RCS-985系列發(fā)電機變壓器成套保護裝置培訓(xùn)教材(ZL_PXJC0106.0601)

1、ZL_PXJC0106.0601ZL_PXJC0106.0601發(fā)電機變壓器成套保護裝置 培訓(xùn)教材 說明：此頁為封面，印刷時必須與公司標準圖標合成，確保資料名稱、資料編號及其相對位置與本封面一致。南瑞繼保電氣有限公司版權(quán)所有本說明書和產(chǎn)品今后可能會有小的改動，請注意核對實際產(chǎn)品與說明書的版本是否相符。更多產(chǎn)品信息，請訪問互聯(lián)網(wǎng)：http:/www.nari-1目目 錄錄1 1基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 .1 11.11.1 同步發(fā)電機保護的基本知識同步發(fā)電機保護的基本知識.1 11.1.1 同步發(fā)電機基本工作原理 .11.1.2 同步發(fā)電機的分類 .11.1.3 銘牌 .21.1.4 同步發(fā)電機的運行特

2、性 .21.1.5 同步發(fā)電機的參數(shù) .71.21.2 同步發(fā)電機的功率特性及靜態(tài)穩(wěn)定極限角同步發(fā)電機的功率特性及靜態(tài)穩(wěn)定極限角.15151.2.1 凸極同步發(fā)電機輸電系統(tǒng)向量圖 .151.2.2 同步發(fā)電機的功率特性.161.2.3 靜態(tài)穩(wěn)定極限角 .171.31.3 發(fā)電機與電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性及振蕩發(fā)電機與電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性及振蕩.19191.3.1 靜態(tài)穩(wěn)定 .191.3.2 暫態(tài)穩(wěn)定 .201.3.3 動態(tài)穩(wěn)定 .241.41.4 同步發(fā)電機的部分或全部失磁同步發(fā)電機的部分或全部失磁.25251.4.1 發(fā)電機的失磁運行及其產(chǎn)生的影響 .251.4.2 發(fā)電機各種運行方式下

3、的機端測量阻抗 .261.4.3 發(fā)電機失磁后的機端測量阻抗 .271.51.5 同步發(fā)電機內(nèi)部故障及異常運行同步發(fā)電機內(nèi)部故障及異常運行.31311.5.1 大機組特點及對繼電保護的要求 .311.5.2 內(nèi)部故障及異步運行 .341.5.3 發(fā)電機定子縱差保護 .351.5.4 發(fā)電機單元件式橫差保護 .381.5.5 裂相橫差保護 .391.5.6 發(fā)電機的定子接地故障 .401.5.7 發(fā)電機零序電壓定子匝間故障保護 .451.5.8 工頻變化量方向匝間保護 .461.5.9 負序電流對發(fā)電機運行的影響 .461.5.10 發(fā)電機失磁保護 .471.5.11 勵磁回路接地保護 .491

4、.5.12 發(fā)電機異常運行保護 .5011 1基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識1.11.1 同步發(fā)電機保護的基本知識同步發(fā)電機保護的基本知識電廠中的發(fā)電機都為同步電機，它把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^輸電線路等設(shè)備送往用戶。.1 同步發(fā)電機基本工作原理同步發(fā)電機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，將導(dǎo)線連成閉合回路，就有電流流過，同步發(fā)電機就是利用電磁感應(yīng)原理將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?。圖 1-1 為同步發(fā)電機示意圖。導(dǎo)線放在空心圓筒形鐵芯的槽里。鐵芯是固定不動的，稱為定子。磁力線由磁極產(chǎn)生。磁極是轉(zhuǎn)動的，稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是構(gòu)成發(fā)電機的最基本部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵

5、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)子上有勵磁繞組（也稱轉(zhuǎn)子繞組）R-L。通過電刷和滑環(huán)的滑動接觸，將勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵磁繞組，產(chǎn)生穩(wěn)恒的磁場。當轉(zhuǎn)子被原動機帶動旋轉(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)出電勢來。感應(yīng)電勢的方向由右手定則確定。由于導(dǎo)線有時切割 N 極，有時切割 S 極，因而感應(yīng)的是交流電勢。交流電勢的頻率 f，決定于電機的極對數(shù) p 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù) n，即：f = ZH60pn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)子磁場的磁力線，所以在三相繞組中電勢的相位是不同的，依次

