxs)可用圖1-9描述圖1-9隱極同步電勢的等值電路圖1式中，Uf為機端電壓xs為定子繞組漏抗ra為定子電阻（2）凸極機空載磁勢波形圖對凸極轉(zhuǎn)子而言，空載時轉(zhuǎn)子磁勢波為方波，取其基波分析，如圖1-10。假如當氣隙均勻時，它產(chǎn)生的磁通密度分布也按正弦分布，

18、當磁場旋轉(zhuǎn)時，定子繞組中所匝鏈的磁通也就隨時間按正弦規(guī)律變化，從而繞組感應電勢也隨時間按正弦規(guī)律變化，可以分別用空間矢量和時間相量表示，又因為二者有相同的角速度，所以可以畫在同一坐標平面上，如果把相繞組軸線作為空間矢量參考軸，則會給分析同步電機的電磁關系帶來方便。圖1-10凸極機空載磁勢基波圖假如繞組正處于極面中心，感應E0為max值，交鏈磁通中0為零，所以E0應與時間軸t同相，0越前E0為90。時間相量有E0，空間失量有磁勢Ff1、磁密Bf1、磁通0，它們始終與轉(zhuǎn)子的軸線方向一致，稱直軸或d軸，兩極之間的中線稱為交軸或q軸。時間相量與空間失量之間的相角是無物理意義的。（3）有負載時電樞反應磁

19、勢圖 空載時U = E0 有負載時，便產(chǎn)生電樞磁勢，對空間磁場的影響稱電樞反應。電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢的相對位置取決于負載電流的性質(zhì)如圖1-11所示，假定I、E0同相位，=0；假定E0越前I，0；假定E0滯后I，0；稱Arg=為內(nèi)功率因數(shù)角。= 0 I、E0同相 cos=1 sin=0 不發(fā)出無功功率，只發(fā)有功功率= 90 cos=0 sin=1 不發(fā)出有功功率，只發(fā)無功功率= 180 I、E0僅相 cos=-1 sin=0 從電網(wǎng)吸收有功，電動機運行=-90 cos=0 sin=-1 向電網(wǎng)送容性無功 由于角可以是任意角，可以把電樞磁勢分解為直軸和交軸兩個分量分析,如圖1-11所示。同步發(fā)電機最

20、常見的運行工況為0，電樞僅應磁場落后于轉(zhuǎn)子磁場，即Ff超前Fa也如圖1-11所示。圖中可以將電流I分解為直軸分量Id和交軸分Iq。圖1-11電樞反應相量圖1.5.3 同步發(fā)電機的電抗（1）隱極同步發(fā)電機的同步電抗電樞反應磁場在定子每相繞組中所感應的電樞反應電勢Ea，可以把它看作相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降這個電抗便是電樞僅應電抗Xa。即Ea=-jIXa，進一步再把Xa與漏磁Xa合并為一個電抗Xs=Xa+X,這個Xs就稱為同步電抗?？紤]定子的銅耗，則可寫出同步阻抗Zs=ra+jXs的表示式。就物理意義而言，同步電抗包含兩部分一部分對應于定子繞組的漏磁通，另一部分對應于定子電流所產(chǎn)生的空氣隙旋轉(zhuǎn)磁

21、場。在實際應用上，我們通常不把它們分開，而把Xa+X當作一個同步電抗來處理。這是因為，（1）在計算同步電機的各種性能時，一般只需要應用同步電抗，無需把它的兩個組成部分分開；（2）在實際測量時，直接測定同步電抗要較分別測定Xa及X為方便。電樞反應電抗對應于通過空氣隙的互磁通，亦即對應于定子旋轉(zhuǎn)磁場，因此它的數(shù)值很大。顯然要大于和定子繞組漏磁通相應的定子漏抗。因為漏抗X數(shù)值甚小，所以同步電抗與電樞反應電抗在數(shù)值上相差不大。電樞反應磁場與轉(zhuǎn)子都以同步速同方向旋轉(zhuǎn)。定子磁場并不切割轉(zhuǎn)子繞組，同步電抗也就為定子方面的總電抗。雖然轉(zhuǎn)子繞組在電路方面不起副繞組的作用，但轉(zhuǎn)子鐵芯為旋轉(zhuǎn)磁場所經(jīng)磁路的一個組成部

