第十七章 同步发电机的非正常运行
发电机的异常运行
同步发电机的异常运行Βιβλιοθήκη 调相机运行 同步发电机失磁
同步发电机的异常运行
一、调相机运行
用途： 此时感应电动机所需的滞后无功电流，实质上是由过励的同步补偿机发出而直接供给的，从而 避免了无功功率的远距离输送，改善了电网的功率因数。
同步发电机的 异常运行
调相机运行 同步发电机失磁
同步发电机的异常运行
一、调相机运行
工作原理：同步调相机实质上是一台不带机械负载、专门用以改善电网功率因数的同步电动机。 在正常励磁时,调相机的电枢电流极小,接近于零,过励时,补偿机能从电网吸取超前的无功电流;欠励时,则 从电网吸取滞后的无功电流。补偿机的V形曲线I=f(If),相当于图中电动机的电磁功率P≈0时的V形曲线。
调相机运行 同步发电机失磁
同步发电机的异常运行
二、发电机失磁
失磁的物理过程 由于定子磁场与转子磁场间有相对速度，即有滑差s (s=(ω-ω0)/ ω)，定子旋转磁场切割成闭合回路的励
磁绕组、组尼绕组和其它金属导体。并在其中感应出滑差频率的交流电势和电流。该电流与定子旋转磁场 相互作用产生异步力矩。原动机输入的力矩在克服异步力矩的过程中作功，使机械能变为电能。因此，发 电机仍向电网有功功率PYB。
调相机运行 同步发电机失磁
一、调相机运行
由于电力系统的大部分负载为感应电动机,它们要从 电网中吸取一定的滞后无功电流来建立其磁场,致使整 个电网的功率因数降低,线路的电压降和铜耗增大,电站 中同步发电机的容量不能有效利用。如果能在电网的 受电端装设同步调相机,使其从电网吸收超前的无功电 流,则电网的功率因数就可以得到改善。
同步电动机故障判断
一、同步发电机的非正常运行1、发电机在系统电压、频率发生变动时（1）当系统无功功率失去供需平衡时就会出现电压变动现象。
无功功率不足，会使电压降低；无功功率过高会使电压升高。
（2）当系统有功功率失去平衡时，会使频率变动，同时也会使电压变动。
有功功率不足时会使频率降低；有功功率过剩时会使频率、电压升高。
（3）在事故情况下，或负荷无计划地大量增减情况下，会出现有功功率和无功功率较严重的失去平衡的现象。
使发电机工作在超出电压、频率的允许范围，交对其产生恶劣影响。
2、电压变动对发电机运行的影响发电机电压在额不定期值的±5%范围内变化时是允许电机长期运行的。
当电压高于额定值时、对发电机的影响如下：（1）转子表面和转子绕组的温度升高；（2）定子铁芯温度升高（3）定子的结构部件可能出现局部高温；（4）对定子绕组绝缘产生威胁；3、电压低于额定电压时对电机的影响（1）降低运行和稳定性。
这里所说的稳定性有两个意思，一是并列运行的稳定性；另一个发电机电压调节的稳定性。
并列运行的稳定性的降低可从发电机的功角特性看出。
当电压降低时，功率极限幅值也降低，要保持输出功率不变，必增大功角运行，而功角越接近90°，稳定性越低。
调节稳定性降低的原因是，每台发电机都有空载特性曲线。
空载特性曲线有直线部分和饱和部分。
正常电压运行时，运行点在饱和部分上。
当电压降低时，有可能运行在直线部分上。
在直线部分上运行时电压是不稳定的，只要励磁电流变化一点时，电压就变化很大。
（2）定子绕组温度可能升高电压降低的情况下保持电机的有功功率不变，则必增加定子电流。
而电流值增大会使定子温度升高。
二、频率变动时对发电机的影响1、频率升高的影响。
频率的允许变动范围是±0.5HZ。
频率的升高极限主要取决于发电机转子和汽轮机转子的机械强度。
此外频率的升高使发电机定子铁芯的磁滞、涡流损耗增加，会引起铁芯的温度上升，但这是次要因素。
2、频率降低的影响。
同步发电机异常运行以及故障
浅谈同步发电机异常运行以及故障1发电机的过负荷运行发电机的定子电流和转子电流均不能超过由额定值所限定的范围。
但是，当系统发生短路故障发电机失步运行、成群电动机自启动以及强行励磁装置动作等情况时，发电机的定子和转子都可能短时过负荷。
电流超过额定值会使绕组温度有超过允许限度的危险，严重时甚至还可能造成机械损坏很显然，过负荷数值越大，持续时间越长，上述危险性越严重因此，发电机只允许短时过负荷。
过负荷的允许数值不仅和持续时间有关，还和发电机的冷却方式有关。
直接冷却的绕组在发热时容易产生变形，所以过负荷允许值比间接冷却的绕组要小。
发电机过负荷的允许值和允许时间应由制造厂规定短时过负荷的允许时间，也可由下式计算t=150/(i/in)2——1(式1)式中t——允许过负荷时间(s)；i——短时允许过负荷电流(a)；in——发电机额定电流(a)发电机不允许经常过负荷，只有在事故情况下，当系统必须切除部分发电机或线路时，为防止系统静态稳定破坏，保证连续供电，才允许发电机作短时过负荷运行。
2发电机的异步运行同步发电机进入异步运行状态的原因很多，常见的有：励磁系统故障，误投发电机灭磁开关而失去励磁，短路故障使发电机失步等等。
下面仅就发电机失去励磁后的异步运行状态作简要介绍。