6、差 120，相序為A、B、C。當發(fā)電機帶上負荷以后，三相定子繞組中的定子電流（電樞電流） ，將合成產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子以同速度、同方向旋轉(zhuǎn)，這就叫“同步” 。同步電機也由此而得名。它的特點是轉(zhuǎn)速與頻率間有著嚴格的關(guān)系，即：n = p60f.2 同步發(fā)電機的分類同步發(fā)電機的分類同步發(fā)電機的種類按原動機不同來分，可分為：（1）汽輪發(fā)電機一般是臥式的，轉(zhuǎn)子是隱極式的。（2）水輪發(fā)電機一般是立式的，轉(zhuǎn)子是凸極式的。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：2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 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)

7、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。.3 銘牌銘牌電機上的銘牌是制造廠向使用單位介紹該臺電機的特點和額定數(shù)據(jù)用的。其所標的量，如容量、電流、電壓等都是額定值。所謂額定值，就是能保證電機正常連續(xù)運行的最大限值，即在此額定數(shù)據(jù)的情況下運行，發(fā)電機壽命可以達到預(yù)期的年限。銘牌上標的主要項目有：（1） 額定電流：額定電流是該臺電機正常連續(xù)進行的最大工作電流。（2） 額定電壓：額定電壓是該臺電機長期安全工作的最高電壓。發(fā)電機的額定電

8、壓指的是線電壓。（3） 額定容量：額定容量是指該臺電機長期安全運行的最大輸出功率。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。（4） 額定功率因數(shù) cos：同步發(fā)電機的額定功率因數(shù)是額定有功功率和額定視在功率的比值。銘牌上一般標有功功率和 cos 值，或標視在功率和 cos值。上述額定電流、電壓、容量、功率因數(shù)是相對應(yīng)的，知道其中幾個量，就可以求算出其余的量。.4 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性，一般是指發(fā)電機的空載特性、短路特性、負載特性、外特性和調(diào)整特性等五種。從運行的角度看，外特性和調(diào)整特性是主要的運行特性，根據(jù)這些特性，

9、運行人員可以判斷發(fā)電機的運行狀態(tài)是否正常，以便及時調(diào)整，保證高質(zhì)量安全發(fā)電?？蛰d特性、短路特性和負載特性則是檢驗發(fā)電機基本性能的特性，用于測量、計算發(fā)電機的各項基本參數(shù)。1 1）空載特性）空載特性發(fā)電機空載特性是指發(fā)電機以額定轉(zhuǎn)速空載運行時其電勢 E0與勵磁電流 I1之間的關(guān)系曲線。當發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)，其端電壓 U 就等于電勢 E0，因此該曲線也就是空載時端電壓與勵磁電流的關(guān)系曲線。電勢決定于氣隙磁通，空載時的氣隙磁通決定于轉(zhuǎn)子磁勢，轉(zhuǎn)子磁勢又決定于勵磁電流，所以這曲線表達了電機中“電”與“磁”的聯(lián)系。如圖 1-2 所示空載特性曲線，E0=f（I1） 。做空載特性試驗時，應(yīng)維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速

10、不變，逐漸增加勵磁電流，直至端電壓等于額定電壓的 130%時為止。在增加勵磁電流的過程中，讀取勵磁電流值及與其對應(yīng)的端電壓值，便可以得到空載特性的上升分支。3接著減小勵磁電流，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。實際應(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，使曲線通過坐標 0點，如圖 1-2（b）所示。 空載特性曲線實際上是一條具有電機這樣一個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，說明鐵芯未飽和。曲線的后一段彎曲，E0與 I1不成

11、直線關(guān)系，說明鐵芯已經(jīng)逐漸飽和，而且隨著 I1的增大，飽和越來越嚴重。在試驗時，要注意當向某一方向（如 I1增大）調(diào)節(jié)勵磁電流時，只許向同一方向逐漸調(diào)節(jié)，不要往返來回調(diào)，這是由于鐵芯的磁化與其經(jīng)歷的磁化過程有關(guān)。空載特性曲線是發(fā)電機的一條最基本的特性曲線?？梢杂盟鼇砬蟀l(fā)電機的電壓變化率、未飽和的同步電抗值等參數(shù)。在實際工作中，它還可以用來判斷勵磁繞組及定子鐵芯有無故障等。2 2）短路特性）短路特性 所謂短路特性，是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下，定子三相繞組短路時，定子穩(wěn)態(tài)短路電流 I 與勵磁電流 I1的關(guān)系曲線，即 I=f (I1)。如圖 1-3。在做短路特性試驗時，要先將發(fā)電機三相繞組的出線端短路。

