本科毕业设计_输电线路故障时发电机电磁冲击转矩仿真计算

1、 输电线路故障时发电机电磁冲击转矩仿真计算 pact torque; Power system fault; Large synchronous motors； MATLAB/SIMULINK simulation 目 录1 绪论11.1 课题背景及其目的11.2 国内外研究状况与发展趋势11.3 课题研究方法及其内容32 输电线路故障的分析及其对同步发电机运行的影响42.1 输电线路故障产生原因及分析42.2 输电线路故障对发电机运行的影响53 发电机运行的模型建立与相关计算73.1 建模前的基本假设73.2 发电机转子运动方程73.2.1 发电机运行的一般过程73.2.2 计算使用的数学工

2、具-改进欧拉法93.3 发电机突然三相短路时的电流方程103.4 发电机三相短路时的磁链方程123.5 发电机三相短路时的电磁转矩的计算124 输电线路故障对同步发电机运行影响系统模型仿真及结果分析144.1 单机对无穷大系统模型144.2 模型系统参数144.3 仿真模型144.4 仿真结果154.5 仿真结果分析184.6 应对措施195 结论22参考文献23致谢251 绪论1.1 课题背景及其目的随着时代的发展，社会各行各业对电的依赖性越来越大，从而对供电系统的安全性、稳定性的要求也越来越高1。就大型同步电机来说，既要制约于电机制造本身的技术经济条件，还要满足电力系统的各种运行要求。具体

3、的来说，在保障发电机本身寿命和可靠性的前提下，对能适应大电力系统安全、稳定运行的要求同样重要2。众所周知，电力系统是由发电、输配电、用电构成的有机整体。作为生产电能基本设备的同步发电机，就电力系统的稳定性来说，同步发电机是不是能正常、高效的运行将有很大的影响，并且大型同步发电机结构更加复杂，随之而来的造价更加昂贵，一旦出现故障将会造成不可挽救经济损失。因此必须准确掌握同步发电机的运行参数， 在某些方面防止故障的发生，及早发现故障隐患，以保证同步发电机的正常运行。对于提高同步发电机运行可靠性的措施有两个：在设计、制造方面和运行维护方面技术进行提高。为了了解同步发电机的运行状态，就要实时监测运行中

4、的一系列参数，并且根据监测到的参数对发电机发生的各种故障进行预警，判断其故障的性质、程度、部位等等，并且根据这些参数提出解决的办法，从而使发电机尽快恢复到正常运行状态3-5。而前面文章里提出的电力系统的稳定性，就是指电力系统受到一定的干扰动作之后能否恢复正常运行的能力。这些干扰动作有大有小，为了便于研究分为小干扰稳定性和大干扰稳定性。由于全世界性的能源短缺，社会需要对电力系统的运行提出了更高的要求，那么就是在保证安全的情况下，去追求设备，能源的最大利用率，追求电力系统安全、稳定、经济的运行。但是故障总是无法避免，电力系统发生故障、进行断路器操作、突然增减负荷等必将使正在运行中的发动机遭受不同程

5、度的冲击转矩6-9。对于电力系统的工作者来说，分析，研究并计算故障状态机组电磁冲击转矩的产生情况及规律，从而进一步归纳电磁冲击转矩的特点并得出其对大型同步发电机机组的运行的影响。并制定相应的对应措施，改善机组运行条件，避免巨大电磁冲击转矩的产生10。1.2 国内外研究状况与发展趋势当前，全球的电力工业均已进入大电力系统，大机组和高电压的发展阶段，而大型同步发电机是整个系统中最核心和最重要的组成部分11。由于电力系统的故障类型多种多样，例如，突然短路，负荷的急剧增加或减少，这些都会对发电机的运行产生很大的影响，由于突然增加负荷发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于突然减少负荷引起的定子绕组过

6、电压；由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于不对称负荷或外部不对称短路而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功等。至于电机的电磁转矩，即电机的电磁功率除以机械角速度。在同步电机里，电磁转矩是驱使电机旋转的原动力，换言之，电磁转矩是驱动性质的转矩，在电磁转矩的作用下，电能转化成机械能，或者机械能转化成电能12。在发电机里，电磁转矩是制动性质的转矩，也就是说，电磁转矩的方向和拖动电机的原动机的驱动转矩方向相反，原动机的驱动转矩克服发电机内制动性质的电磁转矩而做功，机械能转化成电能。同步发电机的转子是故障的多发

