發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、 第一章 基礎(chǔ)知識(shí)1.同步發(fā)電機(jī)保護(hù)的基本知識(shí) 電廠中的發(fā)電機(jī)都為同步電機(jī)，它把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過(guò)輸電線路等設(shè)備送往用戶。1.1 同步發(fā)電機(jī)基本工作原理 我們知道， 導(dǎo)線切割磁力線能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，將導(dǎo)線連成閉合回路，就有電流流過(guò)，同步發(fā)電機(jī)就是利用電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿摹?圖1-1為同步發(fā)電機(jī)示意圖。導(dǎo)線放在空心圓筒形鐵芯的槽里。鐵芯是固定不動(dòng)的，稱為定子。磁力線由磁極產(chǎn)生。磁極是轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是構(gòu)成發(fā)電機(jī)的最基本部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵芯內(nèi)圓，每相隔120分別安放著三相繞組A-X、B-Y、C-Z。轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁繞組（也稱轉(zhuǎn)子繞組）R-L。通過(guò)電刷和

2、滑環(huán)的滑動(dòng)接觸，將勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生穩(wěn)恒的磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子被原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)后，定子繞組（也稱電樞繞組）不斷地切割磁力線，就在其中感應(yīng)出電勢(shì)來(lái)。 感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則確定。由于導(dǎo)線有時(shí)切割N極，有時(shí)切割S極，因而感應(yīng)的是交流電勢(shì)。 交流電勢(shì)的頻率f，決定于電機(jī)的極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)n，即 f = 式中n的單位為轉(zhuǎn)每分（r/min） 轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)，A、B、C三相繞組先后切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁力線，所以在三相繞組中電勢(shì)的相位是不同的，依次差120，相序?yàn)锳、B、C。 當(dāng)發(fā)電機(jī)帶上負(fù)荷以后，三相定子繞組中的定子電流（電樞電流），將合成產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子以同速度、同方向旋轉(zhuǎn)

3、，這就叫“同步”。同步電機(jī)也由此而得名。它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速與頻率間有著嚴(yán)格的關(guān)系，即 n = 1.2同步發(fā)電機(jī)的分類同步發(fā)電機(jī)的種類按原動(dòng)機(jī)不同來(lái)分，可分為：汽輪發(fā)電機(jī) 一般是臥式的，轉(zhuǎn)子是隱極式的。水輪發(fā)電機(jī) 一般是立式的，轉(zhuǎn)子是凸極式的。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分： 空氣冷卻（空冷） 外冷（指冷卻介質(zhì)和導(dǎo)體隔著絕緣層的冷卻） 外冷同步發(fā)電機(jī) 氫氣冷卻（氫冷） 內(nèi)冷（冷卻介質(zhì)直接冷卻導(dǎo)體）水冷卻（水冷）雙水內(nèi)冷上述的冷卻介質(zhì)和方式還可以有不同的組合，如水-氫-氫（定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷，鐵芯氫冷）；水-水-空（定子、轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷，鐵芯空冷）；水-水-氫（定子、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、鐵芯氫冷）等。1.

4、3 銘牌電機(jī)上的銘牌是制造廠向使用單位介紹該臺(tái)電機(jī)的特點(diǎn)和額定數(shù)據(jù)用的。其所標(biāo)的量，如容量、電流、電壓等都是額定值。所謂額定值，就是能保證電機(jī)正常連續(xù)運(yùn)行的最大限值，即在此額定數(shù)據(jù)的情況下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)壽命可以達(dá)到預(yù)期的年限。銘牌上標(biāo)的主要項(xiàng)目有：(一) 額定電流額定電流是該臺(tái)電機(jī)正常連續(xù)進(jìn)行的最大工作電流。(二) 額定電壓額定電壓是該臺(tái)電機(jī)長(zhǎng)期安全工作的最高電壓。發(fā)電機(jī)的額定電壓指的是線電壓。(三) 額定容量額定容量是指該臺(tái)電機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的最大輸出功率。有的制造廠用有功功率的千瓦數(shù)，也有的是用視在功率的千伏安數(shù)表示。(四) 額定功率因數(shù)cosw同步發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)是額定有功功率和額定視在

5、功率的比值。銘牌上一般標(biāo)有功功率和cosw值，或標(biāo)視在功率和cosw值。上述額定電流、電壓、容量、功率因數(shù)是相對(duì)應(yīng)的，知道其中幾個(gè)量，就可以求算出其余的量。1.4 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，一般是指發(fā)電機(jī)的空載特性、短路特性、負(fù)載特性、外特性和調(diào)整特性等五種。從運(yùn)行的角度看，外特性和調(diào)整特性是主要的運(yùn)行特性，根據(jù)這些特性，運(yùn)行人員可以判斷發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，以便及時(shí)調(diào)整，保證高質(zhì)量安全發(fā)電?？蛰d特性、短路特性和負(fù)載特性則是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)基本性能的特性，用于測(cè)量、計(jì)算發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)基本參數(shù)。1.4.1 空載特性發(fā)電機(jī)空載特性是指發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行時(shí)其電勢(shì)E0與勵(lì)磁電流I1之

6、間的關(guān)系曲線。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，其端電壓U就等于電勢(shì)E0，因此該曲線也就是空載時(shí)端電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線。電勢(shì)決定于氣隙磁通，空載時(shí)的氣隙磁通決定于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)又決定于勵(lì)磁電流，所以這曲線表達(dá)了電機(jī)中“電”與“磁”的聯(lián)系。如圖1-2所示空載特性曲線，E0=f（I1）。做空載特性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，逐漸增加勵(lì)磁電流，直至端電壓等于額定電壓的130%時(shí)為止。在增加勵(lì)磁電流的過(guò)程中，讀取勵(lì)磁電流值及與其對(duì)應(yīng)的端電壓值，便可以得到空載特性的上升分支。接著減小勵(lì)磁電流，按上面方法讀取數(shù)值，便得到下降分支，如圖1-2（a）所示。由于鐵芯有磁滯現(xiàn)象，使上升分支與下降分支不重合。實(shí)際

7、應(yīng)用的空載特性曲線是上升與下降兩曲線的平均，如圖中虛線所示。一般將平均的 曲線右移，使曲線通過(guò)坐標(biāo)0點(diǎn)，如圖1-2（b）所示?？蛰d特性曲線實(shí)際上是一條具有電機(jī)這樣一個(gè)特定磁路的磁化曲線，因此它有磁化曲線的特征。它的開始部分接近于直線，E0與I1成直線關(guān)系，說(shuō)明鐵芯未飽和。曲線的后一段彎曲，E0與I1不成直線關(guān)系，說(shuō)明鐵芯已經(jīng)逐漸飽和，而且隨著I1的增大，飽和越來(lái)越嚴(yán)重。在試驗(yàn)時(shí)，要注意當(dāng)向某一方向（如I1增大）調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，只許向同一方向逐漸調(diào)節(jié)，不要往返來(lái)回調(diào)，這是由于鐵芯的磁化與其經(jīng)歷的磁化過(guò)程有關(guān)?？蛰d特性曲線是發(fā)電機(jī)的一條最基本的特性曲線?？梢杂盟鼇?lái)求發(fā)電機(jī)的電壓變化率、未飽和的同步

