第十章 水轮发电机的突然短路及异常运行.ppt

1、水轮发电机的三相突然短路 水轮发电机发电机的不对称短路 水轮发电机发电机的失磁运行 水轮发电机常见故障（自学） 水轮发电机的运行规程（自学）,第十章 水轮发电机的突然短路及异常运行,10.1 水轮发电机的三相突然短路 10.1.1 短路时定子绕组电抗的变化 10.1.2 短路时等值电路及短路电流 10.1.3 短路对电机的影响,第十章 水轮发电机的突然短路及异常运行,10.1 水轮发电机的三相突然短路,正常运行时，电枢反应基波磁场由于与转子同步旋转，无相对运动，所以它不会在转子的励磁绕组和阻尼绕组中感应出电动势和电流。 在突然短路时，因为定子电流及相应的电枢反应磁场的突然增大，将在转子的励磁绕

2、组和阻尼绕组中感应出电动势和电流，这些感应出的电流建立的磁场，反过来又会在定子绕组中感应出电动势和电流，又会影响电枢磁场。 定、转子间的这些相互影响，致使在短路过程中，定子电抗减少，从而导致定子电流剧增，严重威胁发电机的安全 根本原因：定、转子各绕组磁链在短路瞬间力图维持磁链守恒,第十章 水轮发电机的突然短路及异常运行,短路后各绕组电流分量物理过程分析,类似励磁绕组，阻尼绕组也会感应出自由直流分量和工频交流分量。 各绕组产生的自由分量最终将衰减消失。,短路后各绕组电流波形,10.1.1 三相短路时定子绕组电抗的变化,10.1.2短路时等值电路及短路电流,一、等值电路,1、次暂态等值电路,10.

3、1.2短路时等值电路及短路电流,一、等值电路,2、暂态等值电路,10.1.2短路时等值电路及短路电流,一、等值电路,3、稳态等值电路,二、a相短路电流,d轴超前为正,q轴超前为正,标幺值表达式,稳态分量,基频自由分量,直流自由分量,倍频自由分量,三、同步发电机的派克变换,c,四、衰减时间常数,10.1.3 突然短路对发电机的影响,1、定子绕组端部承受巨大的电磁力 （1）定、转子绕组端部间的斥力 （2）定子绕组端部与定子铁芯间的吸力 （3）相邻定子绕组端部之间的作用力 2、主轴受到强大电磁转矩的冲击 （1）定、转子绕组感应电流有功损耗的单向冲击力矩（阻力矩） （2）定子直流分量产生的静止磁场与转

4、子主极磁场相互作用引起的交变力矩，会引起振动。 3、绕组发热 由于短路电流衰减很快，同时由于继电保护动作切除短路的发电机，故发热量不大。,10.2 水轮发电机的不对称运行 10.2.1 对称分量法 10.2.2 发电机不对称运行电动势方程和等效电路 10.2.3 发电机不对称运行对发电机的影响,第十章 水轮发电机的突然短路及异常运行,10.2 水轮发电机的不对称运行,不对称运行的几种典型情况： 1、较大容量单相负载的投入与切除 2、输电线路单相或两相短路 3、断路器或隔离开关一相未合上 4、发电机、变压器、供电线路一相断电,10.2 水轮发电机的不对称运行,10.2.1对称分量法 在三相电路中

5、，任意一组不对称的三相相量（电压、电动势或电流），可以分解为三相对称的相量分量，以电流为例，有：,其中下标（+）表示正序分量，下标（-）表示负序分量，下标（0）表示零序分量。,正序分量,负序分量,零序分量,合成,若已知不对称量，可求出三组对称量：,说明：对称分量法应用的是叠加原理，只能用在线性参数系统中。,结论：1、不对称三相量的分解与合成适用于电压、电流、电动势的讨论，不适用于功率的讨论；不仅适用于发电机，还适用于变压器及整个电力系统的分析。 2、对于三相系统，当其处于不对称运行状态时，可将其分解为相对独立的正序、负序和零序三个对称的系统，相应的有三个相对独立的正序、负序和零序等值电路。,1

6、0.2 水轮发电机的不对称运行,10.2.2 发电机相序电动势方程和等值电路 对任意一相（忽略定子绕组电阻），有,正序等值电路 有电动势,负序等值电路 无负序电动势,零序等值电路 无零序电动势,10.2 水轮发电机的不对称运行,关于序电动势： 1、发电机运行时，转子磁场按规定方向旋转，在定子绕组中感应的三相电动势为正序的，该正序电动势就是励磁磁动势空载电动势E0。 2、发电机运行时，不存在反转的转子励磁磁场，所以，定子绕组不会感应出负序电动势。 3、转子也不存在感应出零序电动势的励磁磁动势（垂直于三相绕组），所以，定子绕组不会感应出零序电动势。,10.2 水轮发电机的不对称运行,关于序电抗：

7、1、正序电抗：正序电流流过定子绕组时遇到的电抗，也就是发电机正常运行时的电抗。,说明：稳态分析时用稳态电抗 暂态分析时用暂态电抗 次暂态分析时用次暂态电抗,10.2 水轮发电机的不对称运行,关于相序电抗：,2、负序电抗：负序电流流过定子绕组时遇到的电抗。 电枢负序电流产生的负序电枢反应磁动势顺时针旋转，与转子转向相反，在转子励磁和阻尼两绕组中感应出100HZ的感应电动势及对应的电流，继而建立反磁动势，将负序磁通排斥到励磁绕组和阻尼绕组的漏磁路路径上，故负序磁通磁阻大，电抗小，并且由于直轴和交轴磁阻的不同，负序电抗是变化的，通常由平均值代表负序电抗。,负序磁通被排斥到励磁绕组和阻尼绕组的漏磁路路