现代大型汽轮发电机无励磁运行问题，已引起国内外电力工作者的重视，并进行了大量的试验、研究工作。
目前研究结果表明，发电机失去励磁后，如将有功负荷迅速减少到额定功率的40%~50%，就有可能在低转差率下进入异步运行。
这种异步运行受到时间的限制，在所限定的时间内，运行人员可设法找出故障并尽快排除，使发电机通过适当的方式再同步，恢复正常运行。
允许发电机失磁异步运行的时间和输送功率，受到多种因素的制约。
首先，受到定子和转子发热的限制；其次，由于转子的电磁不对称所产生的脉动转矩将引起机组和基础的振动，也应有所限制；另外还有一个重要的约束因素，就是要考虑电力系统是否能供给足够的无功功率，因为失磁的发电机要从原来输送无功功率转变为大量吸收系统的无功功率，这样在系统无功功率不足时，将导致系统电压的大幅度下降。
发电机非正常运行
发电机非正常运行一、发电机容许过负荷在正常运行时，发电机是不允许过负荷的，即不允许超过额定容量长期运行。
当系统发生短路故障、发电机失步运行和强行励磁等情况时，发电机定子和转子都可能短时过负荷，电流超过额定值会使电机绕组温度有超过允许值的危险，甚至造成机械损坏。
过负荷数值越大，持续时间越长，上述危险性越严重。
因此，发电机只允许短时过负荷。
发电机具有一定的短时过负荷能力。
从额定工况下的稳定温度起始，能承受1.3倍额定定子电流下运行至少一分钟。
允许的电枢电流和持续时间（直到120秒）如下：表2－1发电机允许的电枢电流和持续时间对照表发电机不允许经常过负荷，只有在事故情况下，当系统必须切除部分发电机或线路时，为防止系统静稳定破坏，保证连续供电，才允许发电机短时过负荷运行。
当过负荷时间超过允许时间时，应及时采取措施，立即将发电机定子电流及励磁电压降至正常允许值。
二、发电机不对称运行1）发电机不对称运行发电机不对称运行是一种非正常工作状态，它是指组成电力系统的电气元件三相对称状态遭到破坏时的运行状态，如三相阻抗不对称、三相负荷不对称等。
而非全相运行是不对称运行的特殊情况，即输电线、变压器或其它电气设备断开一相或两相的工作状态。
不对称的程度通常用负序电流I2对额定电流I N的百分数表示。
2）负序电流对发电机的危害发电机不对称运行时，在发电机的定子绕组内除正序电流外，还有负序电流。
正序电流是由发电机电势产生的，它所产生的正序电流与转子保持同步速度而同方向旋转，对转子而言是相对静止的，此时转子的发热只是由励磁电流决定的。
负序电流出现后，它除了和正序电流叠加使绕组相电流可能超过额定值，还会引起转子的附加发热和机械振动。
当定子三相绕组中流过负序电流时，所产生的负序磁场以同步转速与转子反方向旋转，在励磁绕组、阻尼绕组及转子本体中感应出两倍频率的电流，从而引起附加发热。
由于集肤效应，这些电流主要集中在表面的薄层中流动，在转子端部沿圆周方向流动而成环流。
发电机非正常运行
非正常运行1 短时过负荷能力在事故状态下，发电机允许定子绕组在短时内过负荷运行，同时也允许转子绕组有相应的过负荷(过电压)。
定子绕组的短时过电流及其时间规定在《发电机技术规范》中。
2 不平衡负荷在不平衡负荷状态，发电机中含有了负序电流分量，相电流及端电压偏离了平衡负荷时的理想关系。
不平衡负荷将在转子表面导致额外的损耗和局部发热。
)及短时不平衡负荷在《技术数据汇总表》中规定了持续不平衡负荷(I22t)的允许值，同时在持续不平衡负荷运行状态，任何一相的电枢电流(I2不允许超过额定值。
发电机的不平衡电枢电流也会引起转子倍频转矩脉振，这个脉动转矩同时也出现在定子铁芯上。
铁芯隔振结构能有效地减小这种脉动转矩对机座及基础的影响。
3 一个冷却器退出运行在运行中，如果四个冷却器中的一个退出运行，发电机在冷却器水系统工作正常前提条件下可以带 80% 的额定负荷。
4 空气中运行仅在安装、调整及试运行期间，发电机才允许短时在空气中运转，以便进行动态机械检查。
空气中运转的前提条件为：∙无励磁∙机内空气必须干燥，相对湿度 < 50%；压力在 3000～6000 Pa（表压）之间；冷风温度20~38℃∙冷却器通水∙定子绕组通冷却水∙保证密封油的供油∙切断氢气分析器、差压表、拆开供氢管道5 失磁运行发电机失磁运行能力见《技术数据汇总表》。
发电机在失磁后异步运行时会产生三个方面的影响：一是使电网出现大幅度功率振荡；二是使汽轮发电机轴系承受一个滑差频率的扭振；三是对发电机本身的影响。
其中对发电机本身的影响主要有两方面：一是由于定子旋转磁场与转子的滑差而在转子上感生损耗，滑差过大时还会在转子线圈上感应高电压；二是由于这种工况相当于深度进相运行，发电机定子端部磁场会在定子压圈等结构件中产生损耗和过热；但各部分温升不会超过进相运行的水平。
尽管失磁异步运行对发电机本身不会产生破坏，出于对轴系损伤的担心，建议尽量不要在失磁状态下异步运行，当然也不推荐失磁运行能力。
同步发电机的异常运行
科 Ｊ Ｉ ｌ 技 论 坛
科
同步 发 电机 的异常运 行
马 良 祝