22、分，所以在磁路方面卻起著重要作用。如把轉(zhuǎn)子抽去，則定了電流所遇到的電抗將不再是電樞反應電抗或同步電抗，而將接近于漏抗X。需要強調(diào)指出，只有當定子流過對稱電流時，亦即只有當空氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，同步電抗才有意義。當定子繞組中流過不對稱三相電流時，我們便不能無條件地應用同步電抗，這一點將在后文中闡明。 圖中：E0空載電勢；xs為定子漏抗；Xa為電樞反應等值電抗。 圖1-12 隱極同步發(fā)電機等值電路圖2(2) 凸極同步發(fā)電機的同步電抗Xd、Xq 對凸極同步發(fā)電機，因磁路并不是均勻的，所以電樞電流需要分解為直軸分量Id和交軸分量Iq來分別討論。交軸同步電抗Xq：電樞反應的存在是實現(xiàn)能量傳遞的關鍵

23、，假如=0，I與E0同相,根據(jù)左手定則，電磁力將構成反轉(zhuǎn)子方向的轉(zhuǎn)矩，此時的電流為有功電流I=Iq，Iq所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與原動轉(zhuǎn)矩相平衡。此時電樞反應在定子繞組中產(chǎn)生的電勢Eaq與I（或Iq）成正比，它們之間的比例常數(shù)為電樞反應交軸電抗Xaq,于是有Eaq=-jXaqIq?？紤]定子的漏磁，交軸同步電流Xq= X+Xaq。直軸同步電抗Xd:同理：當=90，則得到直軸同步電抗Xd,直軸同步電抗Xd= X+Xad。對凸極同步發(fā)電機而言，d軸的磁路和q軸的磁路是不相同的，而且磁勢所產(chǎn)生的磁密分布波也已不再是正弦波，我們這里討論的均為正弦基波參數(shù)的同步電抗，對隱極機而言兩個軸向的磁路基本相同，因而電樞反

24、應也就無需分解為直軸分量和交軸分量了，Xd=Xq,需用一個參數(shù)Xs= X +Xa來代表同步電抗就可以。同步電抗為同步電機的重要參數(shù)，常用標么值表示，以每相額定電壓為電壓的基值，以相額定電流為電流基值，以這兩基值的比值為阻抗的基值。隱極同步發(fā)電機的同步電抗標么值在0.93.5之間；凸極式同步電機的直軸同步電抗在0.61.6之間，交軸同步電抗在0.41.0之間。（3）直軸瞬態(tài)電抗、直軸超瞬態(tài)電抗及其表示式直軸瞬態(tài)電抗：前已分析，三相穩(wěn)態(tài)短路時，端電壓U等于零，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔?。如不計電樞電阻和漏磁通的影響，由定子電流所產(chǎn)生的電樞反應磁通與由轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁通，大小相等，方向相反。電樞反應磁通

25、所經(jīng)的路線如圖1-13（a）所示。圖中為直流激磁電流所激勵的轉(zhuǎn)子磁通，為電樞反應磁通，和分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的漏磁通。穩(wěn)態(tài)短路時，電樞反應磁通將穿過轉(zhuǎn)子鐵芯而閉合，所遇到的磁阻較小，定子電流所遇到的電抗便為數(shù)值較大的同步電抗Xd，這已是我們所熟知的了。圖1-13（b）為三相突然短路初瞬時的情形。為了簡單起見，設發(fā)生短路前發(fā)電機為空載，故轉(zhuǎn)子繞組只鍵鏈磁通和。短路發(fā)生瞬間，按照磁鏈不能突變的原則，轉(zhuǎn)子繞組所鍵鏈的磁通不能突變，我們可以根據(jù)上節(jié)的分析來理解，即短路瞬間，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了一個磁化方向與電樞磁場相反的感應電流，該電流產(chǎn)生的磁通恰巧抵消了要穿過轉(zhuǎn)子繞組的電樞反應磁通；于是保持了轉(zhuǎn)子繞組所