12、然后，維持轉(zhuǎn)速不變，增加勵磁，讀取勵磁電流及相應(yīng)的定子電流值，直到定子電流 I 達額定電流值時為止。在試驗過程中，調(diào)整勵磁電流時也不要往返來回調(diào)。短路試驗測得的短路特性曲線，不但可以用來求取同步發(fā)電機的重要參數(shù)未飽和的同步電抗與短路比外，在電廠中，也常用它來判斷勵磁繞組有無匝間短路等故障。顯然，勵磁繞組存在匝間短路時，因安匝數(shù)的減少，短路特性曲線是會降低的。III10圖 1-3 短路特性43 3）負載特性）負載特性負載特性是當轉(zhuǎn)速、靜子電流為額定值，功率因數(shù) cos=常數(shù)時，發(fā)電機電壓與勵磁電流之間的關(guān)系，即 U=曲 f(I1)。如圖 1-4 所示為不同功率因數(shù)時的負載特性曲線。當 cos值不

13、同，我們即可得到不同負荷種類的負載特性曲線。用負載特性與空載、短路特性，可以測定發(fā)電機的基本參數(shù)，是電機設(shè)計、制造的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。4 4）外特性）外特性發(fā)電機帶上負荷以后，端電壓就會有所變化，外特性就是反映這種變化規(guī)律的曲線。所謂外特性，就是指勵磁電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更負荷（定子電流 I）時端電壓 U 的變化曲線，即 U=f(I)。如圖 1-5 所示為幾個不同功率因數(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，當定子電流增加時，電壓降落較大，這是由于此時電樞反應(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，電壓反應(yīng)升高，這是由于電樞反

14、應(yīng)是助磁的。在 cos=1 時，電壓降落較小。外特性可以用來分析發(fā)電機運行中的電壓波動情況，藉以提出對自動調(diào)節(jié)勵磁裝置調(diào)節(jié)范圍的要求。一般用電壓變化率來描述電壓波動的程度。從發(fā)電機的空載到額定負載，端電壓變化對額定電壓的百分數(shù)，稱電壓變化率U，即： U = 100%UeUeE0式中：-發(fā)電機空載電勢或電壓；0E -額定電壓。Ue汽輪發(fā)電機的U=3048%。5 5）調(diào)整特性）調(diào)整特性電壓會隨負荷的變化而變動，要維持端電壓不變，必須在負荷變動時調(diào)整勵磁電流。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，變更負荷（定子電流I）時勵磁電流 I1的變化曲線，即 I1的變化曲線，即 I1=f(I

15、)，如圖 1-6 所示。5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，負荷增加，勵磁電流也必須增加。這是因為此時去磁作用加強，要維持氣隙磁通，必須增加轉(zhuǎn)子磁勢。在超前的功率因數(shù)下，負荷增加，勵磁電流一般還要降低。這是因為電樞反應(yīng)有助磁作用的緣故。調(diào)整特性可以使運行人員了解：在某一功率因數(shù)時，定子電流到多少而不使勵磁電流超過制造廠的規(guī)定值，并能維持額定電壓。利用這些曲線，可使電力系統(tǒng)無功功率分配更合理一些。6 6）同步發(fā)電機有功功率的輸出）同步發(fā)電機有功功率的輸出當發(fā)電機空載時，定子繞組中的電流 I=0，即電樞不會產(chǎn)生磁勢。此時發(fā)電機中，只有由轉(zhuǎn)子主磁極的勵磁磁勢

16、所建立的主磁場，如圖 1-7（a）所示。這時發(fā)電機的端電壓等于由主磁場產(chǎn)生的空載電勢，原動機輸給發(fā)電機的功率 P1只要克服空載損耗0E就行了。圖 1-7 同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場與氣隙磁場之間的夾角 d （a a）發(fā)電機空載時，）發(fā)電機空載時，d=0=0；（；（b b）發(fā)電機帶負荷時，）發(fā)電機帶負荷時，d 角的大小與負荷大小和性質(zhì)有關(guān)角的大小與負荷大小和性質(zhì)有關(guān)6當發(fā)電機定子繞組端接上負荷時（假定負荷是純電阻性的） ，定子繞組中就出現(xiàn)了電流 I，發(fā)電機向負荷輸出有功功率，于是發(fā)電機轉(zhuǎn)子受到一個制動轉(zhuǎn)矩的作用，這個制動轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩加起來，比原動機的拖動轉(zhuǎn)矩要大，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度變慢。為了保持同步發(fā)

