RCS-985系列发电机变压器成套保护装置培训教材(ZL_PXJC01060601)

1、ZL_PXJC0106.0601ZL_PXJC0106.0601发电机变压器成套保护装置 培训教材 说明：此页为封面，印刷时必须与公司标准图标合成，确保资料名称、资料编号及其相对位置与本封面一致。南瑞继保电气有限公司版权所有本说明书和产品今后可能会有小的改动，请注意核对实际产品与说明书的版本是否相符。更多产品信息，请访问互联网：http:/www.nari-1目目 录录1 1基础知识基础知识 .1 11.11.1 同步发电机保护的基本知识同步发电机保护的基本知识.1 11.1.1 同步发电机基本工作原理 .11.1.2 同步发电机的分类 .11.1.3 铭牌 .21.1.4 同步发电机的运行特

2、性 .21.1.5 同步发电机的参数 .71.21.2 同步发电机的功率特性及静态稳定极限角同步发电机的功率特性及静态稳定极限角.15151.2.1 凸极同步发电机输电系统向量图 .151.2.2 同步发电机的功率特性.161.2.3 静态稳定极限角 .171.31.3 发电机与电力系统的同步运行稳定性及振荡发电机与电力系统的同步运行稳定性及振荡.19191.3.1 静态稳定 .191.3.2 暂态稳定 .201.3.3 动态稳定 .241.41.4 同步发电机的部分或全部失磁同步发电机的部分或全部失磁.25251.4.1 发电机的失磁运行及其产生的影响 .251.4.2 发电机各种运行方式下

3、的机端测量阻抗 .261.4.3 发电机失磁后的机端测量阻抗 .271.51.5 同步发电机内部故障及异常运行同步发电机内部故障及异常运行.31311.5.1 大机组特点及对继电保护的要求 .311.5.2 内部故障及异步运行 .341.5.3 发电机定子纵差保护 .351.5.4 发电机单元件式横差保护 .381.5.5 裂相横差保护 .391.5.6 发电机的定子接地故障 .401.5.7 发电机零序电压定子匝间故障保护 .451.5.8 工频变化量方向匝间保护 .461.5.9 负序电流对发电机运行的影响 .461.5.10 发电机失磁保护 .471.5.11 励磁回路接地保护 .491

4、.5.12 发电机异常运行保护 .5011 1基础知识基础知识1.11.1 同步发电机保护的基本知识同步发电机保护的基本知识电厂中的发电机都为同步电机，它把原动机的机械能转变为电能，通过输电线路等设备送往用户。.1 同步发电机基本工作原理同步发电机基本工作原理我们知道， 导线切割磁力线能产生感应电势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。图 1-1 为同步发电机示意图。导线放在空心圆筒形铁芯的槽里。铁芯是固定不动的，称为定子。磁力线由磁极产生。磁极是转动的，称为转子。定子和转子是构成发电机的最基本部分。为了得到三相交流电，沿定子铁

5、芯内圆，每相隔 120 分别安放着三相绕组 A-X、B-Y、C-Z。转子上有励磁绕组（也称转子绕组）R-L。通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生稳恒的磁场。当转子被原动机带动旋转后，定子绕组（也称电枢绕组）不断地切割磁力线，就在其中感应出电势来。感应电势的方向由右手定则确定。由于导线有时切割 N 极，有时切割 S 极，因而感应的是交流电势。交流电势的频率 f，决定于电机的极对数 p 和转子转数 n，即：f = ZH60pn式中 n 的单位为转每分（r/min）转子不停地旋转，A、B、C 三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以在三相绕组中电势的相位是不同的，依次

6、差 120，相序为A、B、C。当发电机带上负荷以后，三相定子绕组中的定子电流（电枢电流） ，将合成产生一个旋转磁场。该磁场与转子以同速度、同方向旋转，这就叫“同步” 。同步电机也由此而得名。它的特点是转速与频率间有着严格的关系，即：n = p60f.2 同步发电机的分类同步发电机的分类同步发电机的种类按原动机不同来分，可分为：（1）汽轮发电机一般是卧式的，转子是隐极式的。（2）水轮发电机一般是立式的，转子是凸极式的。按冷却介质和冷却方式分：2空气冷却（空冷） 外冷（指冷却介质和导体隔着绝缘层的冷却）外冷同步发电机 氢气冷却（氢冷）内冷（冷却介质直接冷却导体）水冷却（水冷）双水内

7、冷上述的冷却介质和方式还可以有不同的组合，如水-氢-氢（定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷） ；水-水-空（定子、转子水内冷，铁芯空冷） ；水-水-氢（定子、转子绕组水内冷、铁芯氢冷）等。.3 铭牌铭牌电机上的铭牌是制造厂向使用单位介绍该台电机的特点和额定数据用的。其所标的量，如容量、电流、电压等都是额定值。所谓额定值，就是能保证电机正常连续运行的最大限值，即在此额定数据的情况下运行，发电机寿命可以达到预期的年限。铭牌上标的主要项目有：（1） 额定电流：额定电流是该台电机正常连续进行的最大工作电流。（2） 额定电压：额定电压是该台电机长期安全工作的最高电压。发电机的额定电

8、压指的是线电压。（3） 额定容量：额定容量是指该台电机长期安全运行的最大输出功率。有的制造厂用有功功率的千瓦数，也有的是用视在功率的千伏安数表示。（4） 额定功率因数 cos：同步发电机的额定功率因数是额定有功功率和额定视在功率的比值。铭牌上一般标有功功率和 cos 值，或标视在功率和 cos值。上述额定电流、电压、容量、功率因数是相对应的，知道其中几个量，就可以求算出其余的量。.4 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。从运行的角度看，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，

