同步电机的突然短路与振荡08定

1、6.7 同步电机的突然短路与振荡同步电机的突然短路与振荡v突然短路的物理过程（掌握）突然短路的物理过程（掌握）v瞬态电抗和超瞬态电抗（掌握）瞬态电抗和超瞬态电抗（掌握）v三相突然短路分析三相突然短路分析v不对称突然短路的概念（了解）不对称突然短路的概念（了解）v同步电机振荡的物理概念（了解）同步电机振荡的物理概念（了解）一、突然短路的物理过程一、突然短路的物理过程l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。主要原因主要原因突然短路是一个暂态过程突然短路是一个暂态过程从正

2、常运行到稳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。稳定短路。突然短路时，电枢（定子）电流和相应的电枢突然短路时，电枢（定子）电流和相应的电枢磁场幅值发生突然变化，磁场幅值发生突然变化，定、转子绕组间产生变压器定、转子绕组间产生变压器感应关系感应关系，在转子绕组中感应电势和电流，反过来又，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。影响定子绕组的电流。短路瞬间，假设转速仍为同步速。定子短路瞬间，假设转速仍为同步速。定子磁场与转

3、子绕组间无相对运动。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磁场幅值突变，在转子绕组中产生变压器作用器作用1.1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 l合上开关，使定子绕组合上开关，使定子绕组1短路，有短路，有不计电阻不计电阻 R1，则，则即即 =const 设设t=0时磁链为时磁链为t=0 ，则，则 =t=0 在没有电阻的闭合回路中，磁链将保在没有电阻的闭合回路中，磁链将保持不变持不变R0didt0dtd磁链不能突变，在突然短路瞬间，认为磁链保持不变磁链不能突变，在突然短路瞬间，认为磁链

4、保持不变（类似超导体情况）。（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不考虑机械过渡过程在过渡过程期间，在过渡过程期间，电机的转速保持为同步速不变；电机的转速保持为同步速不变；（2）利用叠加原理）利用叠加原理电机的磁路不饱和；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）突然短路前为空载运行，突然短路发生在发电机的出线端；发电机的出线端；（4）不考虑强励的情况不考虑强励的情况发生短路后，励磁发生短路后，励磁系统的励磁电流系统的励磁电流If0始终保持不变。始终保持不变。 1.2 三相突然短路时的磁链三相突然短路时的磁链l空载时，转子旋转磁场在定子绕组中形

5、成磁链空载时，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，磁链分别为时，发电机端点发生三相突然短路，磁链分别为0A、0B、0C根据磁链不变原则，各绕组磁链将保持而不随时间变根据磁链不变原则，各绕组磁链将保持而不随时间变化（忽略电阻的作用）化（忽略电阻的作用） t0时的磁链守恒时的磁链守恒l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fA、fB和和fC始终按正弦规律变化。始终按正弦规律变化。l定子各绕组的磁链要保持不变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需由已闭

6、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组中建立磁链、BB和和CC以克服磁链的变化。以克服磁链的变化。 AA1.3 定子电流的分量定子电流的分量l交流分量交流分量在定子各相绕组中产生磁链在定子各相绕组中产生磁链-fA、-fB和和-fC ，以抵消转子磁场的作用，使定子绕组，以抵消转子磁场的作用，使定子绕组的磁链为零的磁链为零l直流分量直流分量产生不变的磁链（保持磁链守恒）产生不变的磁链（保持磁链守恒）CBAiii、CBAiii、1.4 转子电流的分量转子电流的分量l由于定子电流产生的旋转磁场和直流磁场的出现，转子磁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

7、坏，转子电路中必将引起感应电流以建立恰链守恒将被破坏，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能抵消上述磁场对转子绕组形成的磁链 l定子绕组交流分量产生的合成磁场定子绕组交流分量产生的合成磁场 ，同步旋转与转子相，同步旋转与转子相对静止，转子有需直流分量对静止，转子有需直流分量If-，以抵消磁链，以抵消磁链 l定子电流直流分量产生磁场（静止）与转子相对转速为同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，在转子中磁链步速，在转子中磁链- 感应工频交流电势，需交流电流分感应工频交流电势，需交流电流分量量If，以抵消，以抵消- 。ffffffffffIIIi1

8、.5 考虑绕组电阻后的影响考虑绕组电阻后的影响l实际情况下，定子、转子回路均有电阻存在，实际情况下，定子、转子回路均有电阻存在，所以所以各瞬态电流分量均将按一定时间常数衰减，各瞬态电流分量均将按一定时间常数衰减，并最后消失并最后消失。这时定子电流将是稳态短路电流，。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。转子回路将是正常外施的激磁电流。 l如三相稳定短路时电流只有如三相稳定短路时电流只有0.535 IN，比额定，比额定电流都小电流都小二、瞬态电抗和超瞬态电抗二、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