26、鍵鏈的磁通“守恒”。我們也可以換一種分析方法來理解，即在短路初瞬，由于磁鏈不變原則，短路電流所產(chǎn)生的電樞反應磁通不能通過轉(zhuǎn)子鐵芯去鍵鏈轉(zhuǎn)子繞組，而是象圖1-13（b）中所示的，被擠到轉(zhuǎn)子繞組外側的漏磁路中去了。定子短路電流所產(chǎn)生的磁通所經(jīng)路線的磁阻變大，這就意味著，此時限制電樞電流的電抗變小，使突然短路初瞬有較大的短路電流。這個限制電樞電流的電抗稱為直軸瞬態(tài)電抗或直軸暫態(tài)電抗，用表示，可見遠較為小。由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，上述感應電流將因電阻的阻尼作用而衰減消失，然后電樞磁通便將穿過轉(zhuǎn)子鐵芯，其路徑又將如圖1-13（a）所示。也就是說，由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，使突然短路時較大的沖擊電流逐漸減小，最后短

27、路電流為xd所限制。這時電機已從突然短路狀態(tài)過渡到穩(wěn)定短路狀態(tài)。短路電流的衰減按時間常數(shù)衰減。需要指出的是：圖1-13中電樞反應磁通是由三相交流電共同激勵產(chǎn)生，但為圖形表達清晰起見，圖中的定子繞組僅畫了一相，不能誤解為僅一相有短路電流，也不應誤解為某一相所產(chǎn)生；同樣為了表達清晰簡潔，圖中的磁通只畫出半邊，實際上兩邊是對稱的。直軸超瞬態(tài)電抗：當轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組時，則因阻尼繞組也為閉合回路，它的磁鏈也不能突然改變。同理，在短路初瞬，電樞磁通將被排擠在阻尼繞組以外。也就是說，電樞磁通將依次經(jīng)過空氣隙、阻尼繞組旁的漏磁路和激磁繞組旁的漏磁路，如圖1-14中所示。這時磁路的磁阻更大了，與之相應的電抗將

28、有更小的數(shù)值。稱為直軸超瞬態(tài)電抗或直軸次暫態(tài)電抗。 在短路初瞬，定子繞組中的短路電流將為所限制，由于阻尼繞組中的感應電流衰減得較快，故在最初幾個周波以后，電樞磁通即可穿過阻尼繞組而取得如圖1-13（b）的的路線。這時定子電流將為所限制。最后達到穩(wěn)態(tài)值時，定子電流便為所限制。 和的表示式：下面我們來推導和的表示式。當同步發(fā)電機裝有阻尼繞組時，電樞磁通在短路初瞬所經(jīng)的路線如圖1-14所示。設代表空氣隙的磁導，代表阻尼繞組旁的漏磁路的磁導，代表激磁繞組旁的漏磁路的磁導，則得該磁路的總磁導為，即有 再把電樞漏磁路線的磁導加上，則得全部電樞磁通所經(jīng)磁路的總磁導為 由于電抗和磁導成正比，故上式可以改寫作

29、式中 直軸電樞反應電抗； 激磁繞組的漏抗；阻尼繞組在直軸的漏抗。由此可得直軸超瞬態(tài)電抗的等效電路如圖1-15所示。如在轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組或者是當阻尼繞組中的感應電流衰減完畢，電樞反應磁通可以穿過阻尼繞組時，磁路如圖1-13（b），其總磁導為 同理，直軸瞬態(tài)電抗的表示式為 直軸瞬態(tài)電抗的等效電路如圖1-16所示。（4）交軸瞬態(tài)電抗、超瞬態(tài)電抗及其表示式 在穩(wěn)定短路情況下，電樞反應磁通全部穿過轉(zhuǎn)子鐵芯，如圖1-13（a）所示，這時的直軸同步電抗，是已證明過了的。 如果同步發(fā)電機不是出線端處發(fā)生短路，而是經(jīng)過負載阻抗短路，則由短路電流所產(chǎn)生的電樞磁場不僅有直軸分量，而且也有交軸分量。由于沿著交軸的磁

30、路與沿著直軸的磁路有不同的磁阻，相應的電抗也有不同的數(shù)值。前面早已闡明，對于凸極機而言，交軸同步電抗較直軸同步電抗為小。在突然短路初瞬，沿著交軸的電抗便為和。稱為交軸瞬態(tài)電抗或交軸暫態(tài)電抗，稱為交軸超瞬態(tài)電抗或交軸次暫態(tài)電抗。它們和相應的直軸參數(shù)有不同的數(shù)值。 因為同步發(fā)電機在交軸沒有激磁繞組，故一般說來，交軸瞬態(tài)電抗和交軸同步電抗相等，亦即 = 在有阻尼的情況下，由于阻尼繞組為一不對稱繞組，它在交軸所起的阻尼作用與在直軸所起的阻尼作用不同。與圖1-15相似，交軸超瞬態(tài)電抗的等效電路如圖1-17所示。由圖中的簡單關系，可得 一般說來，阻尼繞組在直軸所起的作用較在交軸所起的作用為大，故亦就較略大