9、运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。空载特性、短路特性和负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量、计算发电机的各项基本参数。1 1）空载特性）空载特性发电机空载特性是指发电机以额定转速空载运行时其电势 E0与励磁电流 I1之间的关系曲线。当发电机处于空载运行状态，其端电压 U 就等于电势 E0，因此该曲线也就是空载时端电压与励磁电流的关系曲线。电势决定于气隙磁通，空载时的气隙磁通决定于转子磁势，转子磁势又决定于励磁电流，所以这曲线表达了电机中“电”与“磁”的联系。如图 1-2 所示空载特性曲线，E0=f（I1） 。做空载特性试验时，应维持发电机转速

10、不变，逐渐增加励磁电流，直至端电压等于额定电压的 130%时为止。在增加励磁电流的过程中，读取励磁电流值及与其对应的端电压值，便可以得到空载特性的上升分支。3接着减小励磁电流，按上面方法读取数值，便得到下降分支，如图 1-2（a）所示。由于铁芯有磁滞现象，使上升分支与下降分支不重合。实际应用的空载特性曲线是上升与下降两曲线的平均，如图中虚线所示。一般将平均的曲线右移，使曲线通过坐标 0点，如图 1-2（b）所示。 空载特性曲线实际上是一条具有电机这样一个特定磁路的磁化曲线，因此它有磁化曲线的特征。它的开始部分接近于直线，E0与 I1成直线关系，说明铁芯未饱和。曲线的后一段弯曲，E0与 I1不成

11、直线关系，说明铁芯已经逐渐饱和，而且随着 I1的增大，饱和越来越严重。在试验时，要注意当向某一方向（如 I1增大）调节励磁电流时，只许向同一方向逐渐调节，不要往返来回调，这是由于铁芯的磁化与其经历的磁化过程有关。空载特性曲线是发电机的一条最基本的特性曲线。可以用它来求发电机的电压变化率、未饱和的同步电抗值等参数。在实际工作中，它还可以用来判断励磁绕组及定子铁芯有无故障等。2 2）短路特性）短路特性 所谓短路特性，是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短路时，定子稳态短路电流 I 与励磁电流 I1的关系曲线，即 I=f (I1)。如图 1-3。在做短路特性试验时，要先将发电机三相绕组的出线端短路。

12、然后，维持转速不变，增加励磁，读取励磁电流及相应的定子电流值，直到定子电流 I 达额定电流值时为止。在试验过程中，调整励磁电流时也不要往返来回调。短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数未饱和的同步电抗与短路比外，在电厂中，也常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。III10图 1-3 短路特性43 3）负载特性）负载特性负载特性是当转速、静子电流为额定值，功率因数 cos=常数时，发电机电压与励磁电流之间的关系，即 U=曲 f(I1)。如图 1-4 所示为不同功率因数时的负载特性曲线。当 cos值不

13、同，我们即可得到不同负荷种类的负载特性曲线。用负载特性与空载、短路特性，可以测定发电机的基本参数，是电机设计、制造的主要技术数据。4 4）外特性）外特性发电机带上负荷以后，端电压就会有所变化，外特性就是反映这种变化规律的曲线。所谓外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更负荷（定子电流 I）时端电压 U 的变化曲线，即 U=f(I)。如图 1-5 所示为几个不同功率因数下的外特性曲线。从图中可以看出，在滞后的功率因数（cos）情况下，当定子电流增加时，电压降落较大，这是由于此时电枢反应是去磁的。在超前的功率因数 cos（-）的情况下，定子电流增加时，电压反应升高，这是由于电枢反

14、应是助磁的。在 cos=1 时，电压降落较小。外特性可以用来分析发电机运行中的电压波动情况，藉以提出对自动调节励磁装置调节范围的要求。一般用电压变化率来描述电压波动的程度。从发电机的空载到额定负载，端电压变化对额定电压的百分数，称电压变化率U，即： U = 100%UeUeE0式中：-发电机空载电势或电压；0E -额定电压。Ue汽轮发电机的U=3048%。5 5）调整特性）调整特性电压会随负荷的变化而变动，要维持端电压不变，必须在负荷变动时调整励磁电流。所谓调整特性，就是指电压、转速、功率因数为常数的条件下，变更负荷（定子电流I）时励磁电流 I1的变化曲线，即 I1的变化曲线，即 I1=f(I

15、)，如图 1-6 所示。5从图 1-6 所示不同功率因数下的调整特性可以看出，在滞后的功率因数情况下，负荷增加，励磁电流也必须增加。这是因为此时去磁作用加强，要维持气隙磁通，必须增加转子磁势。在超前的功率因数下，负荷增加，励磁电流一般还要降低。这是因为电枢反应有助磁作用的缘故。调整特性可以使运行人员了解：在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能维持额定电压。利用这些曲线，可使电力系统无功功率分配更合理一些。6 6）同步发电机有功功率的输出）同步发电机有功功率的输出当发电机空载时，定子绕组中的电流 I=0，即电枢不会产生磁势。此时发电机中，只有由转子主磁极的励磁磁势

16、所建立的主磁场，如图 1-7（a）所示。这时发电机的端电压等于由主磁场产生的空载电势，原动机输给发电机的功率 P1只要克服空载损耗0E就行了。图 1-7 同步发电机转子磁场与气隙磁场之间的夹角 d （a a）发电机空载时，）发电机空载时，d=0=0；（；（b b）发电机带负荷时，）发电机带负荷时，d 角的大小与负荷大小和性质有关角的大小与负荷大小和性质有关6当发电机定子绕组端接上负荷时（假定负荷是纯电阻性的） ，定子绕组中就出现了电流 I，发电机向负荷输出有功功率，于是发电机转子受到一个制动转矩的作用，这个制动转矩和空载转矩加起来，比原动机的拖动转矩要大，使得转子转动的速度变慢。为了保持同步发

