电机学 第14章_同步发电机的异常运行和瞬态短路
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。
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。
同步发电机的不对称运行和突然短路
04
同步发电机的不对称运行和突然 短路的预防与控制
预防措施
定期检查
对同步发电机的各项性能进行定期检查，确 保其正常运行。
安装保护装置
在同步发电机上安装相应的保护装置，以防 止不对称运行和突然短路的发生。
维护保养
按照制造商的推荐，对同步发电机进行适当 的维护和保养，以延长其使用寿命。
监控运行状态
对同步发电机的运行状态进行实时监控，及 时发现并处理异常情况。
对称运行和突然短路的未来研究方向
深入研究对称运行的理论 基础
进一步探讨对称运行的原理和 机制，提高对电力系统稳定性 的认识和理解。
开发高效的短路保护装置
针对突然短路故障，研究和发 展更为快速、准确的短路保护 装置，以减少短路对设备和系 统的冲击。
智能化监控和管理
利用先进的传感器、通信和人 工智能技术，实现对电力系统 的实时监控和智能管理，提高 系统应对突发事件的响应速度 和处置能力。
对称运行
在电力系统中，同步发电机以对称的方式运行，意味着各相的电压、电流和功率等参数在大小和相位上都是相等 的。这种对称运行状态是电力系统稳定和可靠供电的前提条件。
突然短路
突然短路是指同步发电机在正常运行过程中，由于某种原因（如设备故障、人为误操作等），电路中出现非正常 连接，导致电流瞬间激增，破坏了原有的对称运行状态。突然短路是电力系统中最危险的故障之一，可能造成设 备损坏和系统稳定性丧失。
运行。
维护与保养
清洁
检查紧固件
定期对同步发电机进行清洁，以去除灰尘 和污垢。
检查同步发电机的紧固件是否松动，如发 现松动应及时紧固。
检查润滑系统
更换磨损部件
定期对同步发电机的润滑系统进行检查， 确保润滑油充足且无杂质。
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
14章--同步电动机的不正常运行1(ok)
主要内容：
介绍同步发电机不对称运行时的分析 方法和几种典型不对称情形 不对称运行和突然短路的影响
第14章 同步发电机的不正常运行
§1…不对称运行分析方法
不对称负载
大容量的单相负载，如单相电炉 引起三相电压和三相电流的不对称 对同步发电机带来不利的影响 与分析异步电机不对称运行相同 对称分量法
第14章 同步发电机的不正常运行
零序电流
产生的三个脉动磁势，幅值相等，时 间同相，空间各相隔120°电角度， 因此三相基波合成磁势恰相互抵消， 不形成气隙互磁通，只存在一些漏磁 场，数值一般很小 零序电流所遇到的电抗为带有漏抗性 质的零序电抗，用x0代表，x0较x–更 小
第14章 同步发电机的不正常运行
B
第14章 同步发电机的不正常运行
端点方程式
U A 0 IB 0 IC 0
第14章 同步发电机的不正常运行
对称分量分解
1 1 I A 0 I A I A I A I k (1) 3 3 U A0 U A U A 0
第14章 同步发电机的不正常运行
负序旋转磁场
在转子激磁绕组和阻尼绕组中感应的 两倍频率的交变电流，将引起附加的 铜损耗 在转子表面产生涡流，从而引起附加 表面损耗 还在转子轴和定子机座引起振动
第14章 同步发电机的不正常运行
我国《发电机运行规程》
在额定负载连续运行时，汽轮发电 机三相电流之差，不得超过额定值的 10%；水轮发电机和同步补偿机不得 超过额定值的20%，同时任一相的电 流不得大于额定值 在低于额定负载连续运行时，各相 电流之差可以大于上面所规定的数值 ，但应根据试验确定。
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。
电机学 第14章同步发电机的运行特性
E&0 jI&k X a
若忽略r, 则 E& jI&X S
磁路处于不饱和状态
vv v F Ff 1 Fa Ff 1 F Fa
v Ff 1
v F
E&
jI&k X s
I&k
v Fa
I
短路特性
IK E F
IK Fa
Ff 1 if
0
If
三、 同步发电机的同步电抗 1、隐极机 E&0 U& I&K (R jX C ) I&K (R jX C )
900
I&q 0 , I&d I&K
E 0 Ik
E0
气隙线
E&0 jI&d Xd jI&q Xq
空载特性
Xd
E0 IK
X ad X d X S
Ik
短路特性
0
if
If
3、短路比
当发电机空载运行，空载电动势等于额定电压 UN
时，所加的励磁电流 i f 0 ，保持此励磁电流不变，在
磁电流的比值。
空载特性
c
a
ifs ibf 0idfk
if
kC
I KN IN
k
1 Xd
Kc随饱和程度而增加，随电抗增大而减小