8、電抗值等參數(shù)。在實(shí)際工作中，它還可以用來(lái)判斷勵(lì)磁繞組及定子鐵芯有無(wú)故障等。1.4.2 短路特性 所謂短路特性，是指發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，定子三相繞組短路時(shí)，定子穩(wěn)態(tài)短路電流I與勵(lì)磁電流I1的關(guān)系曲線，即I=f (I1)。如圖1-3。0III1 在做短路特性試驗(yàn)時(shí)，要先將發(fā)電機(jī)三相繞組的出線端短路。然后，維持轉(zhuǎn)速不變，增加勵(lì)磁，讀取勵(lì)磁電流及相應(yīng)的定子電流值，直到定子電流I達(dá)額定電流值時(shí)為止。在試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整勵(lì)磁電流時(shí)也不要往返來(lái)回調(diào)。圖1-3 短路特性 短路試驗(yàn)測(cè)得的短路特性曲線，不但可以用來(lái)求取同步發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)未飽和的同步電抗與短路比外，在電廠中，也常用它來(lái)判斷勵(lì)磁繞組有無(wú)匝間短路等故障

9、。顯然，勵(lì)磁繞組存在匝間短路時(shí)，因安匝數(shù)的減少，短路特性曲線是會(huì)降低的。1.4.3 負(fù)載特性負(fù)載特性是當(dāng)轉(zhuǎn)速、靜子電流為額定值，功率因數(shù)cos=常數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，即U=曲f(I1)。如圖1-4所示為不同功率因數(shù)時(shí)的負(fù)載特性曲線。當(dāng)cos值不同，我們即可得到不同負(fù)荷種類的負(fù)載特性曲線。用負(fù)載特性與空載、短路特性，可以測(cè)定發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)，是電機(jī)設(shè)計(jì)、制造的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。1.4.4 外特性發(fā)電機(jī)帶上負(fù)荷以后，端電壓就會(huì)有所變化，外特性就是反映這種變化規(guī)律的曲線。所謂外特性，就是指勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更負(fù)荷（定子電流I）時(shí)端電壓U的變化曲線，即U=f(I)

10、。如圖1-5所示為幾個(gè)不同功率因數(shù)下的外特性曲線。從圖中可以看出，在滯后的功率因數(shù)（cos）情況下，當(dāng)定子電流增加時(shí)，電壓降落較大，這是由于此時(shí)電樞反應(yīng)是去磁的。在超前的功率因數(shù)cos（-）的情況下，定子電流增加時(shí)，電壓反應(yīng)升高，這是由于電樞反應(yīng)是助磁的。在cos=1時(shí)，電壓降落較小。外特性可以用來(lái)分析發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的電壓波動(dòng)情況，藉以提出對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置調(diào)節(jié)范圍的要求。一般用電壓變化率來(lái)描述電壓波動(dòng)的程度。從發(fā)電機(jī)的空載到額定負(fù)載，端電壓變化對(duì)額定電壓的百分?jǐn)?shù)，稱電壓變化率U，即 U = 100%式中 發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)或電壓； 額定電壓。汽輪發(fā)電機(jī)的U=30 48%。1.4.5 調(diào)整特性電壓會(huì)

11、隨負(fù)荷的變化而變動(dòng)，要維持端電壓不變，必須在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流。所謂調(diào)整特性，就是指電壓、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更負(fù)荷（定子電流I）時(shí)勵(lì)磁電流I1的變化曲線，即I1的變化曲線，即I1=f(I)，如圖1-6所示。從圖1-6所示不同功率因數(shù)下的調(diào)整特性可以看出，在滯后的功率因數(shù)情況下，負(fù)荷增加，勵(lì)磁電流也必須增加。這是因?yàn)榇藭r(shí)去磁作用加強(qiáng)，要維持氣隙磁通，必須增加轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。在超前的功率因數(shù)下，負(fù)荷增加，勵(lì)磁電流一般還要降低。這是因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)有助磁作用的緣故。調(diào)整特性可以使運(yùn)行人員了解：在某一功率因數(shù)時(shí)，定子電流到多少而不使勵(lì)磁電流超過(guò)制造廠的規(guī)定值，并能維持額定電壓。利用這些曲線，可

12、使電力系統(tǒng)無(wú)功功率分配更合理一些。1.4.6 同步發(fā)電機(jī)有功功率的輸出當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)，定子繞組中的電流I=0，即電樞不會(huì)產(chǎn)生磁勢(shì)。此時(shí)發(fā)電機(jī)中，只有由轉(zhuǎn)子主磁極的勵(lì)磁磁勢(shì)所建立的主磁場(chǎng)，如圖1-7（a）所示。這時(shí)發(fā)電機(jī)的端電壓等于由主磁場(chǎng)產(chǎn)生的空載電勢(shì)，原動(dòng)機(jī)輸給發(fā)電機(jī)的功率P1只要克服空載損耗就行了。圖1-7同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與氣隙磁場(chǎng)之間的夾角d （a）發(fā)電機(jī)空載時(shí)，d=0；（b）發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷時(shí)，d角的大小與負(fù)荷大小和性質(zhì)有關(guān)當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組端接上負(fù)荷時(shí)（假定負(fù)荷是純電阻性的），定子繞組中就出現(xiàn)了電流I，發(fā)電機(jī)向負(fù)荷輸出有功功率，于是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用，這個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩

13、加起來(lái)，比原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度變慢。為了保持同步發(fā)電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須增加原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩（增加汽輪機(jī)的進(jìn)汽量），于是轉(zhuǎn)子又要加速，直到原動(dòng)機(jī)所供給的機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)輸出的電功率（還要加上發(fā)電機(jī)內(nèi)部的損耗）重新達(dá)到平衡，發(fā)電機(jī)才重新以穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于定子繞組中出現(xiàn)了電流，則在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子和氣隙中，由繞組電流產(chǎn)生的磁勢(shì)F建立了第二個(gè)磁場(chǎng) 電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。我們稱電樞反應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響叫電樞反應(yīng)。如果負(fù)荷是純電阻性的，氣隙磁路是均勻的，那么電樞反應(yīng)的結(jié)果是使發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)發(fā)生向移，即氣隙合成磁場(chǎng)對(duì)于主磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，逆著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向偏轉(zhuǎn)了一個(gè)d角度，如圖1-7（b