（ 东省粤泷发电有限责任公 司， 东 罗定 ５ ７ １ ） 广 广 ２２７
摘 要 ： 电机 一般 应在其额定值 范围以内运行 ， 发 这种运行是 安全的。但有时也可能遇到 某些特殊 情况 ， 定子或 转子 电流超过额 定值（ 负 如 过 荷） 、 异步运行 、 不对 称负荷 等等 ， 这些都属 于同步发 电机的异常运行或称同步发 电机的非正常工作状 态。 究这些运行情况对电机和 电网的影响也 研 是很重要 的， 由此 可找 出允许继 续运行的条件和要 求， 以提 高电力系统运行的可靠性 。 关 键 词 ： 电机 ； 发 负荷 运 行 ； 步 运 行 ； 异 系统运 行 脉动转矩将引起机组和基础的振动，也应有所限 制； 另外还有—个重要的约束 因素， 就是要考虑电 力系统是否能供给足够的无功功率， 因为失磁的发 电机要从原来输送无功功率转变为大量吸收系统 的无功功率 ， 这样在系统无功功率不足时， 将导致 系统电压的大幅度下降。 这些因素很可能危及机组 和整个系统的安全、 稳定运行。 因此， 某一台发电机 能否失磁异步运行 ， 以及允许异步运行时间的长短 图 １ 发电机平均异步转矩特性 和输送功率的多少 ， 必须根据发电机的型式、 参数、 １一 汽轮发电机； 有阻尼绕细水轮发电机： ２— 转子回路连接方式以及外接电力系统的性质等条 无 侥 ４一 件， 进行具体分析， 必要时尚需经过试验， 才能最后 ３－ 阻尼 细 水轮 发 电机 ； 原动机 转矩梅 陛； Ｍ － 动机起始 转矩 即失磁前 的原动机 转矩 原 确定。 ２ 发电机失磁后双察到的现象 １ 由图 １ 可见 ，汽轮发电机具有 良好的平均异 失磁后的异步运行状态与原先的同步运行状 步转矩特性， 因而在较小的∞ 千分之门 译 ｌ 差率下， 态相 比， 有许多不同之处 ， 其现象可由表计的变化 就能达到稳定运行点 Ａ ， ｌ 此时 由于调速器陡汽门 式中 卜 一 允｛过负荷时间ｆ 一 午 ｓ １ ； 看出 ， 主要有 ： 关闭的幅度很小， 故输出的有功功率仍相当大。在 卜— 短 时允许过负荷电流（） Ａ； ２１ 转子电流表的指示降为零或降到接近于 异步运行时，发电机需从系统吸收大量的无功功 ． １ Ｉ 一 发电机额 定电流 （】 Ａ。 零； 率， 以建立 内部磁场 ， 所以发 电机的电压以及附近 发电机不允许经常过负荷，只有在事故情况 ２１ 定子电流表摆动目指示增大； ．２ ． 用户的电压籽下降。 所需无功功率的大小和发电机 下， 当系统必须切除部分发电机或线路时 ， 为防止 ２１ ． ３有功功率表指示减小 且 也发生摆动； 的同步电抗 ）ｄ 【 以及转差率 ｓ有关 ，ｄ越大 ， 越 Ｘ ｓ 系统静态稳定破坏， 保证连续供电 ， 才允许发电机 ２ ．无功功率表指示负值 ，功率 因数表指示 小 ， ．４ １ 所需的无功功率也越小。汽轮发电机的） 较 （ ｄ 作短时过负荷运行。 进相， 发电机母线电压表指示值下降并摆动 ； 大， ｇ／ ， Ｓ Ｊ 所需无功功率也较小 ， ， 网络电压降低不 ２ 电机的异 步运行 发 ２ ．转子各部分温度升高。 ． １ ５ 多。 以 所 汽轮发电机 短时间异步运行是允许的， 可 同步发电机进入异步运行状态的原因很多 ， ２ ２发电机失磁后的异步运行 过 程 输出的有功功率大， 转差率甚小 ， 电压降『 眭 慢 ， 氐 小 常见的有 ： 励磁系统故障 ， 误投发电机灭磁开关而 发电机失去励磁后， 其电磁功率减小， 在转子 不会出现转子 损耗过大而使电机受到损伤的现象。 失去励磁， 短路故障使发电机失步等等。下面仅就 上出现转矩不平衡状况 ， 过剩的机械转矩 ， 驱使同 当励磁恢复后， 电磁转矩又将汽轮发电机平稳地拉 发电机失去励磁后的异步运行状态作简要介绍。 步发电机加速， 转子披加速后 ， 超出同步转速运行。 人同步。 但是 ， 长时间的异步运行也是不允许的， 因 现代超型汽轮发电机无励磁运行问题 ，已引 这 个过 程通 常要经 过 ２ ｓ以致最后 失去 同步。 ～６， 会为引起发电机和铁巷 过热， 转子绕组也由于 起 国内外 电力 工作 者 的重视 ，并 进 行 了大量 的试 当发 电机 超出 同步转 速运 行 时 ，发 电机 转子 感应电流产生相当多的热量 ，引起发热和损伤， 所 验、 研究工作。 目前研究结果表明， 发电机失去励磁 和定子 旋转 磁场之 间有 了相 对运 动 ， 是在转 子励 以汽轮发电机的异步运行受到时间限制， ９规定 于 —ｊ 殳 后，如将有功负荷迅速减少到额定功率的４ ％ ～ 磁绕组、 ０ 阻尼绕组以及转子的齿与槽楔中， 将分别 汽 轮发 电机的异 步运行 时为 １～ ０ ｎ不宜 过长。 ５ ３ ｍｉ， ５ ％， ０ 就有可能在低转差率下进 入异步运行。这种 感应出频率为转差频率的交流电流， 这些电流产生 水轮发电机和汽轮发 电机不同，平均异步转 异步运行受到时间的限制，在所限定的时间内， 运 制动的异步转矩，发电机开始向系统输送有功功 矩特性较差 ， 变化很大时 ， 当ｓ 平均异步转矩变化 行人员可设法找出故障并尽快排除 ， 使发电机通过 率。 