7、部位，因为转子绕组要承受巨大的离心力作用，工作条件十分恶劣。其中转子绕组匝间短路是最常出现的故障13-16。但轻微的匝间短路由于故障特征不明显，经常会被忽略，但是即使轻微的匝间短路也会影响到发电机的正常运行，并且故障程度会在持续运行中不断加深，直至发电机无法正常运行。因此及早的发现发电机转子匝间短路故障对保证发电机的正常运行十分重要4。而当发电机的运行状态由于输电线路短路或者其他原因发生急剧变化时，暂态过程产生巨大的电磁冲击转矩和电磁力对电机定子绕组的基座和转轴，定子绕组的顶端绝缘都会产生相当大的破坏。严重着会使转轴和基座发生机械形变，绝缘损坏。反复的力矩变化会使相应部分的金属设备发生不可修复

8、的金属疲劳，只能更换部件，严重影响发电机的正常工作及其整个电力系统的稳定运行。发电机出口三相短路在机组转轴上产生的机械力矩是严重的，但分析证明，发电厂出线上靠近电厂母线侧的三相短路被切除后（由故障所在线路的线路断路器将故障切除），在机组转轴上产生比机端出口三相短路更大的机械力矩13。三相短路时转轴所承受的机械力矩，无论力矩的最大绝对值、平均值、变化幅度等都小于重合闸失败后可能产生的最大值。以往设计汽轮发电机组都以出口三相短路作为最严重条件，以此决定机组各部件的强度。对转轴机械力矩而言，单纯的三相短路并不是最严重的故障，而非同期合闸、线路三相短路切除后和出线三相短路加上三相重合闸动作等等都是更严

9、重的故障故障切除时间和重合闸动作周期对转轴机械力矩有很大影响。在出现三相短路电机甩负荷的情况下，切除时间、重合闸动作周期固然影响同步电机的加速时间，影响切除故障瞬间非同期合闸相位角值，也就是说影响电机的电磁转矩值，更重要的是在不利的时刻进行断路器切换，使转轴机械力矩有累加作用，使机械力矩达到不可容忍的程度。由以上分析可得出如下结论，适当选择断路器切换时刻可使转轴产生较小的力矩。这就从理论上提出选择合适的短路切除时间和重合闸动作周期，使机械力矩达到最小。但在实际系统中还应注意到对于不同的故障保护切除时间会不一样；短路器的合闸、跳闸动作时间具有一定的分散性，不易保证确定的合闸、跳闸时间；一个发电厂

10、内每一台汽轮发电机组的机械、电气特性不完全相同，最有利的断路器切换时刻不一定相同，要使线路断路器的切换时间同时满足多台汽轮发电机组不同的要求也是有困难的17-20。但是断路器应避免在最不利的时间切换，以防止产生极严重的机械力矩。1.3 课题研究方法及其内容对于电机分析，其工作的稳定性较好，使用正弦稳态的分析方法便可以了解其一般的运行规律。但是发生短路时，由于有一个电源供电回路的阻抗减少及其突然短路的过程时的暂态过程，将产生一个很大的短路电流，例如当在发电机机端短路使，流过发电机定子回路的短路电流瞬时最大值可以达到发电机额定电流的10 到15 倍。其热效应会损坏绝缘，导体也将受到非常强烈的电动力

11、的冲击，导致形变甚至损坏，所以本文将主要用暂态的方法研究。本文通过完成电力系统突然短路对大型同步发电机电磁暂态过程的分析建模，采用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真，得到发电机出口线路三相短路时的电流，电压，有功功率，无功功率以及电磁冲击转矩随时间的变化图像，分析其变化特点，掌握其变化规律，以得到合理化应对措施。2 输电线路故障的分析及其对同步发电机运行的影响2.1 输电线路故障产生原因及分析输电线路大多裸露在空气中，受大自然恶劣环境的影响，会产生各类的故障。如雷雨天的雷击现象和闪络现象;冬天的覆冰危害;天空中的鸟害(鸟粪污闪和粪道闪络);大雾天，雾水粘在脏绝缘子上的污闪;还有，线路自