14、）所示。如果繼續(xù)使負(fù)荷增大，即發(fā)電機(jī)輸出的有功功率增加，那么原動(dòng)機(jī)的輸入功率也必須增加。但是負(fù)荷的增加就表示著定子繞組電流的增加，即電樞磁勢(shì)要增加。因此，電樞反應(yīng)作用增強(qiáng)，使得發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)軸線與主磁極磁場(chǎng)軸線之間的夾角d繼續(xù)增大。如果發(fā)電機(jī)的負(fù)荷是純電抗（純電感或純電容），那么發(fā)電機(jī)中就只有去磁或助磁電樞反應(yīng)，其結(jié)果只是使發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)削弱或增強(qiáng)，而不會(huì)使磁場(chǎng)歪扭。由于感性負(fù)荷的去磁性電樞反應(yīng)，使得發(fā)電機(jī)向純電感負(fù)荷送電時(shí)，發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)由于去磁作用而將被消弱，端電壓就要降低；當(dāng)負(fù)荷為容性時(shí)，電樞反應(yīng)是助磁性質(zhì)的，將使端電壓升高。一般情況下，負(fù)荷常常是電感性的，所以它即有使主磁場(chǎng)相當(dāng)于電阻負(fù)荷

15、的向移，又有相當(dāng)于電感性負(fù)荷的去磁作用。這樣，發(fā)電機(jī)就向負(fù)荷既送出了有功功率，又送出了無(wú)功功率。由此可見，在同步發(fā)電機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)軸線與主磁極磁場(chǎng)軸線之間的夾角d的大小，與同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率大小有關(guān)。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率增大時(shí)，原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率增大，d角也隨著增大。所以我們把d角叫作功率角。一般汽輪發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，d角約為2530。同步發(fā)電機(jī)的這種運(yùn)行狀況，就好象是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和氣隙磁場(chǎng)之間有一些橡皮筋連在一起，如圖1-8所示。由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)拖動(dòng)氣隙磁場(chǎng)在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)輸出的有功功率越大，橡皮筋就被拉得越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)領(lǐng)前于氣隙磁場(chǎng)的角度d就越大。圖1-8發(fā)電

16、機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)拖動(dòng)氣隙磁場(chǎng)在空間以同步速度施轉(zhuǎn)1.5 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)1.5.1 兩種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的概念轉(zhuǎn)子上裝有直流激磁磁極，它與轉(zhuǎn)子無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，稱機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子流過(guò)三相對(duì)稱電流，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，速度為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向從帶有超前電流的相轉(zhuǎn)向帶有滯后電流的相。當(dāng)某相電流達(dá)到最大值時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的振幅恰好轉(zhuǎn)到該相軸線處，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)稱電樞磁場(chǎng)。順著旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前于電樞磁場(chǎng)的為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)子由外施機(jī)械轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)子而言，電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用的力是個(gè)電磁阻力；反之電樞磁場(chǎng)超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式，這時(shí)電樞磁場(chǎng)作用到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁

17、場(chǎng)空間有相位差。1.5.2 同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)及等值電勢(shì)電路圖（1）隱極同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)及等值電勢(shì)電路圖定子與轉(zhuǎn)子兩種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而不會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。 這兩個(gè)磁場(chǎng)只在定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在不考慮磁路飽和的情況下，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)感應(yīng)空載電勢(shì)E0，電樞磁場(chǎng)感應(yīng)的電勢(shì)為電樞反應(yīng)電勢(shì)Ea,則有E0+Ea=Uf+I(ra+jxs)可用圖1-9描述圖1-9隱極同步電勢(shì)的等值電路圖1式中，Uf為機(jī)端電壓xs為定子繞組漏抗ra為定子電阻（2）凸極機(jī)空載磁勢(shì)波形圖對(duì)凸極轉(zhuǎn)子而言，空載時(shí)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)波為方波，取其基波分析，如圖1-10。假如當(dāng)氣隙均勻時(shí)，它產(chǎn)生的磁通密度分布也按正弦分布，

18、當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組中所匝鏈的磁通也就隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，從而繞組感應(yīng)電勢(shì)也隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，可以分別用空間矢量和時(shí)間相量表示，又因?yàn)槎哂邢嗤慕撬俣?，所以可以畫在同一坐?biāo)平面上，如果把相繞組軸線作為空間矢量參考軸，則會(huì)給分析同步電機(jī)的電磁關(guān)系帶來(lái)方便。圖1-10凸極機(jī)空載磁勢(shì)基波圖假如繞組正處于極面中心，感應(yīng)E0為max值，交鏈磁通中0為零，所以E0應(yīng)與時(shí)間軸t同相，0越前E0為90。時(shí)間相量有E0，空間失量有磁勢(shì)Ff1、磁密Bf1、磁通0，它們始終與轉(zhuǎn)子的軸線方向一致，稱直軸或d軸，兩極之間的中線稱為交軸或q軸。時(shí)間相量與空間失量之間的相角是無(wú)物理意義的。（3）有負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)磁

19、勢(shì)圖 空載時(shí)U = E0 有負(fù)載時(shí)，便產(chǎn)生電樞磁勢(shì)，對(duì)空間磁場(chǎng)的影響稱電樞反應(yīng)。電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的相對(duì)位置取決于負(fù)載電流的性質(zhì)如圖1-11所示，假定I、E0同相位，=0；假定E0越前I，0；假定E0滯后I，0；稱Arg=為內(nèi)功率因數(shù)角。= 0 I、E0同相 cos=1 sin=0 不發(fā)出無(wú)功功率，只發(fā)有功功率= 90 cos=0 sin=1 不發(fā)出有功功率，只發(fā)無(wú)功功率= 180 I、E0僅相 cos=-1 sin=0 從電網(wǎng)吸收有功，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行=-90 cos=0 sin=-1 向電網(wǎng)送容性無(wú)功 由于角可以是任意角，可以把電樞磁勢(shì)分解為直軸和交軸兩個(gè)分量分析,如圖1-11所示。同步發(fā)電機(jī)最

20、常見的運(yùn)行工況為0，電樞僅應(yīng)磁場(chǎng)落后于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，即Ff超前Fa也如圖1-11所示。圖中可以將電流I分解為直軸分量Id和交軸分Iq。圖1-11電樞反應(yīng)相量圖1.5.3 同步發(fā)電機(jī)的電抗（1）隱極同步發(fā)電機(jī)的同步電抗電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢(shì)Ea，可以把它看作相電流所產(chǎn)生的一個(gè)電抗電壓降這個(gè)電抗便是電樞僅應(yīng)電抗Xa。即Ea=-jIXa，進(jìn)一步再把Xa與漏磁Xa合并為一個(gè)電抗Xs=Xa+X,這個(gè)Xs就稱為同步電抗?？紤]定子的銅耗，則可寫出同步阻抗Zs=ra+jXs的表示式。就物理意義而言，同步電抗包含兩部分一部分對(duì)應(yīng)于定子繞組的漏磁通，另一部分對(duì)應(yīng)于定子電流所產(chǎn)生的空氣隙旋轉(zhuǎn)磁