转速的升高一直继续到发电机出 现的制动异步 不大 ， 最大平均异步转矩也 于 小 失磁前的原动机转 适当的方式再同步， 恢复正常运行。 转矩和原动机的输 入转矩相等为止。实际上， 这时 矩 Ｍｙ； ｏ因而只能在滑差相当大时才能达到稳定运 失磁的发电机在一定的时间内能够以异步状 发 电机处 于异 步运 行 状态 。 １ 示为 发电机 的平 图 所 Ａ、 ， ２Ａ３ 如图 １ 所示。在这样大的 Ｓ 下运行， 转 态运行 ， 并继续向系统输送有功功率 ， 这也是提高 均异步转矩特性曲线， 图中的曲线 ４表示原动机的 子有过热 的危险， 所以—舟 允许的。 除此之外 ， 电力 系统安 全 、 运行 的重 要措 施 ， 稳定 目前 许多 国 转矩特性， 随着转速的升高 ， 即转差率增大， 将引起 水轮发电机的同步电抗 ） 较小 ， 【 ｄ 异步运行时定子 家都已采用这—措施。在前苏联 ， 对于间接冷却的 调速器动作， 关小汽门（ 或导水翼） ， 减少进汽（ 或进 电流很大， 所以也应限制其异步运行。当水轮发电 ５万 ｋ 及 以下 的发电 机 ， 许 异 步运 行 的时 间约 水 ） ， Ｗ 允 量 减小 原动 机 的输入 转矩 ， 因此原 动机 的输入 机失去励磁后， 特别是无阳尼绕组的水轮发电机。 为 ３ｍｉ；对于直接冷却 的 ５～ Ｏ万 ｋ 的发电 转矩 即 由 Ｍ 下降 ， 证异步运 行的发 电机 的转速 ０ ｎ ３ Ｗ 。 保 转速迅速增加， 负荷减小到接近于零， 所以必 机， 在负荷不超过额定功率的 ４ ％时， ０ 允许异步运 不会无限升高。 曲线 ４与汽轮发电机的平均异步转 须将它从电网中切除。对有阻尼绕组的水轮发电 行的时间为 １ｍｉ。在美 国， ５ ｎ 高于同步转速的允许 矩特性曲线 １ 相交于 Ａ 点，与有阻尼绕组水轮发 机 ， 情况略好—些， 但—般约在滑差为 ３ ５ ％～ ％时。 运行时间一般为 ２ ３ ｉ － ｍ ｎ 国近几年在 １ 、 ５ 电机的平均异步转矩特眭曲线 ２相交于 Ａ： 与 才出现转矩 的 。我 ０１ 、 ２ 点， 平衡圜 Ｉ 中的 Ａ 点） ２ ， 对阻尼绕组有 ２ Ｏ万 ｋ 的发 电机组 Ｅ 已进 行 了失磁 后异 步运 无阻尼绕组水轮发电机的平均异步转矩特性曲线 过热的危险， Ｗ 均 所以一般只允许运行很短的时间偿 勺 行自试验、 奇 研究工作 ， 并取得—定的成果。 ３ 相交于 Ａ］ ， 点 这些点为转矩平衡点 ， 即平均异步 儿 ， 必须设法迅速恢复励磁或切除发电机。 众所周知 ， 在电力系统中， 即使允许大型发电 转矩相平衡的点， 此时出现了新 的平衡状态 ， 转速 机组异步运行十几分钟 ， 甚至几分钟 ， 都是很难得 不再升高 ，发电机在某—转差率下维持稳定运行 ， 的。 故称这种运行状态为稳态异步运行。Ａ１ ２Ａ 称 、 、３ Ａ 允许发电机失磁异步运行 的时间和输送功 为稳态异步运行点 ， 很明显 ， 这些点决定 了稳态异 率 ， 到多种 因素 的制 约。 先 ， 到定 子和转 子发 运 行时 ， 受 首 受 发电机输 出有 功功 率的大小 和运行 的转差 热的限制； 其次 ， 由于转子的电磁不对称所产生的 率 责任编辑： 袁依凡
同步发电机有哪几种非正常运行状态？
同步国产小型发电机有哪几种非正常运行状态
同步国产小型发电机的非正常运行属于只允许短时运行的工作状态，最常见的非正常工作状态有过负荷、异步运行、不对称运行、失磁运行等，此时发电机的部分参量可能出现
异常。
同步国产小型发电机异步运行时的特点是什么？发电机的异步运行指发电机失去励磁后进入稳态的异步运行状态。
发电机失磁时，励磁电流逐渐衰减为零，发电机电动势相应减小，输出有功功率随之下降，原动机输入的拖动转矩大于发电机输出的制动转矩，转子转速增加，功角逐步增大，这时定子的同步旋转磁场与转子的转速之间出现滑差。
定子电流与转子电流相互作用产生异步转矩。
与此对应，定转子之间由电磁感应传送的功率称为异步功率，随功角的增大而增大；同时原动机输入功率随功角增大而减小，当两者相等时，发电机进入稳定异步运行状态。
发电机的异常运行原因和处理措施
发电机的异常运行原因和处理措施发布时间：2023-03-08T02:02:07.234Z 来源：《福光技术》2023年3期作者：付旭峰[导读] 发电机有两类，即同步发电机和异步发电机。
目前应用最广的是双馈异步发电机（DFIG）异步发电机的转速仅在系统频率附近运转，而DFIG则是利用变频调速装置，使风机在不同的转速下能够实现恒频发电。
松花江水力发电有限公司吉林丰满发电厂吉林吉林 132108摘要：发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，借助柴油机、汽轮机、水轮机等机械驱动装置，将燃料、气流、水流产生的能量转化成机械能，传递到发电机装置中并生成电能，对电力设备进行供电。