17、电机以同步转速运转，就必须增加原动机的拖动转矩（增加汽轮机的进汽量） ，于是转子又要加速，直到原动机所供给的机械功率与发电机输出的电功率（还要加上发电机内部的损耗）重新达到平衡，发电机才重新以稳定的同步转速运转。由于定子绕组中出现了电流，则在发电机定、转子和气隙中，由绕组电流产生的磁势 F 建立了第二个磁场电枢反应磁场。我们称电枢反应磁场对主磁场的影响叫电枢反应。如果负荷是纯电阻性的，气隙磁路是均匀的，那么电枢反应的结果是使发电机的气隙磁场发生向移，即气隙合成磁场对于主磁场来说，逆着转子旋转的方向偏转了一个 d 角度，如图 1-7（b）所示。如果继续使负荷增大，即发电机输出的有功功率增加，那么

18、原动机的输入功率也必须增加。但是负荷的增加就表示着定子绕组电流的增加，即电枢磁势要增加。因此，电枢反应作用增强，使得发电机气隙磁场轴线与主磁极磁场轴线之间的夹角 d 继续增大。如果发电机的负荷是纯电抗（纯电感或纯电容） ，那么发电机中就只有去磁或助磁电枢反应，其结果只是使发电机的磁场削弱或增强，而不会使磁场歪扭。由于感性负荷的去磁性电枢反应，使得发电机向纯电感负荷送电时，发电机气隙磁场由于去磁作用而将被消弱，端电压就要降低；当负荷为容性时，电枢反应是助磁性质的，将使端电压升高。一般情况下，负荷常常是电感性的，所以它既有使主磁场相当于电阻负荷的向移，又有相当于电感性负荷的去磁作用。这样，发电机就

19、向负荷既送出了有功功率，又送出了无功功率。由此可见，在同步发电机中，气隙磁场轴线与主磁极磁场轴线之间的夹角 d 的大小，与同步发电机输出的有功功率大小有关。当同步发电机输出的有功功率增大时，原动机输入的机械功率增大，d 角也随着增大。所以我们把 d 角叫作功率角。一般汽轮发电机在额定负荷下运行时，d 角约为 2530。同步发电机的这种运行状况，就好象是发电机转子磁场和气隙磁场之间有一些橡皮筋连在一起，如图 1-8 所示。由转子磁场拖动气隙磁场在空间以同步速度旋转。发电机输出的有功功率越大，橡皮筋就被拉得越长，转子磁场领前于气隙磁场的角度 d 就越大。7图 1-8 发电机转子磁场拖动气隙磁场在空

20、间以同步速度施转.5 同步发电机的参数同步发电机的参数1 1）两种旋转磁场的概念）两种旋转磁场的概念转子上装有直流激磁磁极，它与转子无相对运动，转子转动时，形成旋转磁场，称机械旋转磁场。定子流过三相对称电流，将在气隙中产生旋转磁势，速度为同步转速，转向从带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅恰好转到该相轴线处，该旋转磁场称电枢磁场。顺着旋转方向，转子磁场超前于电枢磁场的为发电机运行，这时转子由外施机械转矩拖动，对转子而言，电枢磁场与转子磁场相互作用的力是个电磁阻力；反之电枢磁场超前于转子磁场为电动机运行方式，这时电枢磁场作用到转子上的转矩是

21、驱动转矩。两个旋转磁场空间有相位差。2 2）同步发电机的电枢反应及等值电势电路图）同步发电机的电枢反应及等值电势电路图（1）隐极同步发电机电枢反应及等值电势电路图在稳定运行时，定子与转子两种旋转磁场对转子绕组没有相对运动，因而不会在转子上产生感应电势。 这两个磁场只在定子绕组产生感应电势，在不考虑磁路饱和的情况下，转子磁场感应空载电势 E0，电枢磁场感应的电势为电枢反应电势 Ea, 则有：E E0 0+E+Ea a=U=Uf f+I(r+I(ra a+jx+jxs) )式中：Uf为机端电压xs为定子绕组漏抗ra为定子电阻可用图 1-9 描述图 1-9 隐极同步电势的等值电路图 1（2）凸极机空

22、载磁势波形图对凸极转子而言，空载时转子磁势波为方波，取其基波分析，如图 1-10。假如当8气隙均匀时，它产生的磁通密度分布也按正弦分布，当磁场旋转时，定子绕组中所匝链的磁通也就随时间按正弦规律变化，从而绕组感应电势也随时间按正弦规律变化，可以分别用空间矢量和时间相量表示，又因为二者有相同的角速度，所以可以画在同一坐标平面上，如果把相绕组轴线作为空间矢量参考轴，则会给分析同步电机的电磁关系带来方便。图 1-10 凸极机空载磁势基波图假如绕组正处于极面中心，感应 E0为 max 值，交链磁通中 0为零，所以 E0应与时间轴 t 同相，0越前 E0为 90。时间相量有 E0，空间失量有磁势 Ff1、

23、磁密 Bf1、磁通 0，它们始终与转子的轴线方向一致，称直轴或 d 轴，两极之间的中线称为交轴或 q 轴。时间相量与空间失量之9间的相角是无物理意义的。10（3）有负载时电枢反应磁势图 空载时 U = E0 有负载时，便产生电枢磁势，对空间磁场的影响称电枢反应。电枢磁势与转子磁势的相对位置取决于负载电流的性质如图 1-11 所示，假定 I、E0同相位，=0；假定E0越前 I，0；假定 E0滞后 I，0；称 Arg= 为内功率因数角。IE= 0 I、E0同相 cos=1 sin=0 不发出无功功率，只发有功功率= 90 cos=0 sin=1 不发出有功功率，只发无功功率= 180 I、E0反相