31、。在不用阻尼繞組而由整塊鐵芯起阻尼作用的隱極式電機中，便和近似相等。（5）同步發(fā)電機的序分量電抗X1、X2、X0 分析同步發(fā)電機不對稱運行的基本方法是對稱分量法。應用對稱分量法，可以把發(fā)電機不對稱的三相電壓、電流及其所激勵的磁勢分解為正序分量、負序分量和零序分量，然后對各個分量分別建立的端點方程式和相序方程式，求解各序分量并研究各序分量分別所產(chǎn)生的效果，最后，將它們疊加起來，就得出實際不對稱運行的結果和影響。實踐證明，在不計飽和時，上述方法所求得的結果，特別是對于基波分量基本上是正確的。 在不對稱運行時，同步發(fā)電機的空氣隙磁場為一橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即除了正序旋轉(zhuǎn)磁場以外，尚有負序旋轉(zhuǎn)磁場。因為它

32、們的旋轉(zhuǎn)方向不同，所以轉(zhuǎn)子回路的反應也各不相同；對不同相序的電流，同步電機呈顯的電抗也就有不同的數(shù)值。 當同步電機對稱運行時，如前面各章所討論的情形，定子電流為一穩(wěn)定的對稱三相電流，實際上即一組正序分量，它們所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（即正序旋轉(zhuǎn)磁場）和轉(zhuǎn)子之間沒有相對運動，這個磁場并不能在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電勢，這個電流所遇到的電抗便是同步電抗。故同步電機的正序電抗即系同步電抗，即 不對稱運行時，負序電流所產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場以同步速向著和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的方向旋轉(zhuǎn)，即該磁場將以兩倍同步速載切轉(zhuǎn)子繞組，將在轉(zhuǎn)子繞組中感應一個兩倍于電源頻率的交變電流。對于負序旋轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)子繞組的作用為一短路繞組，致使負序

33、電流所遇到的便不再是同步電抗，而是另一個電抗x2，稱它為負序電抗，其數(shù)值遠較同步電抗為小。 負序旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子激磁繞組和組尼繞組中所感應的兩倍頻率的交變電流，將引起附加的銅損耗；負序旋轉(zhuǎn)磁場還將在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流，從而引起附加表面損耗。這些損耗都將使轉(zhuǎn)子溫升提高。此外，負序旋轉(zhuǎn)磁場還將在轉(zhuǎn)子軸和定子機座引起振動。 根據(jù)我國“發(fā)電機運行規(guī)程”規(guī)定：在額定負載連續(xù)運行時，汽輪發(fā)電機三相電流之差，不得超過額定值的10%，水輪發(fā)電機和同步補償機的三相電流之差，不得超過額定值的20%，同時任一相的電流不得大于額定值。在低于額定負載連續(xù)運行時，各相電流之差可以大于上面所規(guī)定的數(shù)值，但應根據(jù)試驗確定。 當零

34、序電流流過定子繞組時，由各相零序電流所產(chǎn)生的三個脈動磁勢，其幅值相等，時間上同相，而三者在空間各相隔120電角度，因此三相零序基波全成磁勢恰相至抵消，不形成氣隙互磁通，只存在一些漏磁場，數(shù)值一般很小。零電流所遇到的電抗為帶有漏抗性質(zhì)的零序電抗，用代表，較更小。 由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模很大，在正常運行時負載電流的嚴重不對稱是不常見的。具有實際意義的不對稱運行情況為故障狀態(tài)，如單相接地短路、二相短路和二相接地短路等。2 同步發(fā)電機的功率特性及靜態(tài)穩(wěn)定極限角2.1 凸極同步發(fā)電機輸電系統(tǒng)向量圖 圖1-18是當忽略發(fā)電機定子繞組的電阻及聯(lián)系電抗中的電阻成分，在不飽和情況下，凸極同步發(fā)電機輸電系統(tǒng)的相量