8、径上，磁路同次暂态短路时。所以直轴负序电抗和交轴负序电抗同次暂态电抗。,d轴电抗：,q轴电抗：,负序电抗：,有阻尼绕组,无阻尼绕组,负序电抗标幺值范围见表10-3,10.2 水轮发电机的不对称运行,关于相序电抗：,3、零序电抗：零序电流流过定子绕组时遇到的电抗 三个相绕组的零序电流同相、大小相等，合成基波电枢磁动势为零，不形成旋转磁场。 零序电流只产生零序漏磁通，故零序电抗实质是漏电抗。 发电机通常都采用双层短距绕组，某些槽内的上下导体属于不同的相，它们的电流方向相反，使得零序漏磁阻增大，故零序漏电抗小于正序漏电抗。,零序电抗和负序标幺值范围见表10-3,强调,10.2.2 发电机不对称运行对

9、发电机的影响,发电机不对称运行时，三相电流不对称，理论上其包括正序、负序和零序电流分量，对于中性点不接地的发电机而言，零序电流为零，所以对发电机运行造成不良影响的主要是负序电流分量。,10.2.2 发电机不对称运行对发电机的影响,1、负序电流引起的负序电抗压降，引起发电机电压不对称，从而影响电气设备、负荷的正常工作，甚至损坏。 2、负序电流产生的负序旋转磁场，在转子铁芯（表面）感应出100HZ的电流，使转子铁芯局部过热；负序旋转磁场也使得励磁绕组和阻尼绕组感应100HZ的电流，转子附加铜耗增加。这些会引起转子温度升高，从而影响发电机的出力。 3、电流产生的负序旋转磁场与转子主极磁场转向相反，它

10、们相互作用，在转子上产生100HZ的交变附加电磁转矩，引起机组的强烈振动和噪音。,规程规定： 1、发电机持续允许的不平衡电流值应遵守制造厂的规定。制造厂无规定时，对于空气冷却的发电机，可按照下列规定执行: （1）在按额定负荷连续运行时 PNl00MW 的水轮发电机 负序电流与额定电流之比(标么值)不得大于12%; PNl00MW的水轮发电机 负序电流与额定电流之比(标么值)不得大于9%。 同时，任何一相的电流不得大于额定值。 （2）在低于额定负荷连续运行时 各相电流之差可以大于上面所规定的数值，但具体数值应根据试验确定。,规程规定： 2、发电机短时间允许的不平衡电流值，应遵守制造厂的规定。制造

11、厂无规定时，对于空气冷却的发电机，可按下式计算:,式中: 负序电流的标么值; t 时间 ，s。,阻尼绕组在减少不对称运行不良影响上的作用： 1、阻尼绕组感应负序磁场产生的电流形成的磁场，对负序磁场有去磁作用； 2、阻尼绕组在励磁绕组的外面，对励磁绕组起屏蔽作用（阻止负序磁场交链转子）。 3、阻尼绕组将负序磁通排斥到漏磁路上，减少了负序电抗，从而减少了电压的不对称度。,10.3 水轮发电机的失磁运行 10.3.1 失磁的原因及物理过程分析 10.3.2 失磁运行时发电机的表计现象 10.3.3 失磁运行的不良影响 10.3.4 发电机失磁后的处理,第十章 水轮发电机的突然短路及异常运行,10.3

12、 水轮发电机的失磁运行 10.3.1 失磁的原因及物理过程分析 一、失磁的原因,励磁机或励磁电源发生故障。 转子绕组或励磁回路开路，或转子绕组严重短路。 励磁调节器、副励磁机系统发生故障。 转子集电环电刷环火短路或烧断。,二、失磁的物理过程分析,N,S,FR,N,S,Ff,n,n1,N,S,FR,n,x,正常运行,失磁瞬间,n1,Ff,失磁稳定运行,同步电磁转矩 同步发电机,转子绕组、铁芯产生交变电流,N,S,FR,N,S,n,n1,x,交变的异步电磁转矩 异步步发电机,二、失磁的物理过程分析,水轮发电机由于异步电磁转矩（功率）曲线斜率小，如要带一定有功出力运行的话，发电机的转速将要求很高，而

13、水轮发电机直径大，离心力也大，可能损坏发电机，故规定水轮发电机不允许失磁运行。,10.3 水轮发电机的失磁运行 10.3.2 失磁运行时发电机的表计现象,转子电流表的指示为零（励磁回路开路）或接近于零（励磁回路经灭磁电阻或励磁机电枢绕组闭合，转子电流表测量的是感应电流中的很小的直流分量）。 定子电流表的指示升高（既要发送有功功率、还要吸收很大的无功功率）并摆动（变化的转子异步转矩引起）。 有功功率表的指示降低（转速升高，调速器将导水叶开度减少）并摆动（定子电流摆动）。,10.3 水轮发电机的失磁运行 10.3.2 失磁运行时发电机的表计现象,机端电压显著下降（电流大、阻抗压降增大），且随定子电流摆动（定子电流摆动）。 无功功率表指示负值（从系统吸收感性无功），功率因数表示指示进相（从系统吸收感性无功，相当于相系统发送容性无功）。 转子各部分温度升高（转子励磁绕组、阻尼绕组、铁芯均会感应交流电流）。,10.3 水轮发电机的失磁运行 10.3. 失磁运行的不良影响,对发电机的影响 失磁后，发电机转入低转差异步运行，在转子及励磁回路中将产生脉动电流，因而增加了附加损耗，另外，定子电流也增大。这些都会使发电机温度升高，影响发电机的使用寿命。 对系统的影响 失磁后，发电机转入异步运行，要从系统吸收大量的无功功率，如系统无功储备不足，将引起系统电压下降，甚至造成电压崩溃，从而瓦解系统