24、 cos=-1 sin=0 从电网吸收有功，电动机运行=-90 cos=0 sin=-1 向电网送容性无功由于 角可以是任意角，可以把电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量分析,如图 1-11所示。同步发电机最常见的运行工况为 0，电枢反应磁场落后于转子磁场，即2Ff超前 Fa也如图 1-11 所示。图中可以将电流 I 分解为直轴分量 Id和交轴分 Iq。 图 1-11 电枢反应相量图3 3）同步发电机的电抗）同步发电机的电抗（1）隐极同步发电机的同步电抗电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势 Ea，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢反应电抗 Xa。即 Ea=-jI

25、Xa，进一步再把Xa 与漏磁 Xa 合并为一个电抗 Xs=Xa+X ,这个 Xs 就称为同步电抗。考虑定子的铜耗，则可写出同步阻抗 Zs=ra+jXs 的表示式。就物理意义而言，同步电抗包含两部分一部分对应于定子绕组的漏磁通的作用，另一部分对应于定子电流所产生的空气隙旋转磁场的作用。在实际应用上，我们通常不把它们分开，而把 Xa+X 当作一个同步电抗来处理。这是因为， （1）在计算同步电机的各种性能时，一般只需要应用同步电抗，无需把它的两个组成部分分开；（2）在实际测量时，直接测定同步电抗要较分别测定 Xa 及 X 为方便。电枢反应电抗对应于通过空气隙的互磁通，亦即对应于定子旋转磁场，因此它的

26、数11值很大。显然要大于和定子绕组漏磁通相应的定子漏抗。因为漏抗 X 数值甚小，所以同步电抗与电枢反应电抗在数值上相差不大。电枢反应磁场与转子都以同步速同方向旋转。定子磁场并不切割转子绕组，同步电抗也就为定子方面的总电抗。虽然转子绕组在电路方面不起副绕组的作用，但转子铁芯为旋转磁场所经磁路的一个组成部分，所以在磁路方面却起着重要作用。如把转子抽去，则定了电流所遇到的电抗将不再是电枢反应电抗或同步电抗，而将接近于漏抗 X。需要强调指出，只有当定子流过对称电流时，亦即只有当空气隙磁场为圆形旋转磁场时，同步电抗才有意义。当定子绕组中流过不对称三相电流时，我们便不能无条件地应用同步电抗，这一点将在后文

27、中阐明。 图中：图中：E E0 0空载电势；空载电势；x xs为定子漏抗；为定子漏抗；X Xa a为电枢反应等值电抗。为电枢反应等值电抗。图 1-12 隐极同步发电机等值电路图 2(2) 凸极同步发电机的同步电抗 Xd、Xq对凸极同步发电机，因磁路并不是均匀的，所以电枢电流需要分解为直轴分量 Id和交轴分量 Iq 来分别讨论。交轴同步电抗 Xq：电枢反应的存在是实现能量传递的关键，假如 =0，I 与 E0同相,根据左手定则，电磁力将构成反转子方向的转矩，此时的电流为有功电流 I=Iq，Iq所产生的电磁转矩与原动转矩相平衡。此时电枢反应在定子绕组中产生的电势 Eaq与I（或 Iq）成正比，它们之

28、间的比例常数为电枢反应交轴电抗 Xaq,于是有 Eaq=-jXaqIq。考虑定子的漏磁，交轴同步电抗 Xq= X +Xaq。直轴同步电抗 Xd:同理：当 =90，则得到直轴同步电抗 Xd,直轴同步电抗 Xd= X +Xad。对凸极同步发电机而言，d 轴的磁路和 q 轴的磁路是不相同的，而且磁势所产生的磁密分布波也已不再是正弦波，我们这里讨论的均为正弦基波参数的同步电抗，对隐极机而言两个轴向的磁路基本相同，因而电枢反应也就无需分解为直轴分量和交轴分量了，Xd=Xq,需用一个参数 Xs= X +Xa 来代表同步电抗就可以。同步电抗为同步电机的重要参数，常用标么值表示，以每相额定电压为电压的基值，以

29、相额定电流为电流基值，以这两基值的比值为阻抗的基值。隐极同步发电机的同步电抗标么值在 0.93.5 之间；凸极式同步电机的直轴同步电抗在 0.61.6 之间，交轴同步电抗在 0.41.0 之间。12（3）直轴瞬态电抗、直轴超瞬态电抗及其表示式dxdx 直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗：前已分析，三相稳态短路时，端电压 U 等于零，电枢反应为纯dx去磁作用。如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ad0如图 1-13（a）所示。图中为直流激磁电流所激励的转子磁通，为电枢反应磁0ad通，和分别为定子绕组和转子绕组的漏磁

30、通。稳态短路时，电枢反应磁通将穿f过转子铁芯而闭合，所遇到的磁阻较小，定子电流所遇到的电抗便为数值较大的同步电抗 Xd，这已是我们所熟知的了。图 1-13（b）为三相突然短路初瞬时的情形。为了简单起见，设发生短路前发电机为空载，故转子绕组只键链磁通和。短路发生瞬间，按照磁链不能突变的原则，0f转子绕组所键链的磁通不能突变，我们可以根据上节的分析来理解，即短路瞬间，转子中产生了一个磁化方向与电枢磁场相反的感应电流，该电流产生的磁通恰巧抵消了要穿过转子绕组的电枢反应磁通；于是保持了转子绕组所键链的磁通“守恒” 。我们也可以换一种分析方法来理解，即在短路初瞬，由于磁链不变原则，短路电流所产生的电枢反

