14章 同步发电机的异常运行和瞬态短路 课后答案
电机学 第14章 同步发电机的运行特性
E 0 jIk X d
Id Ik, Iq 0
E0jIdXdjIqXq jIk X d
F ad F
Ik
直轴同步电抗
F f1
Xd (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
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例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，UN=10.5kV，cosN (滞后) ，空载、短路试验数据如下： （1）空载特性（E0为线电动势）
100
150
200
250
E0 / V 3460
6300
7250
7870
8370
Ik /A
180
360
540
720
900
解：当励磁电流if =250A时，由气隙线可查得空载线电动势为
E0
if i f
E 0
25034608398(V) 103
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为
Xd 的不饱和值为
电机学 第14章 同步发电机的运 行特性
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第十四章 同步发电机的运行特性
基本要求： 同步发电机的空载特性、短路特性、零功率因数负载特性的定义及各特性曲线的特点 空载特性、短路特性测量同步电抗的方法 空载特性、零功率因数负载特性测量定子漏电抗的方法
同步发电机的外特性和调整特性
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Ff
Ff
原因：零功率因数负载时，主极漏磁通较大，磁极饱和程度较空载时高，主磁路的磁阻变大，因此同样的气隙合成磁动势 产生的气隙磁通和气隙电动势时较空载时略有减小。
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14-3 同步发电机的外特性和调整特性
同步发电机的暂态过程及异常运行
第10章 同步发电机的暂态过程及异常运行
图10-6 三相突然短路后励磁电流的波形
第10章 同步发电机的暂态过程及异常运行
励磁电流的周期分量if~将在转子上产生一个脉振磁动势，将 此磁动势分解成两个幅值相等、转向相反的旋转磁动势，再考虑 到转子本身的转速，则反向磁动势将在空间静止不动，正向磁动 势将以两倍同步转速在空间旋转，后者将在定子三相绕组内感应 出一组二次谐波短路电流。
励磁绕组内将感应出一个基波频率的周期分量if~。在t=0+时，该 周期分量if~的值恰好与Δif=的值相等，相反，以满足励磁电流不 能跃变的换路条件。随着时间的推移， if~将和感生它的定子非周 期分量一起以时间常数T衰减。
图10-6表示突然短路后整个励磁电流的波形，图中1表示If0， 2表示考虑了Δif=，3表示再加上if~后的波形。
的电抗远大于电阻，短路时电枢电路接近于纯电感性，因此此时
的电枢反应基本为纯直轴去磁性的电枢反应。
稳态短路时，电枢磁动势是一个恒幅、同步旋转的旋转磁动
势，与转子相对静止，转子中没有感应电流。突然短路时，突然
出现的直轴去磁性电枢反应将在励磁绕组内产生感应电流Δif=。 根据换路定律，在短路初瞬，励磁绕组的磁链不能跃变，所以由
所以严格地说，定子短路电流一般应为周期分量、非周期分 量和二次谐波等三个分量之和。
第10章 同步发电机的暂态过程及异常运行
10.1.3 突然短路电流对电机的影响 突然短路所引起的各种不良影响主要是由于短路初瞬过大的
冲击电流所引起的。过大的电流流过电枢绕组，将使绕组电阻ra 上的功率损耗大幅度增加。但由于冲击电流仅在几秒钟内就衰减 为稳态短路电流，而一般同步发电机其稳态短路电流往往还不及 额定电流大，因此在此极短促的时间内，突然短路所产生的热能， 对电机温度的升高几乎不会有所影响。
同步电机课后习题参考答案
同步电机课后习题参考答案同步电机课后练习的参考答案14-1水轮发电机和汽轮发电机结构上有什么不同，各有什么特点？14-2为什么同步电机的气隙比同容量的异步电机要大一些？14-3同步电机和异步电机在结构上有哪些异同之处？14-4为什么同步发电机的转速必须恒定？以150 R/min的速度连接到50 Hz电网的水轮发电机的极数是多少？14-5一台三相同步发电机sn=10kva，cosφn=0.8（滞后），un=400v，试求其额定电流in和额定运行时的发出的有功功率pn和无功功率qn。