发电机装置作为持续性消耗设施，内部组件、操作系统等，在长时间运行模式下，将产生严重的破损问题，令发电机面临运行失效的严重问题。
针对此，应结合发电机内部组成的运行特征，深度分析发电机异常运行现象及故障，并作出相应补救措施，提高发电机装置运行的可靠性。
关键词：发电机；异常运行；原因；处理措施1发电机故障特征分析发电机有两类，即同步发电机和异步发电机。
目前应用最广的是双馈异步发电机（DFIG）异步发电机的转速仅在系统频率附近运转，而DFIG则是利用变频调速装置，使风机在不同的转速下能够实现恒频发电。
电机振动、过热、绕组故障、机械故障等是发电机故障的常见故障。
在双馈异步发电机中，换流器是关键元件。
它的功能是把AC变DC，然后再把DC变成AC。
该方法可以实现双馈感应风电机组在功率利用率最高的情况下进行异步工作。
针对发电机在恶劣的工作环境和复杂的系统中极易发生设备失效、甚至发生事故的原因，通过对相关文献的分析，得出其故障特征主要有：（1）区域性：发电机具有高度的复杂性，所涉及的系统种类繁多，其故障特征也各不相同。
这些故障因其所处的系统区域、原因和处理方式各有差异，表现出了很大的区域性特征，对维护人员的技术和经验提出了更高的要求。
（2）关联性：发电机系统的各个子系统运行过程中也存在着很强的关联性，生产过程中需要各系统的共同配合完成。
同步发电机的异常运行和瞬态短路
02 同步发电机的异常运行
异常运行的分类
01
02
03
04
机械异常
包括转子、定子等机械部件的 故障，如轴承磨损、转子不平
衡等。
电气异常
涉及到发电机绕组、励磁系统 、绝缘等电气部分的故障，如
匝间短路、相间短路等。
热异常
发电机过热、冷却系统故障等 引起的温度异常升高。
预防措施
定期检查和维护
对同步发电机进行定期检查，包 括机械部件、电气系统和冷却系
统等，确保其正常运行。
安装保护装置
在同步发电机上安装过载保护、 短路保护、欠压保护等保护装置， 以防止异常运行和瞬态短路的发
生。
监控运行状态
通过监控系统实时监测同步发电 机的运行状态，包括电压、电流、 功率因数、温度等参数，及时发
瞬态短路的原因
绝缘损坏
长期运行过程中，同步发电机的 绝缘材料可能受到高温、机械应 力、化学腐蚀等因素的影响，导
致绝缘性能下降，引发短路。
金属异物
在制造、安装或维护过程中，可能 有一些金属异物遗留在同步发电机 内部，如焊渣、铁屑等，这些异物 可能导致短路。
匝间短路
由于制造工艺或材料缺陷，同步发 电机的定子或转子绕组可能存在匝 间短路，导致电流异常流动。
案例一
• 某电厂的#1机组为200MW的汽轮发电机，在某次正常停机 检修后，发电机的励磁调节器突然出现故障，导致励磁电流 波动，发电机组无法稳定运行。经过检查，发现励磁调节器 中的可控硅击穿，导致励磁电流波动。为了解决这一问题， 技术人员对可控硅进行了更换，并对励磁调节器进行了全面 检查和测试。最终，发电机组恢复了正常运行。
出现异常。
同步发电机的非正常运行
电压异常的原因及影响
原因
无功功率不平衡、励磁系统故障、变 压器故障等。
影响
设备无法正常运行，可能导致设备损 坏；影响用户正常用电，如灯光闪烁 、电机转速不稳；长期低电压可能导 致电机过热。
频率异常的原因及影响
原因
发电机或电网负荷突然变化、大容量 电机启动、系统故障等。
影响
影响电机和变压器的正常运行，可能 导致设备损坏；影响用户正常用电， 如灯光闪烁、空调运行不正常；频率 过低可能导致电动机转速下降。
温度异常的原因及影响
原因
过载、冷却系统故障、轴承损坏等。
影响
加速设备老化，缩短使用寿命；可能引发火 灾等安全事故；导致发电效率降低。
振动和噪声的原因及影响
要点一
原因
机械不平衡、转子松动、轴承损坏等。
要点二
影响
加速设备磨损和疲劳破坏；影响操作人员的健康；可能引 发其他故障或事故。
04
CHAPTER
振动和噪声可能是由于发电机内部不平衡 、机械松动、润滑系统故障或励磁系统问 题引起。长期振动可能导致机械磨损和疲 劳断裂，而噪声则可能对周围环境和工作 人员的健康产生负面影响。
03
CHAPTER
非正常运行的原因及影响
突然短路的原因及影响
原因
外部电路故障、绝缘损坏、误操 作等。
影响
产生大电流，导致设备严重发热 和机械损伤；电压突降，影响电 网稳定；可能引发连锁反应，导 致大面积停电。
非正常运行的处理方法
突然短路的处理方法
总结词
迅速切断电源
详细描述
当同步发电机发生突然短路时，应立即切断 电源，以防止短路电流对设备造成进一步损 坏。同时，应立即检查短路原因并进行修复
同步发电机的运行PPT课件
发电机容许运行范围取决于四个条件： 1、原动机额定功率大于或等于发电机额定功率 2、定子发热决定发电机额定容量 3、转子发热决定发电机磁场和励磁机的最大励磁电流 4、进相运行时发电机有功输出受到静态稳定限制
.