结论：短路比大，同步电抗小，短路电流大， 同步发电机在负载变化时电压变化小，对稳定 有利。
同步电抗小，气隙大，励磁磁动势大，所需 安匝增加，经济性差。
第三节 同步发电机外特性和调整特性
稳态短路时所对应电流为 IKN ，IKN 与发电机额定电 I N
流 kC之比 ， 称为短路比 。
同步发电机的异常运行
2
第一节 同步发电机的不对称运行
不对称的分析方法:
同步发电机不对称运行时，电机中包括正序分 量、负序和零序分量。 不计饱和，三相不对称运行时可采用对称分量 法将不对称电压和不对称电流分解为分解成正 序、负序和零序三个对称系统，在不同相序中 取其中一相的等效电路分析。
4
2.负序阻抗
负序电流经定子绕组，产生 一负序圆形旋转磁场，速度
为n1，方向与转子转向相反， 以2n1切割转子，
在转子中产生感应电势及电
流i2，且频率 ：
f2P 60n2f1
i-
F-
n1
n1
2f
1
2n1
相
对
于
转
子
5
将转子励磁绕组，阻尼绕组及 转子本身成一对称的多相短路 绕组，多相电流流入多相绕组
量已折到定子边，则交轴负序电抗为：
xqx
1
1
1
xq
xaq xD
若交轴无阻尼：
x xD
xq-
xaq
xqx xaq xq
11
可见，由于存在励磁绕组或阻尼绕组的作用，负序 电抗总是小于同步电抗。 从物理意义来说，负序磁场以两倍同步速相对转子 旋转，转子上的励磁绕组和阻尼绕组都会感应两倍 频率的电势和电流，按楞次定律，这些感应电流都 产生削弱定子负序磁场的作用，使气隙中的负序磁 场减小很多。 由此可见，负序电抗标么值小于正序电抗标么值， 但比定子漏抗标么值大。
18
稳定短路时电枢磁链的路径
稳定短路时
端电压等于零，电枢反 应为纯去磁作用。
电机学 第14章 同步发电机的运行特性
k
l2
o m m
n
n n 零功率因数
负载特性
k
l3
m
o
m
n
Ff , i f
零功率因数负载时，当U不同时，E的大小也不同，发电 机主磁路的饱和程度有所不同。 在零功率因数特性曲线上向上平移 kmn的顶点 n到额定电 压UN时，将得到kmn，并且 on on， ok //ok。
2.掌握利用空载特性、短路特性测量同步电抗的方法
3.掌握利用空载特性、零功率因数负载特性测量定子漏电抗 的方法 4.了解同步发电机的外特性和调整特性 5.了解低转差法测量同步电抗的原理和方法
第十四章 同步发电机的运行特性
同步发电机稳态运行的主要变量：定子端电压 U 、负载电 流I、励磁电流if和功率因数cos。
磁路的饱和因数：当 E0=UN 时， E0 磁路饱和时的励磁电流 if0 和磁路
气隙线
不饱和时的励磁电流ifs之比，用k
表示，即
UN
空载特性
k
if 0 i fs
一般， k =1.1~1.25。
o
i fs i f 0
if
同步发电机的标准空载特性
if
U0 E0
0.5 0.58
1.0 1.0
气隙线 空载特性
k
o m n 零功率因数
负载特性
o
n
Ff , i f
k m代表的相电动势 Xs I
3.普梯尔电抗
由零功率因数负载试验测得 的电抗称为普梯尔电抗Xp。
气隙线
E0 U
k
k
空载特性 理论曲线
k m代表的相电动势 Xp I
o om m
nn
零功率因数负载试验接线图
第14章-同步发电机的三相突然短路
T Leq r
2024年7月17日2时15分
26
所谓某一绕组的等效电感是指既考虑了它本身的自 感，又考虑了其他绕组对它的互感作用所得到的 一个电感。
求某一绕组的等效电抗：以该绕组为原边，其 他绕组为副边短路的变压器所对应的电抗。根据等 效电抗即可求出该绕组的等效电感。
2024年7月17日2时15分
2E0 xd
cos0
所以
iA (0 )
2E0 xd
cos0
由于是超导体，电流不会衰减，任何时刻的电枢电流 直流分量都等于起始值，所以
iA
2E0 xd
cos0
同理
iB
2E0 xd
cos(0
120 )
2024年7月17日2时15分
iC
2E0 xd
cos(0
240
)
22
六、突然短路时电枢总电流
电枢绕组总的突然短路电流为交流分量和直流分量之和。
转子绕组认为是超导体，为了维持磁链守恒，感应电流 产生磁通，以抵制定子磁通从转子绕组中通过。
Y ikd
A N
Z
C
ad
S
xd X
i f
B
x xad x f xkd
(a)
(b)
图14-7 突然短路时电枢反
2024年7月17日2时15分
应磁通的磁路和等效电路
16
xd x
1
1 1
1
xad x f xkd
子同步旋转的圆形旋转磁场，转子绕组中不会感应 电动势和电流。 突然短路：电枢磁场在转子中要感应电势。
三相突然短路时，电枢电流和电枢旋转磁动势的幅值是随 时间而变化的，从而在转子绕组中产生感应电动势和电流，此 电流反过来又影响定子绕组中的电流，这种定、转子绕组之间 的相互影响，使突然短路后的过渡过程变得十分复杂，这也是 三相突然短路区别于三相稳态短路的根本原因。
14第14章 同步发电机的不对称运行和突然短路