14-6同步电机在对称负载下稳定运行时，电枢电流产生的磁场是否与励磁绕组的匝链匹配？它是否在励磁绕组中感应电势？14-7同步发电机的气隙磁场在空载状态是如何激励的，在负载状态是如何激励的？14-8隐极同步电机的电枢反应电抗与与异步电机的什么电抗具有相同的物理意义？14-9同步发电机电枢反应的性质取决于什么？交轴和直轴电枢反应对同步发电机的磁场有什么影响？答案：14-32p=4014-4in=14.43a，pn=8kw，qn=6kvar1/9同步电机课后练习的参考答案15-1同步电抗的物理意义是什么？为什么说同步电抗是与三相有关的电抗，而它的值又是每相的值？15-2分析了以下条件对同步电抗的影响：（1）铁芯饱和程度增加；（2）气隙增大；（3）电枢绕组匝数增加；（4）励磁绕组的匝数增加。
?15-9(1)e0=2.236，(2)i?=0.78（补充条件：ｘ*s非=1.8）??15-10(1)e0=1.771,e0=10.74kv，??18.4?15-11e0?2.2846,e0?13.85kv，??32.6315-12e0？12534.88v？？57.42，身份证？387.61a，智商？247.7a16-1为什么同步发电机的稳态短路电流不大，短路特性为何是一直线？如果将电机的转速降到0.5n1则短路特性，测量结果有何变化？16-2什么是短路率？与之相关的因素有哪些？16-3已知同步发电机的空载和短路特性，试画图说明求取ｘd非和kc的方法。
电机学第14章同步发电机的异常运行和突然短路
第14章同步发电机的异常运行和突然短路14.1同步发电机不对称运行对电机有哪些影响？主要是什么原因造成的？答：（1）引起转子表面发热。
这是由于负序电流所产生的反向旋转磁场以二倍同步转速截切转子，在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面及转子的其它金属结构部件中均会感应出倍频电流，因此在励磁绕组、阻尼绕组中将产生额外铜损耗，转子铁心中感应涡流引起附加损耗。
（2）引起发电机振动。
由于负序旋转磁场以二倍同步转速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电磁转矩，这种转矩作用在定子、转子铁心和机座上，使其产生100 Hz的振动。
可以看出，这些不良影响主要是负序磁场产生的，为了减小负序磁场的影响，常用的方法是在发电机转子上装设阻尼绕组以削弱负序磁场的作用，从而提高发电机承受不对称负载的能力。
14.2为什么变压器中X（=X_?而同步电机中X.・X_?答：由于变压器是静止电器，正序电流建立的正序磁场与负序电流建立的负序磁场所对应的磁路是完全相同的，所以X：F X _。
而在同步电机中，正序电流建立的正序磁场是正转旋转磁场，它与转子无相对运动，因此正序电抗就是发电机的同步电抗，它相当于异步电机的励磁电抗；而负序磁场是反转旋转磁场，它以二倍同步速切割转子上的所有绕组（励磁绕组、阻尼绕组等），在转子绕组中感应出二倍基频的电动势和电流，这相当于一台异步电机运行于转差率s=2的制动状态。
根据异步电动机的磁动势平衡关系，转子主磁通对定子负序磁场起削弱作用，因此负序电抗就小于励磁电抗，所以在同步电机中X X _。
14.3试分析发电机失磁运行时，转子励磁绕组中感应电流产生的磁场是什么性质的？它与定子旋转磁场相互作用产生的转矩是交变的还是恒定的？答：发电机失磁运行时，转子转速n略大于定子磁场转速n1，同步发电机转入异步发电运行状态，其转差率S ：：：0 ,此时定子旋转磁场在励磁绕组中感应出频率为f2= sf1的交变电动势和交变电流，由于转子励磁绕组为单相绕组，因此励磁绕组将产生一个以f2频率交变的脉动磁场。
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。
同步电机习题和答案解析
同步电机习题与答案6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后]6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？[答案见后]6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？[答案见后]6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗Xad大于交轴电枢反应电抗Xaq？[答案见后]6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95nN，对试验结果有什么影响？[答案见后]6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当Ik =IN时的励磁电流Ifk和额定负载时的励磁电流IfN 都已达到空载特性的饱和段，为什么前者Xd取不饱和值而后者取饱和值？为什么Xq一般总是采用不饱和值？[答案见后]6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？[答案见后]6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？[答案见后]6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？[答案见后]6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。