31、应磁通不能通过转子铁芯去键链转子绕组，而是象图 1-13（b）中所示的，被挤到转子绕组外侧的漏磁路中去了。定子短路电流所产生的磁通所经路adad线的磁阻变大，这就意味着，此时限制电枢电流的电抗变小，使突然短路初瞬有较大的短路电流。这个限制电枢电流的电抗称为直轴瞬态电抗或直轴暂态电抗直轴瞬态电抗或直轴暂态电抗，用表示，dx可见远较为小。dxdx由于转子绕组有电阻，上述感应电流将因电阻的阻尼作用而衰减消失，然后电枢磁通便将穿过转子铁芯，其路径又将如图 1-13（a）所示。也就是说，由于转子绕组有电阻，使突然短路时较大的冲击电流逐渐减小，最后短路电流为 xd所限制。这时电机已从突然短路状态过渡到稳定

32、短路状态。短路电流的衰减按时间常数衰减。需要指出的是：图图 1-131-13 中电枢反应磁通中电枢反应磁通是由三相交流电共同激励产生，是由三相交流电共同激励产生，但为图形表达清晰起ad见，图中的定子绕组仅画了一相，不能误解为仅一相有短路电流，也不应误解为ad某一相所产生；同样为了表达清晰简洁，图中的磁通只画出半边，实际上两边是对称的。直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗：当转子上装有阻尼绕组时，则因阻尼绕组也为闭合回路，它dx 13的磁链也不能突然改变。同理，在短路初瞬，电枢磁通将被排挤在阻尼绕组以外。也就是说，电枢磁通将依次经过空气隙、阻尼绕组旁的漏磁路和激磁绕组旁的漏磁路，如图 1-14 中所示。

33、这时磁路的磁阻更大了，与之相应的电抗将有更小的数值。ad dx 称为直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗或直轴次暂态电抗。直轴次暂态电抗。dx 在短路初瞬，定子绕组中的短路电流将为所限制，由于阻尼绕组中的感应电流衰减得较dx 快，故在最初几个周波以后，电枢磁通即可穿过阻尼绕组而取得如图 1-13（b）的的路线。这时ad定子电流将为所限制。最后达到稳态值时，定dx子电流便为所限制。 dx和和的表示式：的表示式：下面我们来推导和的dx dxdx dx表示式。当同步发电机装有阻尼绕组时，电枢磁通在短路初瞬所经的路线如图 1-14 所示。设代ad表空气隙的磁导，代表阻尼绕组旁的漏磁路的d1磁导，代表激磁绕组旁

34、的漏磁路的磁导，则得该磁路的总磁导为，即有：fd dfadad11111 再把电枢漏磁路线的磁导加上，则得全部电枢磁通所经磁路的总磁导为： dfadadd11111 由于电抗和磁导成正比，故上式可以改写作 dfaddxxxxx11111 式中：直轴电枢反应电抗；adx 激磁绕组的漏抗；fx阻尼绕组在直轴的漏抗。dx1由此可得直轴超瞬态电抗的等效电路如图 1-15 所示。14如在转子上没有阻尼绕组或者是当阻尼绕组中的感应电流衰减完毕，电枢反应磁通可以穿过阻尼绕组时，磁路如图 1-13（b） ，其总磁导为： fadd111同理，直轴瞬态电抗的表示式为：dxfaddxxxx111 fadfadxxx

35、xx直轴瞬态电抗的等效电路如图 1-16 所示。（4）交轴瞬态电抗、超瞬态电抗及其表示式qxqx 在稳定短路情况下，电枢反应磁通全部穿过转子铁芯，如图 1-13（a）所示，ad这时的直轴同步电抗，是已证明过了的。addxxx如果同步发电机不是出线端处发生短路，而是经过负载阻抗短路，则由短路电流所产生的电枢磁场不仅有直轴分量，而且也有交轴分量。由于沿着交轴的磁路与沿着直轴的磁路有不同的磁阻，相应的电抗也有不同的数值。前面早已阐明，对于凸极机而言，交轴同步电抗较直轴同步电抗为小。在突然短路初瞬，沿着交轴的电抗便qxdx为和。称为交轴瞬态电抗或交轴暂态电抗，称为交轴超瞬态电抗或交轴次暂qxqx qx

36、qx 态电抗。它们和相应的直轴参数有不同的数值。因为同步发电机在交轴没有激磁绕组，故一般说来，交轴瞬态电抗和交轴同步电抗相等，亦即：=qxqx在有阻尼的情况下，由于阻尼绕组为一不对称绕组，它在交轴所起的阻尼作用与在直轴所起的阻尼作用不同。与图 1-15 相似，交轴超瞬态电抗的等效电路如图 1-17 所示。由图中的简单关系，可得： qaqqaqqxxxxxx11 15一般说来，阻尼绕组在直轴所起的作用较在交轴所起的作用为大，故亦就较qx 略大。在不用阻尼绕组而由整块铁芯起阻尼作用的隐极式电机中，便和近似相dx dx qx 等。（5）同步发电机的序分量电抗 X1、X2、X0分析同步发电机不对称运行

37、的基本方法是对称分量法。应用对称分量法，可以把发电机不对称的三相电压、电流及其所激励的磁势分解为正序分量、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，最后，将它们叠加起来，就得出实际不对称运行的结果和影响。实践证明，在不计饱和时，上述方法所求得的结果，特别是对于基波分量基本上是正确的。在不对称运行时，同步发电机的空气隙磁场为一椭圆形旋转磁场，即除了正序旋转磁场以外，尚有负序旋转磁场。因为它们的旋转方向不同，所以转子回路的反应也各不相同；对不同相序的电流，同步电机呈显的电抗也就有不同的数值。当同步电机对称运行时，如前面各章所讨论