35、圖。由該相量圖可推導出同步發(fā)電機的功率特性方程。圖1-18中。Ed 縱軸同步電勢，也叫空載電勢，是僅由勵磁繞組的勵磁磁勢在定子中所感應的電勢。如果不計及飽和，它是和勵磁電流成正比的；uf 電機的端電壓；us 無限大系統(tǒng)母線電壓；I 定子電流，它分解為縱軸電流Id及橫軸電流Iq；Xd 縱軸同步電抗；Xq 橫軸同步電抗； 發(fā)電機的內(nèi)功率因數(shù)角；wf 發(fā)電機的功率因數(shù)角；ws 無限大系統(tǒng)端的功率因數(shù)角；df 功率角，df有雙重的物理意義，一個意義是電勢Ed和端電壓uf間的相角差，另一個意義是產(chǎn)生電勢Ed的轉(zhuǎn)子主磁通0和產(chǎn)生端電壓uf的合成磁通之間的相角差（為0與k的相量和，而k為定子電樞反應磁通加漏

36、磁通）；d 功率角，為Ed與uf間的相角差。2.2 同步發(fā)電機的功率特性由圖1-18可得： 因為忽略定子繞組的電阻，則電機的電磁功率就等于輸出的有功功率。 （1-1） 電機輸出的無功功率為： （1-2）水輪發(fā)電機的，公式（1-1）及公式（1-2）就是水輪發(fā)電機輸出的有功功率及無功功率的特性方程。對汽輪發(fā)電機而言，則公式（1-1）及公式（1-1）變?yōu)椋?（1-3） （1-4）公式（1-3）及公式（1-4）就是汽輪發(fā)電機輸出的有功功率及無功功率的特性方程。2.3 靜態(tài)穩(wěn)定極限角同理，從圖1-18中的、所組成的電壓三角形中，類同上述的推導步驟，則分別可得出水輪發(fā)電機及汽輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)中，發(fā)電機功率

37、輸送到無限大系統(tǒng)母線端的有功功率及無功功率的特性方程，見公式（1-5）公式（1-8）。其結果只不過是把公式（1-1）公式（1-4）中的電壓換成，功率角換成，而電抗換成，換成，就可變換成公式（1-5）公式（1-8）。公式（1-5）、（1-6）為水輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的、值；公式（1-7）、（1-8）為汽輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的、值。 （1-5） （1-6） （1-7） （1-8）無限大系統(tǒng)相當于一個等值大發(fā)電機，該等值發(fā)電機的內(nèi)阻抗為零，則其端電壓等于電勢并為常數(shù)；又其轉(zhuǎn)動慣量，則其頻率也為常數(shù)。這里討論單機經(jīng)一定的聯(lián)系電抗與無限大系統(tǒng)相接的情況，不僅能使研究的問題簡化，而且也符合實際情況，因為在現(xiàn)代大電

38、網(wǎng)中運行的發(fā)電機，在絕大多數(shù)場合，系統(tǒng)對它們而言都可以認為是無限大的。另外，在實際計算中，通常忽略聯(lián)系電抗中的電阻成分，只計及其電抗成分；因此，發(fā)電機機端輸出的有功功率值與輸送到無限大系統(tǒng)母線端的有功功率值是相等的，即公式（1-1）與公式（1-5）的值相等，公式（1-3）與公式（1-7）的值相等。但是，發(fā)電機機端輸出的無功功率卻與輸送到無限大系統(tǒng)母線端的無功功率不等，即公式（1-2）與公式（1-6）的值不等，公式（1-4）與公式（1-8）的值也不等。對于某特定的發(fā)電機（為常數(shù)）及一定的運行方式（為常數(shù)），在勵磁固定的情況下（為常數(shù)），傳輸功率與功率角的關系曲線稱為功角特性曲線。汽輪發(fā)電機輸電系

39、統(tǒng)的功角特性曲線可由公式（1-7）得到，見圖1-19；水輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的功角特性曲線可由公式（1-5）得到，見圖1-20。圖1-19及圖1-20中曲線的最大值稱為“系統(tǒng)的自然功率極限”，理論上它是傳輸功率的最大值。實際上，為運行可靠起見，必須有一定的儲備或裕度，運行點應比自然功率極限低些，這個裕度稱為“靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)”，通常不小于15%。圖1-19 汽輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的功角特性圖2-20 水輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的功角特性眾所周知，在圖1-19及圖1-20功角特性曲線的上升部分的所有點，其，都是靜態(tài)穩(wěn)定的。相反，在曲線下降部分的所有點，其，都是靜態(tài)不穩(wěn)定的。而曲線的頂點，即代表自然功率極限值之處