[答案见后]6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？[答案见后]6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？[答案见后]6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式[答案见后]6.14 试述直流同步电抗Xd 、直轴瞬变电抗X´d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？[答案见后]6.15 有一台三相汽轮发电机，PN ＝25000kW，UN＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。
同步电机5-同步发电机的异常运行
20-2 稳态不对称短路分析
✓用对称分量法分析同步发电机不对称短路是很方便的。不对称短路是不对称运行的特殊情况。 电力系统遇到的故障短路通常是不对称短路，例如线对线短路或线对中点短路。 ✓故障短路将会出现很大的冲击电流,不过冲击电流的持续时间是很短暂的,这一过程属于瞬变过 程。瞬变过程完毕后就进入稳态短路。本节只讨论稳态不对称短路问题。 ✓同步电机不对称短路的情况有多种。本节以两个典型的例子说明分析该类问题的方法。在下 面所举的例子中假设短路发生在发电机机端,而且短路前发电机为空载运行。
✓ 每相都可以列出三个相序的电势平衡方程、画出等效电路。应该注意到，励磁电势只在正 序的电势平衡方程中出现。 ✓各相序电流流过电枢绕组时的电枢反应情况，反映在等值电路和方程式中是各相序电流遇 到不同的阻抗。 ✓设各相序电流遇到的阻抗分别为：正序阻抗为Z+,负序阻抗为Z-,零序阻抗为Z0。以A相为例， 各相序的电势平衡方程式为：
0 sin0
Ui
0 sin 0
0 sin t 0
✓ 突然短路后，绕组反应磁链 yUi 包含两个分量，对应的电流也包含两个分量,交变分量和直 流分量大小相等，方向相反。
Ui
0 sin 0
0 sin t 0
iU
iU～
超瞬变过程中，电流幅值为 Im
2E0 x "d
交变分量 iU ~
I "m sin t 0
✓ 本课题将重点分析突然短路时电机内部的物理过程。假设： （1）突然短路后，发电机的转速以及励磁电流保持不变； （2）突然短路前，发电机空载运行，以及突然短路发生在电机出线端； （3）发电机磁路不饱和，分析时可用叠加原理。
一、什么是超导闭合回路的磁链守恒原理？
✓ 超导闭合回路的磁链发生变化时，将会超导闭合回路中感应一个电流，该电流将产 生一个磁链，该磁链正好完全补偿超导闭合回路中磁链的变化，使得回路中总磁链保 持不变。 ✓ 闭合S的瞬间，线圈中磁链将发生变化，但磁链变化立即引起一个感应电流，电流 将产生一个反抗磁链，完全抵消原来磁链的变化。
《同步发电机的自动并列》练习参考答案
第二章《同步发电机的自动并列》练习参考答案(共8页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第二章 《同步发电机的自动并列》练习参考答案一、名词解释1．并列操作答：将发电机并入电力系统参加并列运行的操作。
2．准同步并列答：发电机在并列合闸前已加励磁，当发电机电压的幅值、频率、相位分别与并列点系统侧电压的幅值、频率、相位接近相等时，将发电机断路器合闸，完成并列操作。
3．自同步并列答：将未加励磁、接近同步转速的发电机投入系统，随后给发电机加上励磁，在原动转矩、同步力矩作用下将发电机拉人同步，完成并列操作。
4．同步点答：可以进行并列操作的断路器。
5．滑差、滑差频率、滑差周期答：滑差：并列断路器两侧发电机电压电角速度与系统电压电角速度之差，用S ω表示，即X G s ωωω-=；滑差频率：并列断路器两侧发电机电压频率与系统电压频率之差，用f s 表示，即X G s f f f -=；滑差周期：并列断路器两侧发电机电压与系统电压之间相角差变化3600所用的时间。
6．越前时间、恒定越前时间、恒定越前时间自动准同步装置答：越前时间：相对于︒=0δ提前(越前)的时间；恒定越前时间：相对于︒=0δ提前(越前)的时间，且这一时间不随频差(或滑差)、压差变化；恒定越前时间自动准同步装置：由恒定越前时间脉冲发出合闸脉冲命令的自动准同步装置。