21、場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用上，我們通常不把它們分開，而把Xa+X當(dāng)作一個(gè)同步電抗來(lái)處理。這是因?yàn)?，?）在計(jì)算同步電機(jī)的各種性能時(shí)，一般只需要應(yīng)用同步電抗，無(wú)需把它的兩個(gè)組成部分分開；（2）在實(shí)際測(cè)量時(shí)，直接測(cè)定同步電抗要較分別測(cè)定Xa及X為方便。電樞反應(yīng)電抗對(duì)應(yīng)于通過(guò)空氣隙的互磁通，亦即對(duì)應(yīng)于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此它的數(shù)值很大。顯然要大于和定子繞組漏磁通相應(yīng)的定子漏抗。因?yàn)槁┛筙數(shù)值甚小，所以同步電抗與電樞反應(yīng)電抗在數(shù)值上相差不大。電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子都以同步速同方向旋轉(zhuǎn)。定子磁場(chǎng)并不切割轉(zhuǎn)子繞組，同步電抗也就為定子方面的總電抗。雖然轉(zhuǎn)子繞組在電路方面不起副繞組的作用，但轉(zhuǎn)子鐵芯為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所經(jīng)磁路的一個(gè)組成部

22、分，所以在磁路方面卻起著重要作用。如把轉(zhuǎn)子抽去，則定了電流所遇到的電抗將不再是電樞反應(yīng)電抗或同步電抗，而將接近于漏抗X。需要強(qiáng)調(diào)指出，只有當(dāng)定子流過(guò)對(duì)稱電流時(shí)，亦即只有當(dāng)空氣隙磁場(chǎng)為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，同步電抗才有意義。當(dāng)定子繞組中流過(guò)不對(duì)稱三相電流時(shí)，我們便不能無(wú)條件地應(yīng)用同步電抗，這一點(diǎn)將在后文中闡明。 圖中：E0空載電勢(shì)；xs為定子漏抗；Xa為電樞反應(yīng)等值電抗。 圖1-12 隱極同步發(fā)電機(jī)等值電路圖2(2) 凸極同步發(fā)電機(jī)的同步電抗Xd、Xq 對(duì)凸極同步發(fā)電機(jī)，因磁路并不是均勻的，所以電樞電流需要分解為直軸分量Id和交軸分量Iq來(lái)分別討論。交軸同步電抗Xq：電樞反應(yīng)的存在是實(shí)現(xiàn)能量傳遞的關(guān)鍵

23、，假如=0，I與E0同相,根據(jù)左手定則，電磁力將構(gòu)成反轉(zhuǎn)子方向的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的電流為有功電流I=Iq，Iq所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡。此時(shí)電樞反應(yīng)在定子繞組中產(chǎn)生的電勢(shì)Eaq與I（或Iq）成正比，它們之間的比例常數(shù)為電樞反應(yīng)交軸電抗Xaq,于是有Eaq=-jXaqIq?？紤]定子的漏磁，交軸同步電流Xq= X+Xaq。直軸同步電抗Xd:同理：當(dāng)=90，則得到直軸同步電抗Xd,直軸同步電抗Xd= X+Xad。對(duì)凸極同步發(fā)電機(jī)而言，d軸的磁路和q軸的磁路是不相同的，而且磁勢(shì)所產(chǎn)生的磁密分布波也已不再是正弦波，我們這里討論的均為正弦基波參數(shù)的同步電抗，對(duì)隱極機(jī)而言兩個(gè)軸向的磁路基本相同，因而電樞反

24、應(yīng)也就無(wú)需分解為直軸分量和交軸分量了，Xd=Xq,需用一個(gè)參數(shù)Xs= X +Xa來(lái)代表同步電抗就可以。同步電抗為同步電機(jī)的重要參數(shù)，常用標(biāo)么值表示，以每相額定電壓為電壓的基值，以相額定電流為電流基值，以這兩基值的比值為阻抗的基值。隱極同步發(fā)電機(jī)的同步電抗標(biāo)么值在0.93.5之間；凸極式同步電機(jī)的直軸同步電抗在0.61.6之間，交軸同步電抗在0.41.0之間。（3）直軸瞬態(tài)電抗、直軸超瞬態(tài)電抗及其表示式直軸瞬態(tài)電抗：前已分析，三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，端電壓U等于零，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?。如不?jì)電樞電阻和漏磁通的影響，由定子電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通與由轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁通，大小相等，方向相反。電樞反應(yīng)磁通

25、所經(jīng)的路線如圖1-13（a）所示。圖中為直流激磁電流所激勵(lì)的轉(zhuǎn)子磁通，為電樞反應(yīng)磁通，和分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的漏磁通。穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電樞反應(yīng)磁通將穿過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯而閉合，所遇到的磁阻較小，定子電流所遇到的電抗便為數(shù)值較大的同步電抗Xd，這已是我們所熟知的了。圖1-13（b）為三相突然短路初瞬時(shí)的情形。為了簡(jiǎn)單起見，設(shè)發(fā)生短路前發(fā)電機(jī)為空載，故轉(zhuǎn)子繞組只鍵鏈磁通和。短路發(fā)生瞬間，按照磁鏈不能突變的原則，轉(zhuǎn)子繞組所鍵鏈的磁通不能突變，我們可以根據(jù)上節(jié)的分析來(lái)理解，即短路瞬間，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了一個(gè)磁化方向與電樞磁場(chǎng)相反的感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)生的磁通恰巧抵消了要穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的電樞反應(yīng)磁通；于是保持了轉(zhuǎn)子繞組所

26、鍵鏈的磁通“守恒”。我們也可以換一種分析方法來(lái)理解，即在短路初瞬，由于磁鏈不變?cè)瓌t，短路電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通不能通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯去鍵鏈轉(zhuǎn)子繞組，而是象圖1-13（b）中所示的，被擠到轉(zhuǎn)子繞組外側(cè)的漏磁路中去了。定子短路電流所產(chǎn)生的磁通所經(jīng)路線的磁阻變大，這就意味著，此時(shí)限制電樞電流的電抗變小，使突然短路初瞬有較大的短路電流。這個(gè)限制電樞電流的電抗稱為直軸瞬態(tài)電抗或直軸暫態(tài)電抗，用表示，可見遠(yuǎn)較為小。由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，上述感應(yīng)電流將因電阻的阻尼作用而衰減消失，然后電樞磁通便將穿過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯，其路徑又將如圖1-13（a）所示。也就是說(shuō)，由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，使突然短路時(shí)較大的沖擊電流逐漸減小，最后短