40、，其，則是由靜態(tài)穩(wěn)定過渡到靜態(tài)不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)折點，即發(fā)電機開始與系統(tǒng)失步的轉(zhuǎn)折點，或稱為臨界失步點。臨界失步點對應的角，稱為靜態(tài)穩(wěn)定極限角，或稱為臨界失步角，用符號表示。3 發(fā)電機與電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性及振蕩 電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性，是最受關注也得到認真考核的一種穩(wěn)定性。 按照我國的現(xiàn)行規(guī)程，把電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性分為三類，即靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。 為了便于定性說清楚電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性問題，先研究單機對無窮大系統(tǒng)這種最簡單的、也是最基本的一種運行方式，如圖1-21考慮聯(lián)絡線阻抗為純電感，則由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出的有功功率是： (1-9)式中 包括發(fā)電機阻抗在內(nèi)的發(fā)電機電動

41、勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗。式（1-9）可以用圖表示為關系，如圖1-22。假定發(fā)電機送出的有功功率為，用圖1-22來說明上述的三種穩(wěn)定概念。（1）靜態(tài)穩(wěn)定 理論上發(fā)電機可運行在S1點或S2點。發(fā)電機運行在S1點，是靜態(tài)穩(wěn)定，因為當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生微量擾動引起發(fā)電機的輸出功率變化時，角可以作相適量的微量變化；而S2 點則是不穩(wěn)定運行點，當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生微量擾動時，發(fā)電機的角或者在擾動后跑回到S1點或者不斷向180增大而與系統(tǒng)失去穩(wěn)定。顯然，靜態(tài)穩(wěn)定運行的極限送電角是=90。實際，必須小于90才有可能運行。（2）暫態(tài)穩(wěn)定 假定在高壓母線出口空載分支短線上發(fā)生金屬性三相短路故障（圖1-21）。發(fā)生故障前，

42、發(fā)電機向系統(tǒng)送出的有功功率為P0。以無窮大系統(tǒng)母線電壓為基準（所謂無窮大系統(tǒng)，是指具有無限大慣性，內(nèi)阻抗為零的一個假想系統(tǒng)。它的內(nèi)電動勢的絕對值及相位角都相對于額定轉(zhuǎn)速固定不變，母線電壓和無窮大系統(tǒng)的內(nèi)電動勢完全一樣）。在發(fā)生三相短路期間，高壓側母線電壓為零，發(fā)電機完全不能送出有功功率，而輸入到發(fā)電機組的機械功率來不及變化，于是功率過剩，使發(fā)電機組轉(zhuǎn)子加速，發(fā)電機的內(nèi)電動勢角也相對于無窮大系統(tǒng)電壓而不斷增大。到故障切除時，轉(zhuǎn)子角已增至t（圖1-22），送電恢復，但此時的送電功率大于機械輸入功率P0，于是轉(zhuǎn)子開始減速。到b時，面積B適等于面積A。面積A代表了發(fā)電機轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)獲得的加速能量，而面積B

43、則表示了制動能量，因而到t時，發(fā)電機組轉(zhuǎn)速恢復到額定轉(zhuǎn)速0,但對應于t時的P值仍然大于P0,發(fā)電機組轉(zhuǎn)子將繼續(xù)制動減速,角回擺。若故障切除時間增大，t與b也將隨之增大，至b到達與0對稱的一點（180-0）時，是暫態(tài)穩(wěn)定的極限情況，對應于此時的t角為臨界切除角，相應的故障切除時間則稱為臨界切除時間。如果切除時間更遲，在跨過（180-0）那一點后，發(fā)電機組在沒有得到恢復平衡所需要的足夠面積時，又滑入加速過程，于是角將繼續(xù)增大超過180，迅速對無窮大系統(tǒng)失去同步。用加速面積A等于制動面積B作判據(jù)來判定發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定性，叫等面積定則。在圖1-22上，還畫出了在上述短路情況下可以保持暫態(tài)穩(wěn)定的發(fā)電機組