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发电机的容许运行范围
原动机额定出力限制
定子电流限制
静
转子电流限制
态
稳
定
定子额定电流
2）励磁绕组：缠绕在转子磁 极铁心上，通入直流电流， 产生励磁磁场。
（3）气隙：定子与转子之间的空隙
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电动势的生成原理
（1）感应电动势
1）感应电动势的产生：励磁磁场随 转子旋转，切割定子绕组
2）感应电动势的频率： f p n 60
3）感应电动势的波形：正弦变化
4）感应电动势的对称性：三相绕组 在空间上相差120度，感应电动势相 位互差120度
过励磁运行的特性
.
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一、同步发电机的基本知识
1、同步发电机的类型
按原动 机分类
汽轮发电机
水轮发电机 燃气轮发电机 柴油发电机
按冷却介 质分类
空气冷却 氢气冷却 水冷却
按主轴 安装方 式分类
.
卧式安装 立式安装
按主体结 构分类
旋转电枢式 旋转磁极式
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2、同步发电机的原理性结构
（1）定子：定子铁心 + 定子绕组
转子机械强度限制 发电机效率下降
发电机各部分温度升高 汽轮机叶片易损坏
发电机容许在不 同于额定功率因
数运行
.
高于额定值 定子电流不超过容许值
低于额定值 转子电流不超过容许值
进相运行
满足稳定极限
同步发电机的非正常运行基础知识讲解
E
A
I
A
R
jI
A
X
1
U
A
I
A
Z1
EA
U
A
2.负序分量
发电机没有反转的励磁磁通，定子绕组中不会
感应负序电势，E
A
0。
负序电流作用下产生漏磁通及气隙磁通，与相
对应的漏电抗及负序电枢反应磁通对应的电抗之
和为负序电抗
X
，A相定子回路负序电压方程式
2
为：
I
A
R
jI
A
X
2
U
A
I
A
Z2
U
A
EA
I
A
Z1
EA
I
A
R
jI
A
X
1
U
A
I
A
Z
2
I
A
R
j
I
A
X
2
U
0 A
I
0 A
Z
0
I
0 A
R
jI
0 A
X
0
因为
I
0 A
0
，所以 U A
0
出由以上方程可解：I
A
I
A
EA Z1 Z2
U
A
U
A
I
A
Z
2
I
A
Z
2
实际的各相电压、电流值：
IA
I
A
I
A
I
0 A
IB
IC
a
2
I
A
aI
A
I
0 A
(a2
a)
第十七章--同步发电机的非正常运行
合闸后电流有两个分量
强制分量
i(1)
U r
自由分量
i(2) (t)
U r
t
e
后者是无源分量，流过 电阻消耗能量后得不到 补充，要衰减。
衰减时间常数 L1
R
1 (1)
i1 (1)
E
R-L电路过渡过程的特点
1）电流的有源（强制）分量按照稳态分 析方法确定，从时刻t=0开始就存在。
2) 无电源支持的自由分量，其初始值与 有源（强制）分量在t=0时刻大小相等方 向相反，使线圈在合闸前后电流不发生 突变。
定子瞬态电流的表达式
得到直轴超瞬态电抗后，与稳态短路时 的情况相似，可以根据定子绕组的感应
电势 eA 与i~ A的关系，得到定子瞬态电流
的表达式
i~ A
2E Xd
sin(t
0
900
)
2E Xd
cos(t
0
)
定子瞬态电流周期分量的初始值
其初始值为 由此可以得到定子瞬态电流周期分量的初 始值
X ad
X f X Kd
电枢电流周期分量形成的旋 转磁场的磁路及对应的电抗
图中，X ad X, f 与 XK依次为同步电机的电枢 反应电抗、励磁绕组及直轴阻尼绕组漏 电抗。
a) b) 图20－16 电枢电流周期分量形成的旋 转磁场的磁路及对应的电抗
直轴超瞬态电抗
根据图20－16b)所示等效电路容易得到 直轴超瞬态电抗的表达式 由于励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗的 值都很小，所以直轴超瞬态电抗的标么 值一般只有0.1～0.15。 显然，如果没有阻尼绕组或阻尼绕组不 起作用，则等效电抗为 称直轴瞬态电抗，标么值0.2左右。
两个耦合线圈过渡过程的特点
发电机的异常运行及处理
一、发电机过负荷：1.现象：1)定子电流指示超过额定值2)有、无功表指示超过额定值2.原因：系统发生短路故障、发电机失步运行、成群电动机启动和强行励磁等情况下，发电机的定子或转子都可能短时过负荷。
3.处理方法：1)系统故障，监视发电机各部分温度不超限，定子电流为额定值。
2)系统无故障，单机过负荷，系统电压正常：A.减少无功，使定子电流降到额定值以内，但功率因数不超过0.95，定子电压不低于0.95倍额定电压。
留意定子电流达到答应值所经过的时间，不答应超过规定值。
B.若减少无功不能满足要求，则请示值长降低有功。
C.若AC励磁调节器通道故障引起定子过负荷，应将AC调节器切至DC调节器运行。
D.加强对发电机端部、滑环和整流子的检查。
如有可能加强冷却：降低发电机进口风温，发电机、变压器组增开油泵、风扇等。
E.过负荷运行时，应密切监视定子线圈，空冷器前后的冷、热风温度、机组振动摆度，不准超过答应值，并作好具体的记录。
二、发电机三相电流不平衡：1.现象：1)定子三相电流指示互不相等，三相电流差较大，负序电流指示值也增大。
2)当不平衡超限且超过规定运行时间时，负序信号装置发“发电机不对称过负荷”信号。