12、身的拉力造成的应力破坏和接触不良造成的绝缘子与线路发热烧坏，以上情况具体分述如下：1.风灾因素输电线路大多地处地形复杂处，线路长，如果周边绿化不好，没有森林遮挡御风，那么很容易被自然界的大风给吹坏，即所谓的输电线路的风偏闪络，这种故障可以说是线路故障的易发形式，对电力系统的正常供电危害相当大，而且一旦发生故障，会造成风偏跳闸，引起大面积停电17。强大的风源甚至会波及低压电杆，破坏电杆之间力的平衡。由于强风的作用，而使电杆倒塌的事故也不占少数。例如2013年8月江苏沛县等七个乡镇的高压线路被强风暴破坏，使当地电力设施损毁非常严重，使造成较大的经济损失20-22。2.雷电因素在雷电频发的珠江三角洲

13、地区，一旦到春、夏季，雷电造成的输电线路故障时有发生，引起变电站的事故跳闸，事故的原因就是因为雷电过电压。2007年3月23日安徽省铜陵电网输电线因雷击引起跳闸，而且此地区曾经多次遭到电击引起跳闸，影响到电力系统的运行也极大地影响到人们的日常生产及生活，对当地经济发展影响极大。3.覆冰因素输电线路的覆冰造成的线路折断事故虽然很多，仅发生在冬季，但是从事故的结果可以看出，一旦发生覆冰事故，不但是大面积停电，而且天寒、工作强度大，维修维护的时间相对较长，不利于维修人员的维修。形成覆冰的原因是天冷且空气潮湿，当结成覆冰时，容易发生线路舞摆闪络事故。如2008年湖南一带发生的冰灾就是一个典型的实例。4

14、.污秽的因素输电线路的污闪事故虽然不是很多，但损害性却不小，还会造成闪络事故。引发此类事故的主要原因是绝缘子表面没有按期除尘，尤其风雨天，灰尘堆积在绝缘子和线路上，会造成污秽电离发生闪络事故。5.外力破坏因素外力破坏的形式可以说是多种多样，如大风天折断树木，大片的树木倒在线路上，增加线路的负载，发生折断;近几年，偷盗运行中的低压线路日益增多，还有频发的交通事故(如铲车司机酒后开车或不小心碰倒电线杆)，也是发生这类事故的原因之一。6.鸟害(1)鸟粪污闪。鸟落在输电线路上，会产生大量的粪便和污秽，粘连在绝缘子和线路上，加上阴湿的天气和山间的雨雾，积累到一定程度时，也会产生闪络现象。在正常的干燥的天

15、气中，鸟粪并不会很大程度上降低绝缘子的闪络电压，而在雨雾的天气，鸟粪的电阻变小加之污秽面积和路径共同的作用，提高了电力线路的电压，增加了鸟粪污闪事故的发生率。(2)粪道闪络。许多的鸟长期在低压电杆的绝缘子和横担附近排便，部分空气将与鸟粪接壤，即使没有使鸟粪贯穿全部的通道，也可能会造成粪道闪络现象，发生事故输电线路故障的预防措施2.2 输电线路故障对发电机运行的影响系统电压变化对发电机的影响电压是电能质量的重要指标之一。系统压的变化，不仅对系统、对用户本身不利而且对发电机也会产生很大的影响系统电压高于额定值时的影响18。转子表面和转子绕组温度升高。电压越高，漏磁通和高次谐波磁通引起的损耗增加越快

16、，引起线圈发热，使转子表面和转子绕组的温度升高，并可能超过允许值。定子铁芯温度升高。电压升高时，铁心内磁通密度增加，引起的损耗也增加很快，引起铁心温度大大升高。对定子绕组绝缘产生威胁。当电压超过额定值很多时，对运行多年或本身缺陷的发电机来说影响是很大的，有可能发生绝缘击穿事故。定子的部件可能出现局部升温。电压升高时，铁心的磁饱和程度加剧，将在铁芯部件中产生涡流，有可能造成局部烧毁。系统电压低于额定值时的影响，定子绕组温度可能升高。当电压降低时，要保持发电机输出功率不变，就需要增加定子电流，从而使定子温度升高。降低发电机运行的稳定性23。电压降低时，功率极限幅值降低，要保持输出功率不变，就必须增