27、路電流為xd所限制。這時(shí)電機(jī)已從突然短路狀態(tài)過(guò)渡到穩(wěn)定短路狀態(tài)。短路電流的衰減按時(shí)間常數(shù)衰減。需要指出的是：圖1-13中電樞反應(yīng)磁通是由三相交流電共同激勵(lì)產(chǎn)生，但為圖形表達(dá)清晰起見，圖中的定子繞組僅畫了一相，不能誤解為僅一相有短路電流，也不應(yīng)誤解為某一相所產(chǎn)生；同樣為了表達(dá)清晰簡(jiǎn)潔，圖中的磁通只畫出半邊，實(shí)際上兩邊是對(duì)稱的。直軸超瞬態(tài)電抗：當(dāng)轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組時(shí)，則因阻尼繞組也為閉合回路，它的磁鏈也不能突然改變。同理，在短路初瞬，電樞磁通將被排擠在阻尼繞組以外。也就是說(shuō)，電樞磁通將依次經(jīng)過(guò)空氣隙、阻尼繞組旁的漏磁路和激磁繞組旁的漏磁路，如圖1-14中所示。這時(shí)磁路的磁阻更大了，與之相應(yīng)的電抗將

28、有更小的數(shù)值。稱為直軸超瞬態(tài)電抗或直軸次暫態(tài)電抗。 在短路初瞬，定子繞組中的短路電流將為所限制，由于阻尼繞組中的感應(yīng)電流衰減得較快，故在最初幾個(gè)周波以后，電樞磁通即可穿過(guò)阻尼繞組而取得如圖1-13（b）的的路線。這時(shí)定子電流將為所限制。最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)，定子電流便為所限制。 和的表示式：下面我們來(lái)推導(dǎo)和的表示式。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)裝有阻尼繞組時(shí)，電樞磁通在短路初瞬所經(jīng)的路線如圖1-14所示。設(shè)代表空氣隙的磁導(dǎo)，代表阻尼繞組旁的漏磁路的磁導(dǎo)，代表激磁繞組旁的漏磁路的磁導(dǎo)，則得該磁路的總磁導(dǎo)為，即有 再把電樞漏磁路線的磁導(dǎo)加上，則得全部電樞磁通所經(jīng)磁路的總磁導(dǎo)為 由于電抗和磁導(dǎo)成正比，故上式可以改寫作

29、式中 直軸電樞反應(yīng)電抗； 激磁繞組的漏抗；阻尼繞組在直軸的漏抗。由此可得直軸超瞬態(tài)電抗的等效電路如圖1-15所示。如在轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組或者是當(dāng)阻尼繞組中的感應(yīng)電流衰減完畢，電樞反應(yīng)磁通可以穿過(guò)阻尼繞組時(shí)，磁路如圖1-13（b），其總磁導(dǎo)為 同理，直軸瞬態(tài)電抗的表示式為 直軸瞬態(tài)電抗的等效電路如圖1-16所示。（4）交軸瞬態(tài)電抗、超瞬態(tài)電抗及其表示式 在穩(wěn)定短路情況下，電樞反應(yīng)磁通全部穿過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯，如圖1-13（a）所示，這時(shí)的直軸同步電抗，是已證明過(guò)了的。 如果同步發(fā)電機(jī)不是出線端處發(fā)生短路，而是經(jīng)過(guò)負(fù)載阻抗短路，則由短路電流所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)不僅有直軸分量，而且也有交軸分量。由于沿著交軸的磁

30、路與沿著直軸的磁路有不同的磁阻，相應(yīng)的電抗也有不同的數(shù)值。前面早已闡明，對(duì)于凸極機(jī)而言，交軸同步電抗較直軸同步電抗為小。在突然短路初瞬，沿著交軸的電抗便為和。稱為交軸瞬態(tài)電抗或交軸暫態(tài)電抗，稱為交軸超瞬態(tài)電抗或交軸次暫態(tài)電抗。它們和相應(yīng)的直軸參數(shù)有不同的數(shù)值。 因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)在交軸沒(méi)有激磁繞組，故一般說(shuō)來(lái)，交軸瞬態(tài)電抗和交軸同步電抗相等，亦即 = 在有阻尼的情況下，由于阻尼繞組為一不對(duì)稱繞組，它在交軸所起的阻尼作用與在直軸所起的阻尼作用不同。與圖1-15相似，交軸超瞬態(tài)電抗的等效電路如圖1-17所示。由圖中的簡(jiǎn)單關(guān)系，可得 一般說(shuō)來(lái)，阻尼繞組在直軸所起的作用較在交軸所起的作用為大，故亦就較略大

31、。在不用阻尼繞組而由整塊鐵芯起阻尼作用的隱極式電機(jī)中，便和近似相等。（5）同步發(fā)電機(jī)的序分量電抗X1、X2、X0 分析同步發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行的基本方法是對(duì)稱分量法。應(yīng)用對(duì)稱分量法，可以把發(fā)電機(jī)不對(duì)稱的三相電壓、電流及其所激勵(lì)的磁勢(shì)分解為正序分量、負(fù)序分量和零序分量，然后對(duì)各個(gè)分量分別建立的端點(diǎn)方程式和相序方程式，求解各序分量并研究各序分量分別所產(chǎn)生的效果，最后，將它們疊加起來(lái)，就得出實(shí)際不對(duì)稱運(yùn)行的結(jié)果和影響。實(shí)踐證明，在不計(jì)飽和時(shí)，上述方法所求得的結(jié)果，特別是對(duì)于基波分量基本上是正確的。 在不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的空氣隙磁場(chǎng)為一橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即除了正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以外，尚有負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因?yàn)樗?/p>

32、們的旋轉(zhuǎn)方向不同，所以轉(zhuǎn)子回路的反應(yīng)也各不相同；對(duì)不同相序的電流，同步電機(jī)呈顯的電抗也就有不同的數(shù)值。 當(dāng)同步電機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，如前面各章所討論的情形，定子電流為一穩(wěn)定的對(duì)稱三相電流，實(shí)際上即一組正序分量，它們所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（即正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）和轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)磁場(chǎng)并不能在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這個(gè)電流所遇到的電抗便是同步電抗。故同步電機(jī)的正序電抗即系同步電抗，即 不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步速向著和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的方向旋轉(zhuǎn)，即該磁場(chǎng)將以兩倍同步速載切轉(zhuǎn)子繞組，將在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)一個(gè)兩倍于電源頻率的交變電流。對(duì)于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言，轉(zhuǎn)子繞組的作用為一短路繞組，致使負(fù)序

33、電流所遇到的便不再是同步電抗，而是另一個(gè)電抗x2，稱它為負(fù)序電抗，其數(shù)值遠(yuǎn)較同步電抗為小。 負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子激磁繞組和組尼繞組中所感應(yīng)的兩倍頻率的交變電流，將引起附加的銅損耗；負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)還將在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流，從而引起附加表面損耗。這些損耗都將使轉(zhuǎn)子溫升提高。此外，負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)還將在轉(zhuǎn)子軸和定子機(jī)座引起振動(dòng)。 根據(jù)我國(guó)“發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程”規(guī)定：在額定負(fù)載連續(xù)運(yùn)行時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)三相電流之差，不得超過(guò)額定值的10%，水輪發(fā)電機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)的三相電流之差，不得超過(guò)額定值的20%，同時(shí)任一相的電流不得大于額定值。在低于額定負(fù)載連續(xù)運(yùn)行時(shí)，各相電流之差可以大于上面所規(guī)定的數(shù)值，但應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定。 當(dāng)零