44、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化情況。故障前，發(fā)電機具有額定轉(zhuǎn)速0，=0，短路后，到t時，為正的最大值，到b時，=0，隨的回擺，發(fā)電機因制動而減速，變?yōu)樨?，到對應?處時為負的最大，然后逐漸恢復。 （3）動態(tài)穩(wěn)定 動態(tài)穩(wěn)定涉及發(fā)電機的阻尼力矩問題。所謂阻尼力矩是指當發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，發(fā)電機本身所具有的反應于這種轉(zhuǎn)速變化的力矩。所謂正的阻尼力矩，是指這種力矩的方向正好制止（阻尼）轉(zhuǎn)速變化，即當轉(zhuǎn)速增高到大于額定轉(zhuǎn)速時，這個力矩起制動作用；而當轉(zhuǎn)速降低到低于額定轉(zhuǎn)速時，則起加速作用。反之，就叫作有負的阻尼力矩。而負的阻尼力矩的作用，則是進一步推動轉(zhuǎn)速的變化，使之不斷加大。影響發(fā)電機阻尼力矩的有多種因素，單就發(fā)電機本

45、身結構來看，水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組或者是汽輪發(fā)電機整體轉(zhuǎn)子本身，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電樞反應產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不相同，即0時，產(chǎn)生的是正的阻尼力矩。十分顯然，如果=0，阻尼力矩也當然為零，也就無所謂正負了。由此可見，動態(tài)穩(wěn)定問題發(fā)生在當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有所變化的情況下。仍以圖1-21的情況為例。先說微擾動情況。假定由于系統(tǒng)的微小的狀態(tài)變化，見圖1-23，例如無窮大母線側電壓微有增大，發(fā)電機的功角曲線將由曲線跳到曲線，并且應當穩(wěn)定到新的角度。在電壓變化的開始，發(fā)電機輸出的電功率大于機械輸入功率P0，轉(zhuǎn)子制動，轉(zhuǎn)速開始降低，為負值，角也開始回擺。以沒有阻尼的情況為標準。如果發(fā)電機有正的阻尼力矩，在整

46、個轉(zhuǎn)速下降過程中，這個阻尼力矩是加速力矩，因而由始點開始的功角曲線斜度將相對增大，在大于時就將達到P0值，然后向最后平衡點靠攏，經(jīng)過一二個搖擺周期后，就可以達到新的穩(wěn)定平衡，見圖1-23中的曲線 b ；如果發(fā)電機有負的阻尼力矩，由始點開始的功角曲線將變得較為平坦，因為在轉(zhuǎn)速下降過程中，這個阻尼力矩將是制動力矩，使得在小于時才能達到P0值，然后進一步離開最終平衡點，經(jīng)過這樣的角度搖擺，角愈擺愈大，直到超過（180-）而失去穩(wěn)定，見圖1-23中的曲線c 。為了說清楚問題，圖1-23中畫出了第一個搖擺周期時，不同阻尼情況下的功角曲線P= ()和= ()曲線。在大擾動情況下出現(xiàn)的動態(tài)穩(wěn)定問題，其機理與

47、些同。 （4）發(fā)電機與系統(tǒng)之間振蕩及滑極保護為提高安全穩(wěn)定運行水平，在一次、二次系統(tǒng)需采取多處措施，長期的運行實踐證明：“不管對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求如何嚴格，措施如何完善，總可能因一些事先不可預計的各種偶然因素疊加，產(chǎn)生穩(wěn)定破壞事故，而過分提高對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，需要大量的投資”。在現(xiàn)代的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)持續(xù)振蕩最令人關心的事情，是對大型發(fā)電機組有何嚴重影響。要求振蕩時機組不解列、作為短時失步運行，特別是對大型汽輪發(fā)電機組說來，能否造成嚴重的后果？GIGRE大會以第八委員會的名義向大會提交了一篇報告，題目是對同步發(fā)電機某些異常運行情況的導則草案，其中涉及失步運行問題如下；失步運行這種保持勵磁的同步

48、機運行模式既不利于機組也不利于系統(tǒng)。由此可能引起水輪和汽輪發(fā)電機本身和汽輪發(fā)電機組軸的高機械應力和電磁應力。因而目前廣泛采用：可以允許汽輪發(fā)電機在一定條件下作短時期的失步運行。這個條件可以簡要地按在失步過程中，振蕩中心是否多次落入發(fā)電機升壓變壓器及至發(fā)電機本身為標準。發(fā)電機與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時的機端測量阻抗在各院校的教課書中均有介紹，當認為Ed=Us時，振蕩中心位于處；當Xs=0時，振蕩中心即位于處；當=180測量阻抗的最小值為。4 同步發(fā)電機失磁的物理特性4.1 發(fā)電機的失磁運行及其產(chǎn)生的影響大型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障的種類很多，例如滅磁開關誤跳閘而轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)滅磁電阻短接、轉(zhuǎn)子線圈短路、轉(zhuǎn)子線