38、的情形，定子电流为一稳定的对称三相电流，实际上即一组正序分量，它们所产生的旋转磁场（即正序旋转磁场）和转子之间没有相对运动，这个磁场并不能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。故同步电机的正序电抗正序电抗即系同步电抗，即sxx 1不对称运行时，负序电流所产生的负序旋转磁场以同步速向着和转子转向相反的方向旋转，即该磁场将以两倍同步速载切转子绕组，将在转子绕组中感应一个两倍于电源频率的交变电流。对于负序旋转磁场而言，转子绕组的作用为一短路绕组，致使负序电流所遇到的便不再是同步电抗，而是另一个电抗 x2，称它为负序电抗负序电抗，其数值远较同步电抗为小。负序旋转磁场在转子激磁绕组

39、和组尼绕组中所感应的两倍频率的交变电流，将引起附加的铜损耗；负序旋转磁场还将在转子表面产生涡流，从而引起附加表面损耗。这些损耗都将使转子温升提高。此外，负序旋转磁场还将在转子轴和定子机座引起振动。根据我国“发电机运行规程”规定：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 10%，水轮发电机和同步补偿机的三相电流之差，不得超过额定值的 20%，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，各相电流之差可以大于上面所规定的数值，但应根据试验确定。当零序电流流过定子绕组时，由各相零序电流所产生的三个脉动磁势，其幅值相等，时间上同相，而三者在空间各相隔 120电角度，因

40、此三相零序基波生成的磁势恰好相互抵消，不形成气隙互磁通，只存在一些漏磁场，数值一般很小。零电流所遇到的电抗为带有漏抗性质的零序电抗，零序电抗，用代表，较更小。0 x0 x2x由于现代电力系统的规模很大，在正常运行时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为故障状态，如单相接地短路、二相短路和二相接地短路等。161.21.2 同步发电机的功率特性及静态稳定极限角同步发电机的功率特性及静态稳定极限角.1 凸极同步发电机输电系统向量图凸极同步发电机输电系统向量图图 1-18 是当忽略发电机定子绕组的电阻及联系电抗中的电阻成分，在不饱和情况下，凸极同步发电机输电系统

41、的相（向）量图。由该相（向）量图可推导出同步发电机的功率特性方程。图 1-18 中。该相（向）量图是空间向量和时间相量组合在一起的相（向）量图，其空间向量有各磁通向量、，轴线为转子直轴方向；时间0相量有各电流和电压量，轴线与交轴重合。其中相量由电磁感应定律所定，落后于 dE90，是连接空间和时间量的关键量。其它电气量均为时间相量，由电路图可得。0Ed 纵轴同步电势，也叫空载电势，是仅由励磁绕组的励磁磁势在定子中所感应的电势。如果不计及饱和，它是和励磁电流成正比的；uf 电机的端电压；us 无限大系统母线电压；I 定子电流，它分解为直轴电流 Id及交轴电流 Iq；Xd 直轴同步电抗；Xq 交轴同

42、步电抗； 发电机的内功率因数角；f 发电机的功率因数角；s 无限大系统端的功率因数角；17df 功率角，df有双重的物理意义，一个意义是电势 Ed和端电压 uf间的相角差，另一个意义是产生电势 Ed的转子主磁通 0和产生端电压 uf的合成磁通 之间的相角差（为 0与 k的相量和，而 k为定子电枢反应磁通加漏磁通） ；d 功率角，为 Ed与 us间的相角差。.2 同步发电机的功率特性同步发电机的功率特性由图 1-18 可得： ffddduEXIcosdffddXuEIcos ffqqSinuXI qffqXuIsin ff因为忽略定子绕组的电阻，则电机的电磁功率就等于输出的有功功

43、率。fP )cos(cosfffffIuIuP ffffIuIusinsincoscosfdffqfIuIusincosdffdffqffffXuEuXuucossinsincosffdfffqffdfdXuXuXuEcossincossinsin22 （1-1）fqdqdffdfdXXXXuXuE2sin)(2sin2电机输出的无功功率为： )sin(sinfffffIuIuQffffIuIusincoscossinfqffdfIuIusincosqffffdffdffXuuXuEusinsincoscos)sin(coscos222qdfdffdfdXXXuXuE （1-2）)sin1 (

44、cos22fqqddffdfdXXXXuXuE水轮发电机的，公式（1-1）及公式（1-2）就是水轮发电机输出的有功qdXX功率及无功功率的特性方程。18对汽轮发电机而言，则公式（1-1）及公式（1-1）变为：qdXX （1-3）fdfdfXuEPsin （1-4）dffdfdfXuXuEQ2cos公式（1-3）及公式（1-4）就是汽轮发电机输出的有功功率及无功功率的特性方程。.3 静态稳定极限角静态稳定极限角同理，从图 1-18 中的、所组成的电压三角形中，类同上述的推导步骤，则dEsu分别可得出水轮发电机及汽轮发电机输电系统中，发电机功率输送到无限大系统母线端的有功功率及无功

45、功率的特性方程，见公式（1-5）公式（1-8） 。其结果只sPsQ不过是把公式（1-1）公式（1-4）中的电压换成，功率角换成，而电抗fusuf换成，换成，就可变换成公式（1-5）公式（1-8） 。dXsdXXqXsqXX公式（1-5） 、 （1-6）为水轮发电机输电系统的、值；sPsQ （1-5）2sin)(2)(sin2sqsdqdssdsdsXXXXXXuXXuEP （1-6）)sin1 (cos22sqqdsdssdsdsXXXXXXuXXuEQ公式（1-7） 、 （1-8）为汽轮发电机输电系统的、值。sPsQ （1-7）sinsdsdsXXuEP （1-8）sdssdsdsXXuXX