17、大功角，而功角越大，稳定性越低发电机定子铁芯可能处于不饱和部分运行，若励磁电流稍有变化，极端电压就有较大变化，使电压不稳定。系统频率变化时对发电机的影响频率是电能质量的重要指标之一。频差的变化对系统、用户、发电机本身造成影响。系统频率升高时的影响，使转子部件损坏。频率升高，使发电机转子加速，离心力增加，造成转子部件损坏24。使定子铁芯温度升，频率升高，发电机铁心的磁滞、涡流损耗增加，引起温度升高。系统频率降低时的影响，发电机电动势下降。频率降低时，发电机电动势下降，若要保持电动势不变，就要增加励磁电流，从而使转子的温度升高。引起发电机部件超温。频率降低时要增加励磁电流，这样就会使铁心出现磁饱和

18、现象，磁通逸出，使发电机某些部件产生局部高温，从而造成局部灼伤。功率因数变化对发电机的影响功率因数的大小表示发电机向电力系统输送无功功率的多少，它是发电机额定功率下，定子电压和电流之间相角差的余弦值25。运行中的发电机的功率因数值一般在0.85左右。功率因数高时的影响发电机的功率因数在额定值91的范围内变动时，如出力不受汽轮机容量限制，其定子电流可等于额定值，从而保持发电机的额定出力19。这时发电机发出的无功功率小转子电流不会超过其额定电流。为了保持稳定运行，发电机的功率因数，不应超过迟相的0.95运行。因为发电机的功率因数越高，表示发电机输出的无功就越少，当功率因数为l时，就不送出无功功率。

19、而无功功率是通过调节励磁电流来得到的，减少励磁电流，就降低发电机的电动势，从而使定子与转子磁极问吸力减小，功角增大，发电机的静态稳定性降低。功率因数降低时的影响当功率因数低于额定值时，发电机的出力也降低。因为功率因数越低，定子电流的无功分量越大，由于感性无功起到去磁作用20。所以减弱主磁通的作用也越大。这时为了维持定子电压不变，必须增加转子电流，若保持发电机出力不变，则必然会使转子电流超过额定值，还会引起转子绕组的温度超过允许值而使转子绕组发热3 发电机运行的模型建立与相关计算3.1 建模前的基本假设本文主要分析三相短路故障情况下发电机产生的电磁冲击转矩以及极端电压，电流，有功，无功的变化。为

20、便于分析，作如下基本假设：（1）所讨论的同步发电机是理想电机，可以用众所周知的派克方程描述；（2）电机在经受较大电磁转矩增量的作用下，转速将会有所变化。同时考虑到转速变化，不便用解析方法进行讨论，为了使问题简化，在所讨论的时限内假定转速保持恒定；（3）未考虑励磁转速器和调速器的作用；（4）故障前发电机是空载运行的；本文内容是研究电力系统故障时大型发电机组电磁冲击转矩对其运行的影响。对于发电机，可以将 ,轴的次暂态磁导看作是相等的，即，这样能够让分析工作大大简化。3.2 发电机转子运动方程3.2.1 发电机运行的一般过程由电机学中同步电机运行特点可以得到如下方程：转子： (3-1) (3-2)在

21、以上公式中除了，0，是有名值，其他的各项都是标幺值通过解发电机的转子运动特性方程得出发电机的 ， 关系图，当发电机发生三相短路故障后转子运动方程变为： (3-3) （3-4）其中-发电机功角-转子转速-发电机同步转数 -发电机惯性时间常数 -原动机的输入功率 -发电机暂态感应电动势-机端电压-直流电抗这个方程组由俩个非线性常微分方程，由于发电机的起始状态一致，其起始条件已知且一样。均为: (3-5)上式的是发电机额定状态下最大的有功功率输出。以下列出在这篇文章里需要求解的电气量并且列出各个电气量的计算方法及其公式 (3-6) (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) 其中为机端电流值，