直轴电枢反应电抗 X ad ，因为在转子直轴上同时存在励磁绕组和阻尼绕组，所以转子侧有两 条并联支路，其中 X fσ 是励磁绕组的漏电抗， X Ddσ 是直轴阻尼绕组的漏电抗；图 14.1.1（b） 是交轴负序电抗的等效电路，其中，对应异步电动机的励磁电抗是交轴电枢反应电抗 X aq ，
=
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)
(14.1.1)
321
对于凸极电机，当电枢磁场轴线与直轴重合时， X + = X d = X σ + X ad ；与交轴重合时， X + = X q = X σ + X aq ；在其它位置时， X + 在 X d 和 X q 之间。其中 Xσ 为定子漏抗； X a 为 隐极电机的电枢反应电抗； X ad 、 X aq 为凸极电机的交、直轴电枢反应电抗。
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
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
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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。
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，
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。
14.5 说明d X 、d
X ′、d X ′′的物理意义，比较它们的大小? 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
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。
d
X ′′、d X ′、d X 是分别反映突然短路期间三个阶段的磁通路径变化所对应的电抗参数。
第一阶段（突然短路瞬间）：直轴超瞬变电枢反应电抗ad
X ′′对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙—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ad
X ′′小，因此直轴超瞬变电抗σX X X ad d
+′′=′′小。
第二阶段（突然短路期间）：直轴瞬变电枢反应电抗ad
X ′对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙—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
较大，磁通较少，故ad
X ′较小，因此直轴瞬变电抗σX X X ad d +′=′较小。
第三阶段（进入稳态短路）：直轴电枢反应电抗ad X 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ad X 大，因此直轴同步电抗为σX X X ad d +=大。
即ad
X ′′、ad X ′、ad X 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ad ad ad
X X X <′<′′，因此d d d X X X <′<′′。
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。
14.8有一台三相同步发电机，871.1*=+X ，219.0*
=−X ，069.0*0=X ，试求单相对中点稳态短路
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1*0=E ） 解：39.1069
.0219.0871.133001=++=++=∗∗−∗+∗∗
X X X E I s 829.0219.0871.13302
=+=+=∗−∗+∗∗X X E I s 535.0871.110===∗+∗∗X E I s
第14章 自测题参考答案
一、填空题
1. 0、12n ；
2. 漏、漏；
3. 削弱、抑制；
4. 有功、感性无功；
5.减小、增大。
二、选择题
1.②
2.①
3.④
4.②
5.①
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2=s 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10=∗
E 则
261.108
.03.0233001=++=++=∗∗−∗+∗∗X X X E I s 753.03.023302=+=+=∗−∗+∗∗X X E I s 5.0210===∗+∗∗X E I s。