7．越前相角、恒定越前相角、恒定越前相角式自动准同步装置答：越前相角：相对于︒=0δ提前(越前)的相角；恒定越前相角：相对于︒=0δ提前(越前)的相角，且这一相角不随频差(或滑差)、压差变化；恒定越前相角自动准同步装置：由恒定越前相角脉冲发出合闸脉冲命令的自动准同步装置。
8．整步电压、正弦整步电压、线性整步电压答：整步电压：包含同步条件信息的电压；正弦整步电压：与时间具有正弦函数关系的整步电压，表达式2tsin 2s m zb ωU u =线性整步电压：与时间具有线性函数关系的整步电压，表达式⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<<⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-<<=S s s s T t T T t u T t t T u u 21220 2max zb,s max zb,zb 二、单项选择题1．准同步并列的方法是，发电机并列合闸前( C )，当( )时，将发电机断路器合闸，完成并列操作。
(完整版)发电机及电动机合答案
6.1交流绕组的基本知识答案1、2、6 2 3、4、1 0.966 5、（B）6、27、0.866 0.9668、（B）6.2交流绕组的电动势答案1、频率一条支路线圈的匝数N 绕组系数每极下的磁通2、使气隙磁密在空间尽可能按正弦波分布三相绕组接成Y接线采用短距绕组采用分布绕组3、 Y接线4、（D）5、答：同步发电机无论采用星形接线还是角形接线都能改善线电动势的波形，而问题是采用角形接线后，角形接线的三相绕组中有3及3的奇次倍谐波环流，增大附加损耗，会使电机效率下降，温度升高，故同步发电机一般不用角形接线来改善电动势波形；而变压器只有采用角形接线来改善电动势波形。
6.3交流绕组的基波磁动势答案1、脉动相绕组的轴线上2、脉动磁动势幅值的一半相反同相3、答：一相绕组短线：为旋转磁动势；一相电源短线：为脉动磁动势。
4、答：一相绕组短线或一相电源短线均为脉动磁动势。
5、答：短距系数分布系数故短距线匝电动势=分布绕组电动势=因为，，故短距绕组电动势或分布绕组电动势等于整距线匝电动势或集中绕组电动势打了一个折扣，故它们的物理意义实为一个折扣系数。
构成整距线匝的两槽导体电动势在时间相位上互差（反相），故其电动势为两槽导体电动势的代数和，而构成短距线匝的两槽导体电动势的相位差小于，故短距线匝电动势为两槽导体电动势的相量和，由数学知识可知，相量和小于等于代数和，故K总是小于等于1。
同样构成集中绕组各线圈电动势同相（因集中在同一槽内），故集中绕组电动势为各线圈电动势的代数和，而构成分布绕组的各线圈电动势不同相（因分布于各槽内）故分布绕组电动势为各线圈电动势的几何和，因此 6、三相对称绕组通入三相对称电流 9000 W相绕组轴线上7、（C）8、答：合成磁动势为0（不存在幅值、转速、转向与正序的比较）支路电流极距每极每相槽数槽距角基波短距系数基波分布系数基波绕组系数每相串联匝数基波磁动势同步转速10、答：转速升高，为原来转速的倍，既，（1）频率，故频率增加1.02倍。
第14章 同步发电机的运行特性
特性三角形Δkmn
mn = kad Fad ∝ I km = IX s ∝ I
I不变时，Δkmn 不变
E0 U
Eδ q U
F
k
lo3 m
空载特性
k
l m IX s
kad Fad
零功率
n 因数特性
n
Ff
Ff ,if
结论：在零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性 三角形Δkmn，其垂直边为定子漏电抗压降，其水平边为与 电枢反应等效的励磁磁动势。
F&f 1
= jI&k X d
X d (不饱和值)
=
E0 Ik
E& 0 jI&k X d
F&δ
I&k F&ad
X d (不饱和值） =
E0 Ik
3）短路比
短路比是指同步发电机在空 E0
气隙线
载额定电压所对应的励磁电 Ek
流 if0 励 磁 下 ， 三 相 稳 态 短 路 时的短路电流IkN与额定电流 U N
转子励磁绕组开路
i f = 0 Ff = 0
E0 = 0
d轴
U& + I&R + jI&d Xd + jI&qXq = 0 2Umax
U& ≈ − jI&d Xd − jI&q Xq
2 I min
q轴
2U min
d轴
U
2 I max
I
n≠n1，定子旋转磁场的轴线交 替与转子的d轴和q轴重合。
转差试验时的电枢端 电压和电枢电流波形
•随着单机容量的增长，为了提高材料利用率，短路比的要求 值有所降低。对汽轮发电机，Kc=0.4~1.0；对水轮发电机， Kc=0.8~1.8。