46、uEQ2cos无限大系统相当于一个等值大发电机，该等值发电机的内阻抗为零，则其端电压等于电势并为常数；又其转动惯量，则其频率也为常数。这里讨论单机susEMsf经一定的联系电抗与无限大系统相接的情况，不仅能使研究的问题简化，而且也符合实际情况，因为在现代大电网中运行的发电机，在绝大多数场合，系统对它们而言都可以认为是无限大的。另外，在实际计算中，通常忽略联系电抗中的电阻成分，只sX计及其电抗成分；因此，发电机机端输出的有功功率值与输送到无限大系统母线端fP的有功功率值是相等的，即公式（1-1）与公式（1-5）的值相等，公式（1-3）与公sP式（1-7）的值相等。但是，发电机机端输出的无功功率却

47、与输送到无限大系统母fQ线端的无功功率不等，即公式（1-2）与公式（1-6）的值不等，公式（1-4）与公式sQ（1-8）的值也不等。对于某特定的发电机（为常数）及一定的运行方式（为常数） ，在励磁固定dXsX的情况下（为常数） ，传输功率与功率角的关系曲线称为功角特性曲线。汽轮dEsP发电机输电系统的功角特性曲线可由公式（1-7）得到，见图 1-19；水轮发电机输电系统的功角特性曲线可由公式（1-5）得到，见图 1-20。图 1-19 及图 1-20 中曲线的最大19值称为“系统的自然功率极限” ，理论上它是传输功率的最大值。实际上，为运行zdP可靠起见，必须有一定的储备或裕度，运行点应比自然

48、功率极限低些，这个裕度称0P为“静态稳定储备系数” ，通常不小于 15%。 图 1-19 汽轮发电机输电系统的功角特性 图 2-20 水轮发电机输电系统的功角特性众所周知，在图 1-19 及图 1-20 功角特性曲线的上升部分的所有点，其，都0ddp是静态稳定的。相反，在曲线下降部分的所有点，其，都是静态不稳定的。而曲0ddp线的顶点，即代表自然功率极限值之处，其，则是由静态稳定过渡到静态不稳定0ddp的转折点，即发电机开始与系统失步的转折点，或称为临界失步点。临界失步点对应的角，称为静态稳定极限角，或称为临界失步角，用符号表示。x1201.31.3 发电机与电力系统的同步运行稳定性及振荡发电

49、机与电力系统的同步运行稳定性及振荡电力系统的同步运行稳定性，是最受关注也得到认真考核的一种稳定性。按照我国的现行规程，把电力系统的同步运行稳定性分为三类，即静态稳定、动态稳定和暂态稳定。为了便于定性说清楚电力系统的同步运行稳定性问题，先研究单机对无穷大系统这种最简单的、也是最基本的一种运行方式，如图 1-21 考虑联络线阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出的有功功率是：P (1-9)sinZUEPd式中：-包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗。Z式（1-9）可以用图表示为关系，如图 1-22。)(fP 假定发电机送出的有功功率为，下文用图 1-22 来说明上述的三种稳定

50、概念。0P.1 静态稳定静态稳定电力系统静态稳定是指小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到初始状态的能力。电力系统几乎时时刻刻都在受到小干扰。例如，个别电动机的接入和切除或加负荷或减负荷；又如架空输电线因风摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化；另外，发电机转子的旋转速度也不是绝对均匀的，即功角 也是有微小变化的。因此，电力系统的静态稳定问题实际上就是确定系统的某个运行稳定能否保持的问题。发电机送出的有功功率如式（1-9）所示，如果不考虑发电机的励磁调节器的作用，即认为空载电动势恒定，则发电机的功-角特性曲线如图 1-22（a）所示曲线。 图 1-22 静态稳

51、定功角变化特性（a）功率特性 （b）运行点 a 功角变化 （c）运行点 b 功角变化若不计原动机调速器的作用，则原动机的机械功率为 PT不变。假定在某一正常运行情况下，发电机向无限大系统输送的功率为 P0，由于忽略了电阻损耗以及机组的摩擦、风阻等损耗，P0即等于原动输出的机械功率 PT。由图 1-22(a)可见，当输送 P0时，可能有两个运行点 a 和 b（即有两个 值，其 P=P0=PT） 。考虑到系统经常不断地受到各种小的扰动，从下面的分析可以看到，只有 a 点是能保持静态稳定的实际运行点，21而 b 点是不可能维持稳定运行的，也就是静态不稳定的。先分析 a 点的运行情况。如果系统中出现某

52、种瞬时的微小扰动，使功角 增加了一个微小增量 ，则发电机输出的电磁功率达到与图中 a相对应的值。这时，由于原动机的机械功率 PT保持不变，仍为 P0，因此，发电机输出的电磁功率大于原动机的机械功率。即转子过剩转矩为负值，因而，发电机转子减速， 将减小。由于在运动过程中存在阻尼作用（后详） ，经过一系列微小振荡后运行点又回到 a 点。图 1-22（b）中给出了功角变化的情形。同样，如果小扰动使 减小了 ，则发电机输出的电磁功率为 a的对应值，这时输出的电磁功率小于输入的机械功率，转子过剩转矩为正，转子将加速， 将增加。同样经过一系列振荡后又回到运行点 a。同上可见，在运行点 a，当系统受到小扰动