34、序電流流過(guò)定子繞組時(shí)，由各相零序電流所產(chǎn)生的三個(gè)脈動(dòng)磁勢(shì)，其幅值相等，時(shí)間上同相，而三者在空間各相隔120電角度，因此三相零序基波全成磁勢(shì)恰相至抵消，不形成氣隙互磁通，只存在一些漏磁場(chǎng)，數(shù)值一般很小。零電流所遇到的電抗為帶有漏抗性質(zhì)的零序電抗，用代表，較更小。 由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模很大，在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流的嚴(yán)重不對(duì)稱是不常見的。具有實(shí)際意義的不對(duì)稱運(yùn)行情況為故障狀態(tài)，如單相接地短路、二相短路和二相接地短路等。2 同步發(fā)電機(jī)的功率特性及靜態(tài)穩(wěn)定極限角2.1 凸極同步發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)向量圖 圖1-18是當(dāng)忽略發(fā)電機(jī)定子繞組的電阻及聯(lián)系電抗中的電阻成分，在不飽和情況下，凸極同步發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)的相量

35、圖。由該相量圖可推導(dǎo)出同步發(fā)電機(jī)的功率特性方程。圖1-18中。Ed 縱軸同步電勢(shì)，也叫空載電勢(shì)，是僅由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁磁勢(shì)在定子中所感應(yīng)的電勢(shì)。如果不計(jì)及飽和，它是和勵(lì)磁電流成正比的；uf 電機(jī)的端電壓；us 無(wú)限大系統(tǒng)母線電壓；I 定子電流，它分解為縱軸電流Id及橫軸電流Iq；Xd 縱軸同步電抗；Xq 橫軸同步電抗； 發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率因數(shù)角；wf 發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角；ws 無(wú)限大系統(tǒng)端的功率因數(shù)角；df 功率角，df有雙重的物理意義，一個(gè)意義是電勢(shì)Ed和端電壓uf間的相角差，另一個(gè)意義是產(chǎn)生電勢(shì)Ed的轉(zhuǎn)子主磁通0和產(chǎn)生端電壓uf的合成磁通之間的相角差（為0與k的相量和，而k為定子電樞反應(yīng)磁通加漏

36、磁通）；d 功率角，為Ed與uf間的相角差。2.2 同步發(fā)電機(jī)的功率特性由圖1-18可得： 因?yàn)楹雎远ㄗ永@組的電阻，則電機(jī)的電磁功率就等于輸出的有功功率。 （1-1） 電機(jī)輸出的無(wú)功功率為： （1-2）水輪發(fā)電機(jī)的，公式（1-1）及公式（1-2）就是水輪發(fā)電機(jī)輸出的有功功率及無(wú)功功率的特性方程。對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)而言，則公式（1-1）及公式（1-1）變?yōu)椋?（1-3） （1-4）公式（1-3）及公式（1-4）就是汽輪發(fā)電機(jī)輸出的有功功率及無(wú)功功率的特性方程。2.3 靜態(tài)穩(wěn)定極限角同理，從圖1-18中的、所組成的電壓三角形中，類同上述的推導(dǎo)步驟，則分別可得出水輪發(fā)電機(jī)及汽輪發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)功率

37、輸送到無(wú)限大系統(tǒng)母線端的有功功率及無(wú)功功率的特性方程，見公式（1-5）公式（1-8）。其結(jié)果只不過(guò)是把公式（1-1）公式（1-4）中的電壓換成，功率角換成，而電抗換成，換成，就可變換成公式（1-5）公式（1-8）。公式（1-5）、（1-6）為水輪發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)的、值；公式（1-7）、（1-8）為汽輪發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)的、值。 （1-5） （1-6） （1-7） （1-8）無(wú)限大系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)等值大發(fā)電機(jī)，該等值發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗為零，則其端電壓等于電勢(shì)并為常數(shù)；又其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則其頻率也為常數(shù)。這里討論單機(jī)經(jīng)一定的聯(lián)系電抗與無(wú)限大系統(tǒng)相接的情況，不僅能使研究的問(wèn)題簡(jiǎn)化，而且也符合實(shí)際情況，因?yàn)樵诂F(xiàn)代大電

38、網(wǎng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，在絕大多數(shù)場(chǎng)合，系統(tǒng)對(duì)它們而言都可以認(rèn)為是無(wú)限大的。另外，在實(shí)際計(jì)算中，通常忽略聯(lián)系電抗中的電阻成分，只計(jì)及其電抗成分；因此，發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出的有功功率值與輸送到無(wú)限大系統(tǒng)母線端的有功功率值是相等的，即公式（1-1）與公式（1-5）的值相等，公式（1-3）與公式（1-7）的值相等。但是，發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出的無(wú)功功率卻與輸送到無(wú)限大系統(tǒng)母線端的無(wú)功功率不等，即公式（1-2）與公式（1-6）的值不等，公式（1-4）與公式（1-8）的值也不等。對(duì)于某特定的發(fā)電機(jī)（為常數(shù)）及一定的運(yùn)行方式（為常數(shù)），在勵(lì)磁固定的情況下（為常數(shù)），傳輸功率與功率角的關(guān)系曲線稱為功角特性曲線。汽輪發(fā)電機(jī)輸電系

39、統(tǒng)的功角特性曲線可由公式（1-7）得到，見圖1-19；水輪發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)的功角特性曲線可由公式（1-5）得到，見圖1-20。圖1-19及圖1-20中曲線的最大值稱為“系統(tǒng)的自然功率極限”，理論上它是傳輸功率的最大值。實(shí)際上，為運(yùn)行可靠起見，必須有一定的儲(chǔ)備或裕度，運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)比自然功率極限低些，這個(gè)裕度稱為“靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)”，通常不小于15%。圖1-19 汽輪發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)的功角特性圖2-20 水輪發(fā)電機(jī)輸電系統(tǒng)的功角特性眾所周知，在圖1-19及圖1-20功角特性曲線的上升部分的所有點(diǎn)，其，都是靜態(tài)穩(wěn)定的。相反，在曲線下降部分的所有點(diǎn)，其，都是靜態(tài)不穩(wěn)定的。而曲線的頂點(diǎn)，即代表自然功率極限值之處