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。
电力系统课后答案
习题和思考题3-1.什么叫短路？短路的类型有哪些？造成短路故障的原因有哪些？短路有哪些危害？短路电流计算的目的是什么？答：所谓短路，就是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间、相与地之间的短接等。
其特征就是短接前后两点的电位差会发生显著的变化。
在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路及单相接地短路。
三相短路称为对称短路，其余均称为不对称短路。
在供电系统实际运行中，发生单相接地短路的几率最大，发生三相对称短路的几率最小，但通常三相短路的短路电流最大，危害也最严重，所以短路电流计算的重点是三相短路电流计算。
供电系统发生短路的原因有：（1）电力系统中电气设备载流导体的绝缘损坏。
造成绝缘损坏的原因主要有设备长期运行绝缘自然老化、设备缺陷、设计安装有误、操作过电压以及绝缘受到机械损伤等。
（2）运行人员不遵守操作规程发生的误操作。
如带负荷拉、合隔离开关（内部仅有简单的灭弧装置或不含灭弧装置），检修后忘拆除地线合闸等；（3）自然灾害。
如雷电过电压击穿设备绝缘，大风、冰雪、地震造成线路倒杆以及鸟兽跨越在裸导体上引起短路等。
发生短路故障时，由于短路回路中的阻抗大大减小，短路电流与正常工作电流相比增加很大（通常是正常工作电流的十几倍到几十倍）。
同时，系统电压降低，离短路点越近电压降低越大，三相短路时，短路点的电压可能降低到零。
因此，短路将会造成严重危害。
（1）短路产生很大的热量，造成导体温度升高，将绝缘损坏；（2）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到变形或机械损坏；（3）短路使系统电压严重降低，电器设备正常工作受到破坏,例如,异步电动机的转矩与外施电压的平方成正比，当电压降低时，其转矩降低使转速减慢，造成电动机过热而烧坏；（4）短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便；（5）严重的短路影响电力系统运行稳定性，使并列的同步发电机失步，造成系统解列，甚至崩溃；（6）单相对地短路时，电流产生较强的不平衡磁场，对附近通信线路和弱电设备产生严重电磁干扰，影响其正常工作。
同步电机习题答案
同步电机填空题：同步电机_____________ 对 _____________ 的影响称为电枢反应。
同步发电机电枢反应的性质取决于 电枢磁动势；励磁磁动势；内功率因数角同步发电机当 =0°时，除产生 ________________________ 电枢反应外，还产生____________________________ 电枢反应。
交轴电枢反应；直轴去磁电枢反应利用同步发电机的 ______________ 和 ______________ 曲线可以测量同步发电机的同步电抗，利用 __________ _____ 和 ______________ 曲线可以测量同步发电机的定子漏电抗。
空载特性；短路特性；空载特性；零功率因数负载特性利用 __________ 可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。
转差法同步发电机与电网并联运行的条件是： （1） ____________________________________________ ；（2） ____________________________________________ ； （3） ___________________________________________ ； （4） __发电机的频率等于电网的频率； 发电机的电压幅值等于电网电压的幅值且波形一致； 发电机的电压相序与电网的电压相序相同；在合闸时，发电机的电压相位与电网电压的相位一样★同步电机的功率角 有双重物理含义，在时间上是 _____________ 和 ______ 之间的夹角；在空间上是和 ____________ 之间的夹角。
励磁电动势 E ；电压R ；励磁磁动势 F f 1 ；等效合成磁动势 F&同步发电机静态稳定的判据是 _____________ ，隐极同步发电机静态稳定极限对应的功率角 =____________________________________ 。
电机学第14章同步发电机的异常运行和突然短路
第14章 同步发电机的异常运行和突然短路14.1 同步发电机不对称运行对电机有哪些影响？主要是什么原因造成的？答：（1）引起转子表面发热。