22、为机端电压值，为电路电抗，为发电机输出的瞬时有功功率，为发电机次暂态电抗，为发电机输出瞬时无功功率，为发电机电磁转矩。而且经过我们的推算可以得出电磁冲击转矩跟电路电抗与电流相关3.2.2 计算使用的数学工具-改进欧拉法上文中提到一个非线性常微分方程，由于能力有限，无法解出，现在介绍一种相对简单的方法-改进欧拉法。常微分方程初值问题的数值解法，就是对于一阶的微分方程式： （3-11）不是直接求其解析值，而是从已知的初值开始，离散地逐点求出对应于时间的函数x的近似值 取成等步长的，也就是： （3-12）也是有变步长的。当 选择得足够小时，计算结果有足够的准确度。如果采用的计算方法是由算，然后由算，

23、如此递推地算出各个时间的函数值，简称单步法。另一类多步法准确度较高，它在推算时要用到。这里介绍的改进欧拉法是一种单步法。利用递推公式，已知求出 1 计算时的变化率：即： （3-13）2 假设在到区间内以变化率增长，则到初步估计值为： (3-14)3 根据初步估计值算出时的变化率，然后用平均值算出的值 (3-15)下面说明改进欧拉法的数学根据。对于函数，它在处的值可以用泰勒级数表示为： (3-16) 将各项改写为的近似值： (3-17) 如果忽略 及其以后的各项得到： (3-18) 这就是梯形积分法。由于式中等号右边含有未知量，上式是个隐式方程，一般要用迭代法求解。用下式先求其的估计值： (3-

24、19) 第一次估算值： (3-20)只要如此继续估算就可以得道满足要求的数值。改进欧拉法的误差与梯形积分法相当。由于式（3-17）忽略了及以后的项，每计算一步引起的误差，称之为局部截断误差，与成比例，其全局截断误差与成比例。越小截断误差越小。但是由于计算机有效位数的限制而引起的舍入误差却随着的减小以及运算次数的增多而增大，故得选择应适当。一般在暂态稳定中取 为0.01s 或者0.05s。改进欧拉法存在数值计算不稳定问题，在应用时必须注意。于简单电力系统，发电机转子运动方程为含有两个一阶微分方程的方程组。这并不会增加计算的困难，只要同时对两个方程式进行求解计算即可。3.3 发电机突然三相短路时的

25、电流方程根据,大型同步发电机运行中第七章，电力系统故障运行时汽轮发电机的冲击转矩可以得到发电机突然三相短路时的电流方程。当发电机空载运行是时轴与 轴的电流表达式 (3-21) (3-22)上式中为短路前发电机电动势， (3-23)t 和为直轴的次暂态时间常数， (3-24)t 为电枢时间常数，它的电抗值的大小与静止的电磁反应磁链有关，它是同步电机电枢绕组突然发生短路时，电枢绕组电流的直流分量衰减的时间常数。其在转子回路中发生电磁反应并产生交变电流22。与负序的电枢电流反应类似，根据磁链守恒，此时定子电抗就是。符号(3)表示此时为三相短路的数值，令与， (3-25) (3-26)由此可以将上面的

26、与改写为 (3-27) (3-28)其中为定子3个绕组在发生三相短路时的周期分量的衰减因数。其决定于转子的暂态时间常数 与暂态时间常数t，且一一对应于周期分量中的稳态，暂态分量和次暂态分量。同上， 为此时直流分量的衰减因数，决定于定子回路的时间常数。由所学的电力系统暂态分析可知，将迅速衰减。3.4 发电机三相短路时的磁链方程对于有阻尼绕组的同步发电机可以得到如下关系式 (3-29) (3-30) (3-31)在无载短路并略去电阻的情况下，轴和轴的磁链关系可以写为 (3-32) (3-33)3.5 发电机三相短路时的电磁转矩的计算同步发电机的电磁转矩方程是： (3-34)对于汽轮机， ， 轴的次