9、的路径不同而大不相同。磁通所走的路径不同而大不相同。为产生同样为产生同样的磁通，如磁阻较小，所需电流较小，即有较的磁通，如磁阻较小，所需电流较小，即有较大的电抗大的电抗；如磁阻较大，所需电流较大，即有；如磁阻较大，所需电流较大，即有较小的电抗。较小的电抗。以阻尼绕组电流以及励磁绕组中电流增量是否衰减完以阻尼绕组电流以及励磁绕组中电流增量是否衰减完毕为标志，将突然短路到稳定短路之间的变化过程分毕为标志，将突然短路到稳定短路之间的变化过程分为：超瞬变、瞬变、稳定三个阶段，对应的直轴电抗为：超瞬变、瞬变、稳定三个阶段，对应的直轴电抗分别为超瞬变电抗、瞬变电抗、稳定电抗分别为超瞬变电抗、瞬变电抗、稳定

10、电抗.2.1 直轴直轴稳态态电抗电抗l稳定短路时稳定短路时端电压等于零，端电压等于零，电枢反应为纯去磁作用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，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方向相反。电枢反应磁通所经的路线如图所示 电枢反应磁通将穿过转子铁电枢反应磁通将穿过转子铁芯而闭合，磁阻较小芯而闭合，磁阻较小.定子电抗等于同步电抗定子电抗等于同步电抗xd（数值较大数值较大）励磁绕组中电流的瞬态分量也衰减励磁绕组中电流的瞬态

11、分量也衰减完毕。电枢反应磁通路径为主磁路，完毕。电枢反应磁通路径为主磁路，电机进入稳定短路状态。电机进入稳定短路状态。2.2 直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗l突然短路初瞬突然短路初瞬转子磁链不能突变。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。流，其磁通抵消要穿过转子绕组的电枢磁通。等效等效：电枢磁通从转子绕组外侧电枢磁通从转子绕组外侧的漏磁路通过的漏磁路通过dx电枢反应磁通将从转子绕组外漏电枢反应磁通将从转子绕组外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻较大磁路而闭合，所遇到的磁阻较大定子电抗为直轴瞬态电

12、抗定子电抗为直轴瞬态电抗 xd（数值较小数值较小）2.2直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗dx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，所遇到的磁阻较大较大定子电抗为直轴瞬态电抗定子电抗为直轴瞬态电抗 xd（数值较小数值较小）无无阻尼绕组阻尼绕组或阻尼绕组时间常数小，或阻尼绕组时间常数小，短路后出现的电流衰减速短路后出现的电流衰减速度快，当电流基本衰减完度快，当电流基本衰减完后，磁通可进入阻尼绕组，后，磁通可进入阻尼绕组，当仍被挤在励磁绕组以外当仍被挤在励磁绕组以外的漏磁路中。的漏磁路中。2.3直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗l突然短路初瞬突然短路初瞬转子磁

13、链不能突变转子磁链不能突变 如转子上如转子上有阻尼绕组有阻尼绕组，其磁链也不能突变。，其磁链也不能突变。等效：等效：电枢磁通从阻尼绕组和电枢磁通从阻尼绕组和转子绕组外侧转子绕组外侧的漏磁路通过的漏磁路通过 dx电枢反应磁通将从转子外漏磁路电枢反应磁通将从转子外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻更大而闭合，所遇到的磁阻更大定子电抗为直轴超瞬态电抗定子电抗为直轴超瞬态电抗 xd（数值更小（数值更小）2.4 x”d和和xd的表达式的表达式l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 dfadad11111dfadadd11111电抗与磁导成正比电抗与磁导成正比则

14、：则：dfadaddxxxxxxx11111等效磁路等效磁路2.4 x”d和和xd的表达式的表达式fadadd111fadaddxxxxxx111阻尼绕组阻尼绕组l作用：提高电机运行的稳定性，削弱不对称运作用：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行时反向旋转磁场的不良影响lx”d xd ，突然短路时定子电流的周期性分，突然短路时定子电流的周期性分量幅值量幅值 将比无阻尼时更大。将比无阻尼时更大。l在隐极发电机中，整块转子铁心起阻尼作用，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不需另外的阻尼绕组02dmxEI2.4 交轴瞬态电抗交轴瞬态电抗l如短路电流中

15、有交轴分量，产生交轴电枢磁场。如短路电流中有交轴分量，产生交轴电枢磁场。l由于交轴方向无励磁绕组，交轴瞬态电抗和交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相同步电抗相等 qxqqxx 2.5 交轴超瞬态电抗交轴超瞬态电抗l由于由于阻尼绕组阻尼绕组的不对称性，在交轴方向有阻尼的不对称性，在交轴方向有阻尼绕组作用（且与直轴方向作用不等）绕组作用（且与直轴方向作用不等） qxqaqqaqqxxxxxx11阻尼绕组在交阻尼绕组在交轴的漏抗轴的漏抗2.6 与负序电抗的关系与负序电抗的关系l对于负序电流，其电枢磁场与转子绕组有对于负序电流，其电枢磁场与转子绕组有2n1的相对运动，在的相对运动