这是由于负序电流所产生的反向旋转磁场以二倍同步转速截切转子，在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面及转子的其它金属结构部件中均会感应出倍频电流，因此在励磁绕组、阻尼绕组中将产生额外铜损耗，转子铁心中感应涡流引起附加损耗。
（2）引起发电机振动。
由于负序旋转磁场以二倍同步转速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电磁转矩，这种转矩作用在定子、转子铁心和机座上，使其产生Hz 100的振动。
可以看出，这些不良影响主要是负序磁场产生的，为了减小负序磁场的影响，常用的方法是在发电机转子上装设阻尼绕组以削弱负序磁场的作用，从而提高发电机承受不对称负载的能力。
14.2 为什么变压器中-+=X X ? 而同步电机中-+>X X ?答：由于变压器是静止电器，正序电流建立的正序磁场与负序电流建立的负序磁场所对应的磁路是完全相同的，所以-+=X X 。
而在同步电机中，正序电流建立的正序磁场是正转旋转磁场，它与转子无相对运动，因此正序电抗就是发电机的同步电抗，它相当于异步电机的励磁电抗；而负序磁场是反转旋转磁场，它以二倍同步速切割转子上的所有绕组（励磁绕组、阻尼绕组等），在转子绕组中感应出二倍基频的电动势和电流，这相当于一台异步电机运行于转差率2=s 的制动状态。
根据异步电动机的磁动势平衡关系，转子主磁通对定子负序磁场起削弱作用，因此负序电抗就小于励磁电抗，所以在同步电机中-+>X X 。
14.3 试分析发电机失磁运行时，转子励磁绕组中感应电流产生的磁场是什么性质的？它与定子旋转磁场相互作用产生的转矩是交变的还是恒定的？答：发电机失磁运行时，转子转速n 略大于定子磁场转速n 1 ，同步发电机转入异步发电运行状态，其转差率0<s ，此时定子旋转磁场在励磁绕组中感应出频率为12sf f =的交变电动势和交变电流，由于转子励磁绕组为单相绕组，因此励磁绕组将产生一个以2f 频率交变的脉动磁场。
14第14章 同步发电机的不对称运行和突然短路
=
1 3
(
I&U
+α
2 I&V
+ αI&W )
=
1 (α 3
2
−α )I&s
=
−
j
1 3
I&s
⎪ ⎬ ⎪
I&U0
=
1 3
(
I&U
+
I&V
+
I&W )
=
0
⎪ ⎪⎭
可见
I&U+ = −I&U− =
j
1 3
I&s
⎫ ⎪ ⎬
I&U0 = 0
⎪⎭
因零序电流为零，所以零序系统不予考虑。将电压分解为对称分量
(14.1.11) (14.1.12)
E&0 − − jI&U
jI&U + −X−
X
+
⎪⎫ ⎬ ⎪⎭
因为U& U+ = U& U− ， I&U+ = −I&U− ，所以
(14.1.13)
E&0 − jI&U + X + = jI&U + X −
E&0 = jI&U + ( X + + X − )
I&U + = −I&U − =
E& 0
=
⎫ ⎪ ⎬
U& VW = U& V −U&W = 0⎪⎭
(14.1.10)
图 14.1.4 同步发电机两相短路
根据对称分量法,将电流分解为对称分量，并根据式（14.1.10）得
14第14章 同步发电机的异常运行和瞬态短路
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；
第14章 同步发电机的异常运行和瞬态短路
[内容]
14.1 同步发电机的不对称运行 14.2 同步发电机的失磁运行 14.3 同步发电机的振荡 14.4 同步发电机的三相突然短路
第14章 同步发电机的异常运行和瞬态短路
[要求]
● 理解和掌握对称分量法的应用，
理解正序、负序和零序电抗的概念。
● 了解不对称运行对发电机的影响。 ● 了解失磁运行的物理过程及发电机的状态表现。 ● 理解发电机振荡的成因及现象。 ● 掌握发电机瞬态电抗的物理意义，
第14章 同步发电机的异常运行和瞬态短路
U U U U U U U U0
j1I (X X X ) 0 E 0 s 0 3
2. 两相稳态短路 设V、W短路，U相空载 单相稳态短路电流
3 E 0 I s j( X X X 0 )
E jI X U U 0 U 根据正、负序电路得 U U jI U X
U U V W
U U U U
U U U U I j 1 I I U s U 3
零序电抗很小： 0 X 0 X
第14章 同步发电机的异常运行和瞬态短路
二、各相序等效电路
励磁磁场在定子绕组中只感应正序电动势 E0 ， 忽略电阻，各相序电动势方程为（以U 相为例）
U jI X E 0 U U jI X 0 U U U 0 UU 0 jIU 0 X 0
第十八章 同步发电机的异常运行,第十九章 同步发电机三相突然短路
Electrical machinery principle
第十八章 同步发电机的异常运行