27、暂态磁通量数值相等。可以将上式改写为 (3-35)由上式可以知道，略去电阻损耗突然三相短路时，电磁转矩只含有基频分量，平均转矩为零。而定子绕组基频电流，转子绕组非周期分量电流产生的磁场与电机同步转速相同。其可能产生平均值不为零的单向转矩，但是由于求电流时略去定子和转子的损耗，定子和转子的正负极磁场重合，因而平均转矩为零。因为汽轮机的 ， 轴次暂态磁导相等，定子电流的倍频分量电流和电磁转矩的倍频分量为零。同步发电机三相突然短路时还存在由于电阻损耗引起的单向电磁转矩，当然并不是所有的电阻损耗都可以形成单向转矩，定子电枢绕组的直流分量是定子绕组恒定方向磁场的能量维持的，由于定子电阻的损耗磁能逐步衰减

28、；同样转子绕组的直流分量电流是由转子绕组的磁能维持的，由于转子绕组电阻的存在磁能逐渐衰减；这两部分直流自由分量引起的电阻损耗（不包括励磁电源提供的能量）是由磁能转化过来的，并不形成电磁转矩。形成电磁转矩的损耗是定子电枢绕组和转子绕组中的基频分量在电阻中的损耗。综合以上分析，同步发电机三相突然短路时的电磁转矩是由三个值组成的，分别是工频分量，定子阻抗损耗引发的单向转矩以及转子阻抗损耗引起的单向转矩 (3-36) 同步发电机出口三相短路时，单向转矩取决于定子转子绕组中的电阻损耗，是主要制动转矩。（注：本文均采用标幺值计算。其中 , ）。 4 输电线路故障对同步发电机运行影响系统模型仿真及结果分析4

29、.1 单机对无穷大系统模型 图4.1 发电机与系统接线图4.2 模型系统参数为了进一步简化计算与分析，我们在此采用相对较为简单的单台发电机与无穷大系统相连的模型。无穷大系统其在外部发生故障时，电源的电压以及频率保持不变。发电机各种运行参数： 外接阻抗：4.3 仿真模型分析下可知，需要组成系统的几个部分，分别是发电机组、三相变压器、输电线路、负载、故障元件、测量仪器以及标准电压源。使用同步发电机,励磁系统( )和水轮机调速器来组成发电机组。在进行发电机组的参数设置时,，。按照上述的额定值进行设置，转子类型为凸极,其余相可用模块的默认值. 三相变压器选择双绕组三相变压器( ),将变比设置为13.8

30、/230(高压侧额定电压为220),低压绕组采用三角形接法,高压绕组采用星型接地。采用分布参数输电线路模型模拟220 的高压线。另外,将标准电压源的容量设置成1010 来模拟无穷大系统。 图4.2 仿真电路图4.4 仿真结果1 线路三相短路后发电机定子电流随时间变化的仿真结果：注：此图纵轴为电流标幺值图4.3 线路三相短路后发电机定子电流随时间的变化2 输电线路三相短路后发电机机端电压随时间变化的仿真结果：注：此图纵轴为电压标幺值图4.4 输电线路三相短路后发电机机端电压随时间变化3 输电线路三相短路后发电机有功功率随时间变化的仿真结果：注：此图纵轴为有功功率标幺值图4.5 输电线路三相短路后

31、发电机有功功率随时间变化4 输电线路三相短路后发电机无功功率随时间变化的仿真结果：注：此图纵轴为无功功率标幺值图4.6 输电线路三相短路后发电机无功功率随时间变化5 输电线路三相短路后发电机电磁冲击转矩随时间变化的仿真结果：注：此图纵轴为电磁转矩标幺值图4.7 输电线路三相短路后发电机电磁冲击转矩随时间变化4.5 仿真结果分析从图4.2中可以看出，发电机输电线路三相短路后，故障点电流呈震荡变化，且在短路后很短的时间内达到很大幅值，之后随时间的推移，幅值减小，并开始在X轴周围震荡，再经历一段时间后，短路电流达到稳态，电流幅值大小基本不变。输电线路上的电流是交流电，在正常运行时其图像呈正弦波状，突

32、然三相短路相当于阻抗突然变小，而电流仍然呈波动状态。短路开始时，短路电流幅值较大且其中心轴线偏离X轴较远是因为非周期分量存在的原因，在短路瞬间，发电机绕组为了维持短路电流不发生突变，产生了非周期分量以平衡短路瞬间的周期分量，非周期分量按指数规律逐渐衰减到零。短路电流的大小是非周期分量和周期分量的叠加，故短路电流在其周期分量达到幅值时再与非周期分量叠加，可以产生较大的幅值。短路电流的周期分量也有一定得衰减，故随着时间的推移，短路电流幅值逐渐衰减25。至于短路电流周期分量的变化规律，以下通以下通过发生三相短路后发电机内部的磁链变化来解释。(1) 发电机的结构和电磁关系是比较复杂的，在分析发电机短路