16、，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，即类似短路时情况路时情况1.直接外施负序电压直接外施负序电压2.经外接电抗（很大）施加负序电压经外接电抗（很大）施加负序电压3.外接电抗与负序电抗相当时外接电抗与负序电抗相当时2,11211qdqdqdxxxxxxxx)(21,11211qdeqedexxxxxxxxxqdxxx 如两相短路时2.7 静止法测定瞬态电抗静止法测定瞬态电抗l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电源两相短路。转子激磁绕组由电流表短接。

17、两相短路。转子激磁绕组由电流表短接。l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。电压和定子电流。l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。值。 minmax22IUxIUxqd如转子无阻尼绕组，切磁极由如转子无阻尼绕组，切磁极由叠片构成，则测出的是瞬态电叠片构成，则测出的是瞬态电抗抗qdxx 和三、三相突然短路电流三、三

18、相突然短路电流l短路初瞬，定子电流中的直流分量与短路时的磁链有短路初瞬，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）。关（保持短路后磁链守恒）。l如短路时短路绕组与交轴重合，则磁链如短路时短路绕组与交轴重合，则磁链l如短路绕组与直轴重合，则磁链如短路绕组与直轴重合，则磁链00max0相应的短路电流中直流分类不相同，短路电流也不同相应的短路电流中直流分类不相同，短路电流也不同。3.1 当当 0=0 时的突然短路时的突然短路l当t=0时，=00，E0=Emax，Ik滞后E0 90，Ik0=0。短路电流中直流分量I - = 0，只有交流分量阻尼绕组的影响阻尼绕组的影响励磁绕组的影响励

19、磁绕组的影响同步电抗的作用同步电抗的作用txexxexxEtIeIIeIIidTtddTtddemdmTtdmdmTtdmdmkddddsin11111sin33333.2 当当 0= max时的突然短路时的突然短路l当t=0时，0max，E0=0，周期分量I= - Imax初始条件，当t0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 衰减中的直流分量衰减中的直流分量交流分量交流分量90sin333tIeIIeIIieIidmTtdmdmTtdmdmkcTtamkadda如果衰减很缓慢，如果衰减很缓慢，则在则在001s(半个半个周波周波)

20、以后，最高以后，最高冲击电流达到周冲击电流达到周期性电流的起始期性电流的起始振幅的振幅的2倍。倍。3.3 时间常数时间常数l由于绕组存在电阻，各种自由分量都将衰减由于绕组存在电阻，各种自由分量都将衰减ffdrLT00dddffkddxxTxxTT0003dddrxT113aarxT3无阻尼、定子开路时激磁绕无阻尼、定子开路时激磁绕组的时间常数组的时间常数无阻尼、定子绕组短路时激无阻尼、定子绕组短路时激磁绕组的时间常数磁绕组的时间常数定子短路时阻尼定子短路时阻尼绕组的时间常数绕组的时间常数定子定子绕组绕组四、不对称突然短路的概念四、不对称突然短路的概念l利用对称分量法，分别考虑各序的瞬态电流分量

21、利用对称分量法，分别考虑各序的瞬态电流分量1.正序正序2.负序负序限制瞬态和超瞬态短路电流的是负序阻抗限制瞬态和超瞬态短路电流的是负序阻抗x-3.零序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，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，用零序电抗用零序电抗x0计算瞬态过程计算瞬态过程五、同步电机振荡的物理概念五、同步电机振荡的物理概念l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，位移角负载增大时，位移角 增大，相当于将磁力线拉长；当负载减小增大，相当于将磁力线拉长；当负载减小时，位移角减小

22、，磁力线缩短。时，位移角减小，磁力线缩短。l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，即引起的稳定值，即引起振荡振荡转子转速在同步速上下晃动转子转速在同步速上下晃动。如振幅。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。过大，则位移角变化角大，超过弹性极限，将与电网失步。l当同步发电机由不均匀的原动机拖动时，将发生强制振荡。当同步发电机由不均匀的原动机拖动时，将发生强制振荡。l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

23、，即电网电压的振荡。一台发电机的振荡，即电网电压的振荡。思考题思考题试说明下列情况中同步电机的试说明下列情况中同步电机的转子电流转子电流中有没有中有没有交流分量交流分量(1)同步运转，定子电流三相对称且有稳态值同步运转，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)稳定异步运转稳定异步运转(4)同步运转，定子电流突然变化同步运转，定子电流突然变化 如如与电枢磁场有相对运动，或电枢磁场发生突然变化，产与电枢磁场有相对运动，或电枢磁场发生突然变化，产生变压器作用生变压器作用。负序旋转磁场将在转子绕组中感应交变电流电枢旋转磁场与转子有相对运动，感应电流转子绕组匝链的磁通发生变化，转子绕组匝链的磁通发生变化，将感应变压器电势将感应变压器电势思考题思考题l说明瞬态电