同步发电机正常运行时，各物理量不仅对称，而且是在额定 值范围内。其实这是一种理想化的假设，真正的电网运行实际上 存在着许多非稳态现象，如系统内接较大的单相负载，或由于雷 击、短路等事故，会使某些物理量的大小或超过额定值、或三相 严重不对称等，从而使电机在不对称状态下、无励磁状态下运行， 或发生振荡等异常运行现象或故障。
三、不对称运行对发电机及电力系统的影响 1. 稳态负序电流对发电机的副作用 (1)负序感应电流，产生附加的转子铜损耗；
(2)负序磁场引起转子表面的涡流损耗，产生附加表面损耗；
原因:当负序旋转磁场以两倍同步转速切割发电机转子时， 在转子铁心表面、槽楔、其他金属构件和转子绕组中感应出倍频 电流，倍频电流在感抗较小的转子表面流通，引起了额外损耗和 发热，同时还会使转子金属构件接触面如护环嵌装面、槽隙接缝 处、大齿表面等产生局部高温，严重者发生局部烧伤及腐蚀。如 果局部高温产生在护环部位时还可能导致护环松动的危险。所以， 负序磁场引起转子表面涡流，使转子局部高温。
② 手动断开灭磁开关,退出自动电压调节装臵和发电机强行励 磁装臵。 ③ 注意其它正常运行的发电机定子电流和无功功率值是否超 出规定,必要时按发电机允许过负荷规定执行。 ④ 对励磁系统进行迅速而细致的检查，如属工作励磁机的问 题,应迅速启动备用励磁机恢复励磁。
x－ * (额定电流时) 0.155/0.134～0.18 0.24/0.13～0.35 0.55/0.30～0.70
x0 * (额定电流时) 0.015～0.08 0.02～0.20 0.04～0.25
注:表中斜线以下的数字为参数范围，斜线以上的数据为平均值。
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此时异步转矩具有制动作用，会迫使转速下降；而当转子转速低于同步转速时，相当于异步电动机运行， 此时异步转矩具有驱动作用，又迫使转速上升，因此阻尼绕组产生的异步转矩对发电机在同步转速附近 振荡具有阻尼作用，能使转速很快稳定到同步转速点上。
、 Xd 的物理意义，比较它们的大小? 14.5 说明 X d 、 X d
、 X ad 、 X ad 各 自 对 应 磁 路 的 磁 阻 是 依 次 减 小 的 ， 对 应 磁 通 是 依 次 增 大 的 ， 故 即 X ad X ad X ad ，因此 X d Xd 。 X d X ad
14.6 同步发电机三相突然短路电流大的物理本质是什么? 答：同步发电机突然短路电流大的物理本质是励磁绕组和阻尼绕组的感应电流导致电枢反应磁通的 路径发生改变，致使电枢电抗减小。电抗的减小引起突然短路电流增大。 14.7 在同步发电机中，阻尼绕组对突然短路、不对称运行及振荡状态各起什么作用？ 答：阻尼绕组的存在使突然短路电流增大，但可以削弱负序磁场，提高发电机承受不对称负载的能 力，还可依靠它所产生的异步转矩有效抑制振荡。
I
s2
3E0 3 0.829 X X 1.871 0.219 E0 1 0.535 X 1.871
I s
第 14 章 自测题参考答案
一、填空题 1. 0、 2n1 ； 二、选择题 1.② 三、简答题 1. 答：阻尼绕组相当于异步电机的转子绕组，定子负序磁场以二倍同步速切割阻尼绕组时，会在其 中产生倍频的感应电流，此电流将产生转子磁动势，根据异步电机的磁动势平衡关系可知，该转子磁动 势将对定子负序磁场起削弱作用。 2. 答：当外磁场引起超导体闭合回路的磁链发生变化时，由超导体闭合回路中感应电流所产生的磁 链恰好抵消这种变化，使任意瞬间超导体回路的总磁链保持不变，这就是超导体闭合回路磁链守恒原理。 3. 答：负序磁场与转子之间存在二倍同步转速的相对运动，在转子绕组（励磁绕组和阻尼绕组）中 感应出二倍基频的运动电动势和电流，这相当于一台异步电机运行于转差率 s 2 情况下的制动状态。因 此同步发电机在定子负序磁场作用下的定、转子之间的电磁关系为异步电机的电磁关系。 4. 答：同步发电机的电枢磁场和转子都是以同步速旋转，二者之间无相对运动，稳态运行时电枢磁 场幅值恒定，故不会在转子绕组中感应电动势。但是同步发电机突然短路时，由于电枢磁场幅值发生突 变，这将在转子绕组（阻尼绕组和励磁绕组）中感应出变压器电动势，此时同步发动机的定、转子绕组 之间的电磁关系就如同变压器一、二次绕组之间的电磁关系。 5. 答：同步发电机突然短路时，由于励磁绕组和阻尼绕组的电磁感应作用，导致电枢反应磁通的路 径发生改变，其磁路的磁阻增大，电枢磁通减少，电枢电抗减小，故突然短路电流增大。 四、计算题 解：设 E 0 1
I s2
I s
4
答：电抗是与磁通相对应的电路参数，磁通大小与其磁路的磁阻有关，因此电抗大小与其对应磁通
、 X d 、 X d 是分别反映突然短路 所经过的磁路有关。若磁路的磁阻大，则磁通就少，电抗也就小。 X d