40、，其，則是由靜態(tài)穩(wěn)定過(guò)渡到靜態(tài)不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即發(fā)電機(jī)開始與系統(tǒng)失步的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，或稱為臨界失步點(diǎn)。臨界失步點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角，稱為靜態(tài)穩(wěn)定極限角，或稱為臨界失步角，用符號(hào)表示。3 發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定性及振蕩 電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定性，是最受關(guān)注也得到認(rèn)真考核的一種穩(wěn)定性。 按照我國(guó)的現(xiàn)行規(guī)程，把電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定性分為三類，即靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。 為了便于定性說(shuō)清楚電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題，先研究單機(jī)對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)這種最簡(jiǎn)單的、也是最基本的一種運(yùn)行方式，如圖1-21考慮聯(lián)絡(luò)線阻抗為純電感，則由發(fā)電機(jī)向無(wú)窮大系統(tǒng)送出的有功功率是： (1-9)式中 包括發(fā)電機(jī)阻抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)電動(dòng)

41、勢(shì)到無(wú)窮大系統(tǒng)母線的總阻抗。式（1-9）可以用圖表示為關(guān)系，如圖1-22。假定發(fā)電機(jī)送出的有功功率為，用圖1-22來(lái)說(shuō)明上述的三種穩(wěn)定概念。（1）靜態(tài)穩(wěn)定 理論上發(fā)電機(jī)可運(yùn)行在S1點(diǎn)或S2點(diǎn)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行在S1點(diǎn)，是靜態(tài)穩(wěn)定，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生微量擾動(dòng)引起發(fā)電機(jī)的輸出功率變化時(shí)，角可以作相適量的微量變化；而S2 點(diǎn)則是不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生微量擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的角或者在擾動(dòng)后跑回到S1點(diǎn)或者不斷向180增大而與系統(tǒng)失去穩(wěn)定。顯然，靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的極限送電角是=90。實(shí)際，必須小于90才有可能運(yùn)行。（2）暫態(tài)穩(wěn)定 假定在高壓母線出口空載分支短線上發(fā)生金屬性三相短路故障（圖1-21）。發(fā)生故障前，

42、發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)送出的有功功率為P0。以無(wú)窮大系統(tǒng)母線電壓為基準(zhǔn)（所謂無(wú)窮大系統(tǒng)，是指具有無(wú)限大慣性，內(nèi)阻抗為零的一個(gè)假想系統(tǒng)。它的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)的絕對(duì)值及相位角都相對(duì)于額定轉(zhuǎn)速固定不變，母線電壓和無(wú)窮大系統(tǒng)的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)完全一樣）。在發(fā)生三相短路期間，高壓側(cè)母線電壓為零，發(fā)電機(jī)完全不能送出有功功率，而輸入到發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率來(lái)不及變化，于是功率過(guò)剩，使發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子加速，發(fā)電機(jī)的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)角也相對(duì)于無(wú)窮大系統(tǒng)電壓而不斷增大。到故障切除時(shí)，轉(zhuǎn)子角已增至t（圖1-22），送電恢復(fù)，但此時(shí)的送電功率大于機(jī)械輸入功率P0，于是轉(zhuǎn)子開始減速。到b時(shí)，面積B適等于面積A。面積A代表了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)獲得的加速能量，而面積B

43、則表示了制動(dòng)能量，因而到t時(shí)，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速0,但對(duì)應(yīng)于t時(shí)的P值仍然大于P0,發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子將繼續(xù)制動(dòng)減速,角回?cái)[。若故障切除時(shí)間增大，t與b也將隨之增大，至b到達(dá)與0對(duì)稱的一點(diǎn)（180-0）時(shí)，是暫態(tài)穩(wěn)定的極限情況，對(duì)應(yīng)于此時(shí)的t角為臨界切除角，相應(yīng)的故障切除時(shí)間則稱為臨界切除時(shí)間。如果切除時(shí)間更遲，在跨過(guò)（180-0）那一點(diǎn)后，發(fā)電機(jī)組在沒(méi)有得到恢復(fù)平衡所需要的足夠面積時(shí)，又滑入加速過(guò)程，于是角將繼續(xù)增大超過(guò)180，迅速對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)失去同步。用加速面積A等于制動(dòng)面積B作判據(jù)來(lái)判定發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性，叫等面積定則。在圖1-22上，還畫出了在上述短路情況下可以保持暫態(tài)穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)組

44、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化情況。故障前，發(fā)電機(jī)具有額定轉(zhuǎn)速0，=0，短路后，到t時(shí)，為正的最大值，到b時(shí)，=0，隨的回?cái)[，發(fā)電機(jī)因制動(dòng)而減速，變?yōu)樨?fù)，到對(duì)應(yīng)于0處時(shí)為負(fù)的最大，然后逐漸恢復(fù)。 （3）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定涉及發(fā)電機(jī)的阻尼力矩問(wèn)題。所謂阻尼力矩是指當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，發(fā)電機(jī)本身所具有的反應(yīng)于這種轉(zhuǎn)速變化的力矩。所謂正的阻尼力矩，是指這種力矩的方向正好制止（阻尼）轉(zhuǎn)速變化，即當(dāng)轉(zhuǎn)速增高到大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，這個(gè)力矩起制動(dòng)作用；而當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，則起加速作用。反之，就叫作有負(fù)的阻尼力矩。而負(fù)的阻尼力矩的作用，則是進(jìn)一步推動(dòng)轉(zhuǎn)速的變化，使之不斷加大。影響發(fā)電機(jī)阻尼力矩的有多種因素，單就發(fā)電機(jī)本

45、身結(jié)構(gòu)來(lái)看，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組或者是汽輪發(fā)電機(jī)整體轉(zhuǎn)子本身，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞反應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速不相同，即0時(shí)，產(chǎn)生的是正的阻尼力矩。十分顯然，如果=0，阻尼力矩也當(dāng)然為零，也就無(wú)所謂正負(fù)了。由此可見，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題發(fā)生在當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有所變化的情況下。仍以圖1-21的情況為例。先說(shuō)微擾動(dòng)情況。假定由于系統(tǒng)的微小的狀態(tài)變化，見圖1-23，例如無(wú)窮大母線側(cè)電壓微有增大，發(fā)電機(jī)的功角曲線將由曲線跳到曲線，并且應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定到新的角度。在電壓變化的開始，發(fā)電機(jī)輸出的電功率大于機(jī)械輸入功率P0，轉(zhuǎn)子制動(dòng)，轉(zhuǎn)速開始降低，為負(fù)值，角也開始回?cái)[。以沒(méi)有阻尼的情況為標(biāo)準(zhǔn)。如果發(fā)電機(jī)有正的阻尼力矩，在整

46、個(gè)轉(zhuǎn)速下降過(guò)程中，這個(gè)阻尼力矩是加速力矩，因而由始點(diǎn)開始的功角曲線斜度將相對(duì)增大，在大于時(shí)就將達(dá)到P0值，然后向最后平衡點(diǎn)靠攏，經(jīng)過(guò)一二個(gè)搖擺周期后，就可以達(dá)到新的穩(wěn)定平衡，見圖1-23中的曲線 b ；如果發(fā)電機(jī)有負(fù)的阻尼力矩，由始點(diǎn)開始的功角曲線將變得較為平坦，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速下降過(guò)程中，這個(gè)阻尼力矩將是制動(dòng)力矩，使得在小于時(shí)才能達(dá)到P0值，然后進(jìn)一步離開最終平衡點(diǎn)，經(jīng)過(guò)這樣的角度搖擺，角愈擺愈大，直到超過(guò)（180-）而失去穩(wěn)定，見圖1-23中的曲線c 。為了說(shuō)清楚問(wèn)題，圖1-23中畫出了第一個(gè)搖擺周期時(shí)，不同阻尼情況下的功角曲線P= ()和= ()曲線。在大擾動(dòng)情況下出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，其機(jī)理與