33、后的暂态过程时，必须抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，否则将使分析过程十分复杂，甚至无法分析。为简化分析过程，并保证一定的精确度，在同步发电机突然三相短路过程分析中采用以下基本假设： 在暂态过程中同步发电机转子保持同步转速，即只计电机内部的电磁暂态过程，不计机电暂态过程； 电机磁路不饱和（线性磁路），等值电路为线性电路，在分析中可以应用迭加原理进行分析； 认为励磁电压不变，即不考虑短路后发电机端电压降低引起的强行励磁； 认为短路发生在发电机定子出线端口。(2) 分析发电机短路过程时应用的基本定律：磁链守恒定律。(3) 发电机的短路电流基频分量取决于定子绕组中的感应电动势和绕组对电流的阻碍作用（阻抗）

34、的大小，在忽略电阻影响的情况下，定子绕组的阻抗就是其电抗，定子绕组感应电动势与短路后转子绕组的电流有关，而定子绕组的电抗则取决于短路时电枢反应磁通所通过的磁路的磁阻26。下面就来介绍电枢反应磁通在短路不同瞬间的分布和定子绕组的电抗: 图4.8 定子等值电抗图 图4.9 不计阻抗向量图 图4.10 不计阻抗的等值电路同步发电机定子绕组在短路发生后随着定子绕组电枢反应磁通所经过的路径的改变，定子绕组的电抗从时，与此相对应的定子短路电流的基频交流分量有效值对应的从，当短路不是发生在机端，而是发生在外部电路时，在计算不同时刻的短路电流基频交流分量有效值时，应在相应的定子绕组电抗上加上外电路的电抗，然后

35、按机端短路进行计算。当短路点距离发电机很远，即很大时，有，可认为发电机的端电压保持不变。由以上分析可知，发电机出线三相短路时机端电流的变化规律如图所示。而机端电压与电流之间只差一个阻抗的倍数，因此，电压的变化规律及原因与电流相似，这里不再多说。有功、无功功率都是关于和变化的，因此都是震荡变化的。发电机出线三相短路后，发电机失去了无功负荷，有功负荷也变得极小，因此，随时间的推移，有功功率在零附近做幅值很小的震荡而无功功率近似为零。电磁转矩，也是随时间震荡变化的量，随时间的推移逐渐衰减，形成电磁转矩的损耗是定子电枢绕组和转子绕组中的基频分量在电阻中的损耗27。而短路电流的周期分量也有一定的衰减，故

36、随着时间的推移，短路电流幅值逐渐衰减。三相短路系严重的不常见事故。通常规定，一台发电机在正常使用寿命期间应能经受有限次的这类事故。可以看出，当输电线路三相短路时，发电机会经受较大的冲击电流和电磁冲击转矩，这会给发电机和系统带来较为严重的影响。电磁冲击转矩破坏了功率平衡，产生不平衡转矩，导致各发电机组转子间产生相对运动，从而引起各发电机组转子之间的相对角度随时间的变化呈震荡状态，如果不能调节达到新的平衡点，发电机就会失去同步而解列，并且严重时，发电机大轴会发生扭曲，产生机械损伤。4.6 应对措施首先，我们应该尽量避免故障的产生，这是我们解决问题的根本途径，然而，我们不可能完全避免各类故障，我们还

37、要通过各种装置和措施，使故障发生后所产生的不良影响尽可能减小。我们可以通过提高系统暂态稳定的措施来减小系统的震荡，这里不再赘述，对于电磁冲击转矩带来的转轴损伤，我们制定相关对策。如果作用在转轴上的机械力矩，如果产生超过材料允许应力，将使主轴产生不可恢复的损伤，产生疲劳损伤，损伤的程度与机械力矩的特性（机械力矩的幅值、平均值、频率等）和作用的时间和次数等有关，只有当机械力矩产生的应力在材料允许范围之内，即使重复多次的作用也可以说不会使主轴寿命受到影响28-29。图4.10 转矩与轴的寿命百分比上图为转矩与轴寿命百分比图，表明震动转矩和大轴寿命损失之间的关系。水平是无限使用的水平，幅值（峰值到峰值