49、圈回路斷線而開路、硅整流的故障以及自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的故障等，都將導致發(fā)電機全部或部分失磁。這對電機本身及電力系統(tǒng)有時會造成重大危害，尤其是在失磁而失步以后。因此，現(xiàn)代大型發(fā)電機已經(jīng)或正在普遍裝設失磁保護與失磁失步保護。當發(fā)電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零。由于發(fā)電機的感應電勢Ed隨著勵磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉(zhuǎn)矩也將小于原動機的轉(zhuǎn)矩，因而引起轉(zhuǎn)子加速，使 發(fā)電機的功角增大。當超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時，發(fā)電機與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機失磁后將從并列運行的電力系統(tǒng)中吸取電感性無功功率供給轉(zhuǎn)子勵磁電流，在定子繞組中感應電勢。在發(fā)電機超過同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子回路中將感應出頻率為（此處為對應發(fā)電機

50、轉(zhuǎn)速的頻率，為系統(tǒng)的頻率）的電流，此電流產(chǎn)生異步制動轉(zhuǎn)矩，當異步轉(zhuǎn)矩與原動機轉(zhuǎn)矩達到新的平衡時，即進入穩(wěn)定的異步運行。根據(jù)電機學的分析，異步發(fā)電機的等效電路與異步電動機的相似，可以用圖1-24來表示，圖中：X1為定子繞組漏抗；X2為轉(zhuǎn)子繞組漏抗；R2為轉(zhuǎn)子繞組電阻；s為轉(zhuǎn)差率為反映發(fā)電機功率大小的等效電阻；Xad為定子與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感電抗。當發(fā)電機失磁后而異步運行時，將對電力系統(tǒng)和發(fā)電機產(chǎn)生以下影響：（1）需要從電網(wǎng)中吸收很大的無功功率以建立發(fā)電機的磁場。所需無功功率的大小，主要取決于發(fā)電機的參數(shù)（X1、X2、Xad）以及實際運行時的轉(zhuǎn)差率。例如，汽輪發(fā)電機與水輪發(fā)電機相比，前者的同步電抗

51、Xd（=X1+Xad）較大，則所需無功功率較小。又當S增大時，減小，I1和I2隨之增大，則相應所需的無功功率也要增加。假設失磁前發(fā)電機向系統(tǒng)送出無功功率Q1，而在失磁后從系統(tǒng)吸收無功功率Q2，則系統(tǒng)中將出現(xiàn)Q1+Q2的無功功率差額。（2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無功功率將引起電力系統(tǒng)的電壓下降，如果電力系統(tǒng)的容量較小或無功功率的儲備不足，則可能使失磁發(fā)電機的機端電壓、升壓變壓器高壓側的母線電壓 、或其它鄰近點的電壓低于允許值，從而破壞了負荷與各電源間的穩(wěn)定運行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。（3）由于失磁發(fā)電機吸收了大量的無功功率，因此為了防止其定子繞組的過電流，發(fā)電機所能發(fā)出的有功功率將較同步

52、運行時有不同程度的降低，吸收的無功功率越大，則降低的越多。（4）失磁后發(fā)電機的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，因此，在轉(zhuǎn)子及勵磁回路中將產(chǎn)生頻率為的交流電流，因而形成附加的損耗，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵磁回路過熱。顯然，當轉(zhuǎn)差率越大時，所引起的過熱也越嚴重。根據(jù)以上分析，結合汽輪發(fā)電機來看，由于其異步功率比較大，調(diào)速器也比較靈敏，因此當超速運行后，調(diào)速器立即關小汽門，使汽輪機的輸出功率與發(fā)電機的異步功率很快達到平衡，在轉(zhuǎn)差率小于0.5%的情況下即可穩(wěn)定運行。故汽輪發(fā)電機在很小的轉(zhuǎn)差下異步運行一段時間，原則上是安全允許的。此時，是否需要并允許其異步運行，則主要取決于電力系統(tǒng)的具體情況。例如，當電力系統(tǒng)的有功功率供應比較緊張，同時一臺發(fā)電機失磁后，系統(tǒng)能夠供給它所需要的無功功率，并能保證電網(wǎng)的電壓水平時，則失磁后就應該繼續(xù)運行；反之，如