47、些同。 （4）發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間振蕩及滑極保護(hù)為提高安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，在一次、二次系統(tǒng)需采取多處措施，長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐證明：“不管對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求如何嚴(yán)格，措施如何完善，總可能因一些事先不可預(yù)計(jì)的各種偶然因素疊加，產(chǎn)生穩(wěn)定破壞事故，而過(guò)分提高對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，需要大量的投資”。在現(xiàn)代的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)持續(xù)振蕩最令人關(guān)心的事情，是對(duì)大型發(fā)電機(jī)組有何嚴(yán)重影響。要求振蕩時(shí)機(jī)組不解列、作為短時(shí)失步運(yùn)行，特別是對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)組說(shuō)來(lái)，能否造成嚴(yán)重的后果？GIGRE大會(huì)以第八委員會(huì)的名義向大會(huì)提交了一篇報(bào)告，題目是對(duì)同步發(fā)電機(jī)某些異常運(yùn)行情況的導(dǎo)則草案，其中涉及失步運(yùn)行問(wèn)題如下；失步運(yùn)行這種保持勵(lì)磁的同步

48、機(jī)運(yùn)行模式既不利于機(jī)組也不利于系統(tǒng)。由此可能引起水輪和汽輪發(fā)電機(jī)本身和汽輪發(fā)電機(jī)組軸的高機(jī)械應(yīng)力和電磁應(yīng)力。因而目前廣泛采用：可以允許汽輪發(fā)電機(jī)在一定條件下作短時(shí)期的失步運(yùn)行。這個(gè)條件可以簡(jiǎn)要地按在失步過(guò)程中，振蕩中心是否多次落入發(fā)電機(jī)升壓變壓器及至發(fā)電機(jī)本身為標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時(shí)的機(jī)端測(cè)量阻抗在各院校的教課書中均有介紹，當(dāng)認(rèn)為Ed=Us時(shí)，振蕩中心位于處；當(dāng)Xs=0時(shí)，振蕩中心即位于處；當(dāng)=180測(cè)量阻抗的最小值為。4 同步發(fā)電機(jī)失磁的物理特性4.1 發(fā)電機(jī)的失磁運(yùn)行及其產(chǎn)生的影響大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的種類很多，例如滅磁開關(guān)誤跳閘而轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)滅磁電阻短接、轉(zhuǎn)子線圈短路、轉(zhuǎn)子線

49、圈回路斷線而開路、硅整流的故障以及自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置的故障等，都將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)全部或部分失磁。這對(duì)電機(jī)本身及電力系統(tǒng)有時(shí)會(huì)造成重大危害，尤其是在失磁而失步以后。因此，現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)已經(jīng)或正在普遍裝設(shè)失磁保護(hù)與失磁失步保護(hù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流將逐漸衰減至零。由于發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)Ed隨著勵(lì)磁電流的減小而減小，因此，其電磁轉(zhuǎn)矩也將小于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因而引起轉(zhuǎn)子加速，使 發(fā)電機(jī)的功角增大。當(dāng)超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限角時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)失磁后將從并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)中吸取電感性無(wú)功功率供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)。在發(fā)電機(jī)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子回路中將感應(yīng)出頻率為（此處為對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)

50、轉(zhuǎn)速的頻率，為系統(tǒng)的頻率）的電流，此電流產(chǎn)生異步制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)異步轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡時(shí)，即進(jìn)入穩(wěn)定的異步運(yùn)行。根據(jù)電機(jī)學(xué)的分析，異步發(fā)電機(jī)的等效電路與異步電動(dòng)機(jī)的相似，可以用圖1-24來(lái)表示，圖中：X1為定子繞組漏抗；X2為轉(zhuǎn)子繞組漏抗；R2為轉(zhuǎn)子繞組電阻；s為轉(zhuǎn)差率為反映發(fā)電機(jī)功率大小的等效電阻；Xad為定子與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感電抗。當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后而異步運(yùn)行時(shí)，將對(duì)電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生以下影響：（1）需要從電網(wǎng)中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)。所需無(wú)功功率的大小，主要取決于發(fā)電機(jī)的參數(shù)（X1、X2、Xad）以及實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率。例如，汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)相比，前者的同步電抗

51、Xd（=X1+Xad）較大，則所需無(wú)功功率較小。又當(dāng)S增大時(shí)，減小，I1和I2隨之增大，則相應(yīng)所需的無(wú)功功率也要增加。假設(shè)失磁前發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)送出無(wú)功功率Q1，而在失磁后從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率Q2，則系統(tǒng)中將出現(xiàn)Q1+Q2的無(wú)功功率差額。（2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率將引起電力系統(tǒng)的電壓下降，如果電力系統(tǒng)的容量較小或無(wú)功功率的儲(chǔ)備不足，則可能使失磁發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、升壓變壓器高壓側(cè)的母線電壓 、或其它鄰近點(diǎn)的電壓低于允許值，從而破壞了負(fù)荷與各電源間的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解。（3）由于失磁發(fā)電機(jī)吸收了大量的無(wú)功功率，因此為了防止其定子繞組的過(guò)電流，發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的有功功率將較同步

52、運(yùn)行時(shí)有不同程度的降低，吸收的無(wú)功功率越大，則降低的越多。（4）失磁后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，因此，在轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路中將產(chǎn)生頻率為的交流電流，因而形成附加的損耗，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁回路過(guò)熱。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)差率越大時(shí)，所引起的過(guò)熱也越嚴(yán)重。根據(jù)以上分析，結(jié)合汽輪發(fā)電機(jī)來(lái)看，由于其異步功率比較大，調(diào)速器也比較靈敏，因此當(dāng)超速運(yùn)行后，調(diào)速器立即關(guān)小汽門，使汽輪機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)的異步功率很快達(dá)到平衡，在轉(zhuǎn)差率小于0.5%的情況下即可穩(wěn)定運(yùn)行。故汽輪發(fā)電機(jī)在很小的轉(zhuǎn)差下異步運(yùn)行一段時(shí)間，原則上是安全允許的。此時(shí)，是否需要并允許其異步運(yùn)行，則主要取決于電力系統(tǒng)的具體情況。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率供應(yīng)比較緊張，同時(shí)一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁后，系統(tǒng)能夠供給它所需要的無(wú)功功率，并能保證電網(wǎng)的電壓水平時(shí)，則失磁后就應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行；反之，如