38、的一半）低于此水平的任何震动转矩，作用任何长的时间都不会损害大轴。水平是只用一次的水平，即对于任何等于或大于此水平的震动转矩，将使整个大轴寿命立即终止。在与之间，对每次的震动转矩都有相当百分比的寿命损失，其效果是累积的。当累积达到时，寿命将完全丧失。发电机组的设计和运行应满足正常情况下主轴所受应力在允许范围之内，故障时不致使机组受到过大的损伤，使机组在规定的寿命期间达到安全运行。保证主轴在规定期间内安全运行，是汽轮发电机组设计和运行人员的共同职责，在设计方面考虑到发电机出口三相短路是严重的故障，其实还有其他类型的故障会使转轴产生更严重的机械应力。设计工作者应充分考虑这些因素，才能使机组安全运行

39、有保证。在电力系统运行方面，可采用如下措施减少机械损伤：(1) 系统正常操作，包括发电厂和变电站的正常操作是多种多样的，而且在频繁的进行。有线路倒闸操作，发电机同期投入和切除，联络线的断路器操作等，所有这些正常操作应尽量保证机组应力在允许范围之内，不应使机组寿命受到额外的损伤，这是合理的而且也是可以做到的。直配线的切除尽量在低负荷或零负荷下进行。旋转电机的同期并列和联络线的投入可能出现不完全满足同期条件的合闸操作，此时应限制两系统间的合闸相角，以保证机组应力在允许范围之内，不致过分缩短主轴寿命。(2) 在电力系统运行方面采用合理的运行方式，以降低事故时可能出现的最大机械应力，尽量避免出现不利的

40、累积机械力矩。由于电力系统的复杂性，这方面的措施是多种多样的，电力系统的运行和调度工作者在这方面累积了丰富的经验。5 结论本文首先在对输电线路故障及其对同步发电机的影响进行了分析，然后建立了一个单机对无穷大系统的模型，然后在第三章经过一系列的计算，找出了三相短路时发电机转子绕组的磁通及其电流的变化规律，从而得出了三相短路时发电机电磁冲击转矩的表达式。并在第四章通过MATLAB/SIMULINK进行仿真，得到了输电线三相短路时的电流，电压，有功，无功，电磁转矩的仿真图像，了解了三相短路故障时各电气量的特点和变化情况。然后根据其变化特点做了一定的分析，知道当输电线路三相短路时，发电机会经受较大的冲

41、击电流和电磁冲击转矩，这会给发电机和系统带来较为严重的影响。电磁冲击转矩破坏了功率平衡，产生不平衡转矩，导致各发电机组转子间产生相对运动，从而引起各发电机组转子之间的相对角度随时间的变化呈震荡状态，如果不能调节达到新的平衡点，发电机就会失去同步而解列，并且严重时，发电机大轴会发生扭曲，产生机械损伤。然后根据其特性制定出了一定的应对措施。然而本文所做的研究较为单一，电力系统中还存在有许多非常严重的故障，如单相接地短路、两相短路和两相接地短路等。而他们引起的冲击转矩的化不尽相同，故如需进一步展开研究，可从其他严重的故障仿真着了解故障下电磁冲击转矩的特点，这在电气设备的制造和使用中都是非常必要的。参考文献1 李光琦. 用于电力系统电磁暂态分析的网络等值研究。1988(22)152-154.2 华北电力学院. 基于GIS 的电力故障投诉系统.2002(11)28-29.3 黄纯华. 同步发电机失磁运行仿真（第2 版）.水利电力出版社，1994，(4)，86-93 .4 水力发电机组运行稳定性监测及故障分析。2007(5)86-90.5 大型汽轮发电机组运行和检修重点注意事项.2014(2).6 倪以信. 电力系统动态安全分析综述M.清华大学出版社.2004(16)14-19.7 苏金明，阮沈勇.MATLAB6.1 实用指南（上册）.电子工业出版社. 8 苏金明，阮沈勇.MATLA