3)造成转子的振动和发热。
2.原因：1)发电机及其回路一相断开或断路器一相接触不良。
2)某条送电线路非全相运行。
3)系统单相负荷过大：如有容量巨大的单相负载。
4)定子电流表或表计回路故障也回使定子三相电流表指示不对称。
3.处理方法：当发电机三相电流不平衡超限运行时，若判明不是表计回路故障引起，应立即降低机组的负荷，使不平衡电流降到答应值以下，然后向系统调度汇报。
等三相电流平衡后，再根据调度命令增加机组负荷。
水轮发电机的三相电流之差，不得超过额定电流的20%，同时任何一相的电流，不得大于其额定值。
水轮发电机答应担负的负序电流，不得大于额定电流的12%。
三、发电机温度异常：1.现象：发电机绕组或铁心温度比正常值明显升高或超限，发电机各轴承温度比正常值明显升高或超限。
第17章 同步电机的非正常运行(不对称运行)
负序电流作用下产生漏磁通及气隙磁通， 与此相对应的漏电抗及负序电枢反应磁通对 应的电抗之和为负序电抗 ，X A相定子回路 2 负序电压方程式为：
I R jI X 2 U
A
A
A
Z2 IA
UA
3.零序分量 定子绕组中也不存在零序的空载电动 0 势，EA 0，零序电流作用下产生漏磁通， 与此对应的电抗为零序电抗 X 0 ，A相定子 回路电压方程式为：
汽轮发电机：X 2 0.15
X 2 0.40 没有阻尼绕组的水轮发电机：
有阻尼绕组的水轮发电机：X 2 0.25
3.零序电抗 三个相绕组的零序电流由于同相，就 不会产生基波电枢反应磁动势，因此也不 会产生电枢反应基波磁通。零序电抗只有
与漏磁通相对应的电抗。
说明：零序电抗不完全等于正序的漏电抗。 零序电抗 X 0 小于 X S ，即：X 0 X S
a IA a IB IC 1
2
IA 1 2 I a B IC a
参数系统中。
1 a a
2
1 1 1
I I I
A A 0 A
* 对称分量法应用的是叠加原理，只能用在线性
二、各相序的基本方程式和等效电路
1.正序分量
正序电动势就是正常的空载电动势，即：
E E 0 A ，所以正序电压方程式如下：
A
E I R jI X1 U
Z1 IA UA
A
A
A
A
EA
2.负序分量
发电机没有反转的励磁磁通，定子绕组 中不会感应负序电势， EA 0 。
I B I I I a I aI I I C I I I aI a I I
第17章同步发电机的非正常运行
X q Xd 2
X X X d
第十七章 同步发电机的非正常运行
3．零序电抗 零序电流流过定子绕组所遇到的电抗就是零序电抗。 三相零序电流同大小、同相位，建立三个脉动磁动势， 这三个脉动磁动势，大小相等、空间互差 120 电角度，合成为零。 故零序电流只产生漏磁通。
零序电抗很小： 0 X 0 X
抑制振荡方法：
在转子表面上装设阻尼绕组，相当于笼型转子，会产生异步转矩。 在振荡过程中， 当 n > n1 时，相当于异步发电机运行，异步转矩起制动作用，迫使转速下降；
当 n < n1 时，相当于异步电动机运行，异步转矩起驱动作用，迫使转速上升。
U U 0 U VW V W
0 I U I V I W I s
1 (I I 2I ) 1 ( 2 ) I j 1 I I U U V W s s 3 3 3 1 (I 2I I ) 1 ( 2 ) I j 1 I I U U V W s s 3 3 3 1 (I I I )0 I U0 U V W 3
各相序等效电路:
正 序
负 序
零 序
第十七章 同步发电机的非正常运行
§17.3几种不对称稳态短路分析 1. 单相稳态短路
0 U 设U相发生稳态短路， U I I U s 表示短路电流，侧 I s I V I W 0
电流的对称分量 各相序方程式
1 2I )1I I ( I I V W s U 3 U 3 1 1 2 I ( I I I ) Is U U V W 3 3 1 I )1I I ( I I V W s U0 3 U 3
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UA
2.负序分量
发电机没有反转的励磁磁通，定子绕组 0 。 中不会感应负序电势， A E
负序电流作用下产生漏磁通及气隙磁通， 与相对应的漏电抗及负序电枢反应磁通对应 的电抗之和为负序电抗 ，A相定子回路负 X2 序电压方程式为：
I R jI X 2 U
Xs
1 1 1 X ad X f
X2d
X ad
Xf
q轴负序电抗：
X 2q X s X aq
Xs
X2 q
X aq
负序电抗一般取d、q轴电抗算术平均值：
X2
X 2d X 2q 2
（2）转子上既有励磁绕组，又有阻尼绕组 d轴负序电抗：X 2 d
Xs
1 Xs 1 1 1 X ad X f X kd
EA 由等效电路可解： I A I A Z1 Z 2
U I Z I Z UA A A 2 A 2
0 因为 I A 0 ，所以 U 0 0 A
Z1
IA
EA
Z2
UA
IA
UA
（5）通过合成求解实际的各相（线）电压、 电流值
A A
A
I A Z2
UA
3.零序分量 定子绕组中也不存在零序的空载电动 0 势，EA 0 ，零序电流作用下产生漏磁通， 与此对应的电抗为零序电抗 X 0 ，A相定子 回路电压方程式为：
0 R jI 0 X U 0 I A A 0 A
0 Z 0 IA
1 3 a 是一个复数算子, a e j 2 2 相量乘以 a ，将使此相量往超前方向（逆 时针）旋转 1200
2 j 3