53、后能够自行恢复到原先的平衡状态，因此是稳定的。B 点的情况则完全相反，如果小扰动使 b有个增量 ，则发电机输出的电磁功率将减少到与图中 b相对应的值，小于机械功率 。这时，即转子过剩转矩为正值， 将进一步增大。而功角增大时，与之相对应的电磁功率又将进一步减小。这样继续下去，功角不断增大，运行点不再回到 b 点，图 1-22（c）中画出 随时间不断增大的情形。 的不断增大标志着发电机与无限大系统非周期性的失去同步，系统中电流、电压和功率大幅度地波动，系统无法正常运行，最终将导致系统瓦解。如果小扰动使b有一个负的增量 ，情况又不同，电磁功率将增加到与 b点相对应的值，大于机械功率，因而转子减速，

54、将减小，一直减小到 a，转子又获得加速，然后又经过一系列振荡，在 a 点抵达新的平衡。运行点不再回到 b 点。因此，对于 b 点而言，在受到小扰动后，不是转移到运行点 a，就是与系统失去同步，故 b 点是不稳定的，即系统本身没有能力维持在 b 点运行。由此可知静态稳定极限是 =90。只有在由线的上升部分运行时系统才是稳定的。.2 暂态稳定暂态稳定该节内容参考西安交通大学李光奇编写的电力系统暂态分析第八章，并为后增改写内容，为使该改写内容以后内容编号不受影响，该改写内容以插入形式出现，图形编号仍使用原书编号。_一 概述：暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否

55、经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，是相对前面所提到的小干扰而言的，一般是指短路故障、突然断开线路或发电机等等。如果系统受到大干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大干扰后不能再建立稳定运行状态，而是发电机组转子间一直有相对运动，相对相角不断变化，因而系统的功率、电流和电压都不断振荡，以致整个系统不能再继续运行不去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。显然，一个系统的暂态稳定和系统原来的运行方式及干扰方式是有关的。也就是说，同样一个系统在某个运行方式和某个干扰下是暂态稳定的，而在另一个运行方式下和另一个干扰下它

56、可能是不稳定的。因此在分析一个系统的暂态稳定性时，首先必须结合系统的实际情况定出系统的初始运行方式。关于干扰方式，由于最严重的干扰（如三相短路）出现的概率较小，因此不要求以最严重的干扰来检验系统的暂态稳定性。我国现行电力系统稳定导则对 220KV 以上电压等级的系统，规定了系统必须能够承受的扰动方式。例如，任何线路上发生单相瞬时接地故障，故障后断路器跳开并重合成功，就是系统必22须能承受的一组扰动。电力系统受到大扰动，经过一段时间后，或是逐渐趋向稳态运行或是趋向失去同步。这段时间的长短与系统本身的状况有关。有的持续约 1 秒（例如联系紧密的系统） ，有的则要持续更长的时间。分析电力系统暂态稳定

57、性时要采用一些假定，这里先介绍几个最基本的假定：（1） 由于发电机组惯性较大，在所研究的短暂时间里各机组的电角速度相对于同步角速度（314ad/s）的偏离是不大的。所以，在分析系统的暂态稳定时往往假定在故障后的暂态过程中，网络中的频率仍为 50HZ。（2） 忽略突然发生故障后网络中的非周期分量电流。这一方面是由于它衰减较快；另一方面，非周期分量电流产生的磁场在空间不动，它和转子绕组电流产生的磁场相互作用将产生以同步频率交变、平均值接近于零的制动转矩。此转矩对发电机的机电暂态过程影响不大，可以略去不计。（3） 根据以上两个假定，网络中的电流、电压只有频率为 50HZ的分量，也就是说描述网络的方程

58、仍可以用代数方程。（4） 当故障为不对称故障时，发电机定子回路中将流过负序电流。负序电流产生的磁场和转子绕组的电流的磁场形成的转矩，主要是以两倍同步频率交变的。是平均值接近于零的制动转矩。它对发电机也既对电力系统的机电暂态过程也没有明显影响，也可以略去不计。如果有零序电流流过发电机，由于零序电流在转子空间的合成磁场为零，它不产生转矩，完全可以略去。这样，以前讨论过的只计及正序分量的电磁功率公式都可以继续应用。必须强调指出，暂态稳定是研究系统受到大扰动后的过程，因此不能象研究静态稳定时那样将状态方程线性化。而且，在暂态过程中往往还同时伴随着系统结构的变化。二 简单系统的暂态稳定1）物理过程分析图

59、 8-1（a）所示为一简单系统，正常运行时发电机经过变压器和双回线路向无限大系统送电。如果发电机用电动势 E作为其等值电动势，则电动势 E与无限大系统间的电抗23为：I =d+T1+T2 (8-1)2L这时发电机发出的电磁功率可表达为：P=sin (8-2)UE如果突然在一回输电线始端发生不对称短路，如图 8-1（b）所示，则只需在正序网络的故障点上接一附加电抗（j）,这个正序增广网络即可用来计算不对称短路时的正序电流及相应的正序功率。附加电抗的大小可根据不对称故障的类型，由故障点等值的负序和零序序电抗计算而得。根据发电机励磁回路磁链守恒原理，在故障瞬间暂态电动势 是不变的，在近似计算中就认为

60、不变。本来，在故障瞬间以后是EEE要衰减的，但是考虑到一方面它本身衰减较慢，另一方面励磁调节器特别是其中的强行励磁装置的作用，可以近似认为在暂态过程中是常数。综上所述，故障后系统的E等值电路如图 8-1（b）所示。这时发电机电动势和无限大系统之间的联系电抗可由 8-1（b）中的星形网络转化为三角形网络而得：=（d+T1）+T2+（d+T1） （+T2）/ （8-2L2L3）这个电抗总是大于正常运行时的电抗1的。如果是三相短路，则为零, 为无限大，即三相短路截断了发电机和系统间的联系。故障情况下发电机输出的功率为：P=sin (8-4)IIUE三相短路时发电机输出功率为零（忽略了电阻） 。短路故