期间三个阶段的磁通路径变化所对应的电抗参数。
对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙 第一阶段（突然短路瞬间） ：直轴超瞬变电枢反应电抗 X ad 小，因此直轴超 —转子励磁绕组及阻尼绕组外侧漏磁路—气隙—定子铁心，其磁阻大，磁通少，故 X ad X ad X 小。 瞬变电抗 X d 对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙— ：直轴瞬变电枢反应电抗 X ad 第二阶段（突然短路期间）
第 14 章 思考题与习题参考答案
14.1 同步发电机不对称运行对电机有哪些影响？主要是什么原因造成的？ 答： （1）引起转子表面发热。这是由于负序电流所产生的反向旋转磁场以二倍同步转速截切转子， 在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面及转子的其它金属结构部件中均会感应出倍频电流，因此在励磁 绕组、阻尼绕组中将产生额外铜损耗，转子铁心中感应涡流引起附加损耗。 （2）引起发电机振动。由于负序旋转磁场以二倍同步转速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电 磁转矩，这种转矩作用在定子、转子铁心和机座上，使其产生 100 Hz 的振动。 可以看出，这些不良影响主要是负序磁场产生的，为了减小负序磁场的影响，常用的方法是在发电 机转子上装设阻尼绕组以削弱负序磁场的作用，从而提高发电机承受不对称负载的能力。 14.2 为什么变压器中 X X ? 而同步电机中 X X ? 答：由于变压器是静止电器，正序电流建立的正序磁场与负序电流建立的负序磁场所对应的磁路是 完全相同的，所以 X X 。而在同步电机中，正序电流建立的正序磁场是正转旋转磁场，它与转子无 相对运动，因此正序电抗就是发电机的同步电抗，它相当于异步电机的励磁电抗；而负序磁场是反转旋 转磁场，它以二倍同步速切割转子上的所有绕组（励磁绕组、阻尼绕组等） ，在转子绕组中感应出二倍基 频的电动势和电流，这相当于一台异步电机运行于转差率 s 2 的制动状态。根据异步电动机的磁动势平 衡关系，转子主磁通对定子负序磁场起削弱作用，因此负序电抗就小于励磁电抗，所以在同步电机中
2. 漏、漏； 3. 削弱、抑制； 4. 有功、感性无功； 5.减小、增大。
2.①
3.④
4.②
5.①
则Hale Waihona Puke 3I s1 3E0 3 1.261 X X X 0 2 0.3 0.08 3E0 3 0.753 X X 2 0.3 E0 1 0.5 X 2
* 14.8 有一台三相同步发电机， X 1.871 ， X 0.219 ， X 0 0.069 ，试求单相对中点稳态短路
*
*
2
* 电流、两线之间稳态短路电流、三相稳态短路电流的表么值各为多少？（设 E 0 1）
解： I s 1
3E0 3 1.39 X X X 0 1.871 0.219 0.069
转子阻尼绕组内侧铁心—转子励磁绕组外侧漏磁路—转子阻尼绕组内侧铁心—气隙—定子铁心，其磁阻
较小，因此直轴瞬变电抗 X d X ad X 较小。 较大，磁通较少，故 X ad
第三阶段（进入稳态短路） ：直轴电枢反应电抗 X ad 对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙—转子 铁心（穿过励磁绕组和阻尼绕组）—气隙—定子铁心，其磁阻小，磁通多，故 X ad 大，因此直轴同步电 抗为 X d X ad X 大。
X X 。
14.3 试分析发电机失磁运行时， 转子励磁绕组中感应电流产生的磁场是什么性质的？它与定子旋转 磁场相互作用产生的转矩是交变的还是恒定的？ 答：发电机失磁运行时，转子转速n略大于定子磁场转速n 1 ，同步发电机转入异步发电运行状态，其 转差率 s 0 ，此时定子旋转磁场在励磁绕组中感应出频率为 f 2 sf 1 的交变电动势和交变电流，由于转 子励磁绕组为单相绕组，因此励磁绕组将产生一个以 f 2 频率交变的脉动磁场。该脉动磁场可以分解为大 小相等、转速相同、转向相反的两个旋转磁场，其中和转子转向相反的旋转磁场与定子磁场之间无相对 运动，二者作用对转子产生恒定的制动电磁转矩，而和转子转向相同的旋转磁场与定子磁场之间有相对 运动，二者作用对转子产生交变电磁转矩，总的合成电磁转矩是制动性质，方向不变，大小脉动。 14.4 简述同步发电机的阻尼绕组对抑制振荡的作用。 答：同步发电机振荡时，转子转速不再是同步转速，转子与定子磁场之间存在相对运动，阻尼绕组 中产生感应电动势和感应电流，并产生异步转矩。当转子转速高于同步转速时，相当于异步发电机运行，