对称分量法就是把实际不对称的三相系统，分解 为正序、负序和零序三组对称的三相系统，把不对称 运行看成是分别在正序、负序和零序系统下三种对称 运行的叠加，实质上是一种线性变换。
I j 3 I IA A 3
A
IA
I j 3 I 结论：I A A 3 0 0 I
A
IB
IC
UB
UC
C
I
可见，此短路没有零序电流，正序电流 I A 和负序电流 I 大小相等，方向相反。
A
U B UC
不对称运行对同步发电机的影响
1、对同步发电机本身的影响 引起发电机转子过热； 产生附加转矩，引起转子振动； 2、对电力系统的影响 对用户的损害，特别是异步电动机负载； 对与输电线路平行的通讯线路的干扰；
3、阻尼绕组在发电机不对称运行时的作用 可以有效削弱负序磁场； 负序电抗的变小，使得不对称运行引起的电网 端电压不对称程度也减小。
0 IA IA IA IA 0 3E A I B I C a I aI I (a a ) I j Z1 Z 2 2EA Z 2 0 U A U A U A U A 2I A Z 2 Z1 Z 2 U a 2U aU U 0 (a 2 a )U U U
IA
IA IA I
C
0 IA
IA IA
0 IA
0 IB 0 IC
IC
0 IC
IC I
C
IB
IB
IB
IC
IB
IB
0 IB
若已知不对称量，可求出三组对称量：
1 ( I aI a 2 I ) IA A B C 3 1 ( I a 2 I aI ) IA A B C 3 0 1 ( I I I ) IA A B C 3
X 2d
X ad
Xf
X Kd
q轴负序电抗： X 2 q X s 1 1 X aq X kq Xs
X 2q
X aq
1
X Kq
负序电抗一般取d、q轴电抗算术平均值：
X2 X 2d X 2q 2
一般同步发电机负序电抗的标幺值约为：
汽轮发电机：X 2 0.15
X 没有阻尼绕组的水轮发电机： 2 0.40
IA
IB
IC
UB
UC
C
U B UC
I
（2）根据边界条件利用对称分量法求解电压、 电流的各相序分量
IA 0 I B IC I
0 1 ( I I I ) 0 IA A B C 3 1 ( I aI a 2 I ) 1 (a a 2 ) I j 3 I IA A B C 3 3 3 1 ( I a 2 I aI ) 1 (a 2 a ) I j 3 I IA A B C 3 3 3
2 A A 0 A 2 A B C A A A A A
EAZ 2 I Z2 Z1 Z 2
A
分析同步发电机负载不对称运行 时基本思路：
写出不对称 运行时的边 界条件
根据边界条件利用对称分 量法求电压电流的各相序 分量 利用各序电流和 电压的关系作出 统一等效电路 合成各序电压和电流 求出各相（线）实际 电压和电流 利用等效电 路求解各序 电压和电流
四、三相同步发电机相短路 不对称运行求解实例
例：已知发电机在短路时的一相空载电动势为 E A， 发电机的各相序阻抗也已知，求：相间短路后各相 电压、电流值。
A
求解思路和过程如下： （1）列出短路时电流和电压的初始 条件（边界条件） IA 0 I B IC I B
1 (U aU a 2U ) 1 (U aU a 2U ) UA A B C A B B 3 3 1 (U a 2U aU ) 1 (U a 2U aU ) UA A B C A B B 3 3 0 1 (U U U ) 1 (U 2U ) UA A B C A B 3 3
0 UA
三、各相序的阻抗 相序阻抗包括正序、负序和零序，它们 都是发电机的内阻抗，是电枢电流产生的电 阻压降和电抗压降与电枢电流的比值。 电抗压降包括漏电抗以及电枢反应电抗 压降两部分。 1.正序阻抗 对称运行时，同步电机的同步电抗 X c 就是正序电抗 X 1 ，X1 X c X a X s
* 对称分量法应用的是叠加原理，只能用在线性
参数系统中。
二、各相序的基本方程式和等效电路
1.正序分量
正序电动势就是正常的空载电动势，即： E ，所以正序电压方程式下： EA 0 A
I R jI X U E A A A 1 A
I A Z1
有阻尼绕组的水轮发电机：X 2 0.25
3.零序电抗 三个相绕组的零序电流由于同相， 就不会产生基波电枢磁动势，因此零序电 流不会产生电枢反应基波磁动势和相应的
磁通。零序电抗只有与漏磁通相对应的电
抗。
说明：但是零序电抗不完全等于正序的漏电 抗。零序电抗 X 0 小于 X S ，即：X 0 X S
U 结论： U A A
（3）利用求解得到的各序电流和电压的关系作 出同步发电机相间短路时的等效电路
I j 3 I IA A 3
0 IA 0
U UA A
Z1
IA
EA
Z2
UA
IA
UA
（4）利用等效电路求解各序电压和电流
2.负序电抗 负序电枢反应磁通顺时针旋转，与转子 转向相反，在转子绕组中感应出 f 100 Hz 的感应电动势。转子上的阻尼绕组自身短路， 励磁绕组通过直流电源短路，感应电动势在 两绕组中均产生电流，也就存在电抗。
（1）转子只有励磁绕组，没有阻尼绕组 d轴负序电抗：X 2 d X s
第十七章
同步发电机的非正常运行
第一节 不对称稳态运行
本节的要点：
1、掌握对称分量法。 2、掌握同步发电机各种相序电抗的物理概念。 3、应用对称分量法来分析各种不对称的稳态短路。 4、了解不对称运行对同步电机的影响。
一、对称分量法
I I I0 I A A A A I I I 0 a 2 I aI I 0 I B B B B A A A I I I 0 aI a 2 I I 0 I C C C C A A A