17、電機以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，就必須增加原動機的拖動轉(zhuǎn)矩（增加汽輪機的進汽量） ，于是轉(zhuǎn)子又要加速，直到原動機所供給的機械功率與發(fā)電機輸出的電功率（還要加上發(fā)電機內(nèi)部的損耗）重新達到平衡，發(fā)電機才重新以穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。由于定子繞組中出現(xiàn)了電流，則在發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子和氣隙中，由繞組電流產(chǎn)生的磁勢 F 建立了第二個磁場電樞反應(yīng)磁場。我們稱電樞反應(yīng)磁場對主磁場的影響叫電樞反應(yīng)。如果負荷是純電阻性的，氣隙磁路是均勻的，那么電樞反應(yīng)的結(jié)果是使發(fā)電機的氣隙磁場發(fā)生向移，即氣隙合成磁場對于主磁場來說，逆著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向偏轉(zhuǎn)了一個 d 角度，如圖 1-7（b）所示。如果繼續(xù)使負荷增大，即發(fā)電機輸出的有功功率增加，那么

18、原動機的輸入功率也必須增加。但是負荷的增加就表示著定子繞組電流的增加，即電樞磁勢要增加。因此，電樞反應(yīng)作用增強，使得發(fā)電機氣隙磁場軸線與主磁極磁場軸線之間的夾角 d 繼續(xù)增大。如果發(fā)電機的負荷是純電抗（純電感或純電容） ，那么發(fā)電機中就只有去磁或助磁電樞反應(yīng)，其結(jié)果只是使發(fā)電機的磁場削弱或增強，而不會使磁場歪扭。由于感性負荷的去磁性電樞反應(yīng)，使得發(fā)電機向純電感負荷送電時，發(fā)電機氣隙磁場由于去磁作用而將被消弱，端電壓就要降低；當負荷為容性時，電樞反應(yīng)是助磁性質(zhì)的，將使端電壓升高。一般情況下，負荷常常是電感性的，所以它既有使主磁場相當于電阻負荷的向移，又有相當于電感性負荷的去磁作用。這樣，發(fā)電機就

19、向負荷既送出了有功功率，又送出了無功功率。由此可見，在同步發(fā)電機中，氣隙磁場軸線與主磁極磁場軸線之間的夾角 d 的大小，與同步發(fā)電機輸出的有功功率大小有關(guān)。當同步發(fā)電機輸出的有功功率增大時，原動機輸入的機械功率增大，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)電機在額定負荷下運行時，d 角約為 2530。同步發(fā)電機的這種運行狀況，就好象是發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場和氣隙磁場之間有一些橡皮筋連在一起，如圖 1-8 所示。由轉(zhuǎn)子磁場拖動氣隙磁場在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機輸出的有功功率越大，橡皮筋就被拉得越長，轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)前于氣隙磁場的角度 d 就越大。7圖 1-8 發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場拖動氣隙磁場在空

20、間以同步速度施轉(zhuǎn).5 同步發(fā)電機的參數(shù)同步發(fā)電機的參數(shù)1 1）兩種旋轉(zhuǎn)磁場的概念）兩種旋轉(zhuǎn)磁場的概念轉(zhuǎn)子上裝有直流激磁磁極，它與轉(zhuǎn)子無相對運動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，形成旋轉(zhuǎn)磁場，稱機械旋轉(zhuǎn)磁場。定子流過三相對稱電流，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢，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。當某相電流達到最大值時，旋轉(zhuǎn)磁場的振幅恰好轉(zhuǎn)到該相軸線處，該旋轉(zhuǎn)磁場稱電樞磁場。順著旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)子磁場超前于電樞磁場的為發(fā)電機運行，這時轉(zhuǎn)子由外施機械轉(zhuǎn)矩拖動，對轉(zhuǎn)子而言，電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用的力是個電磁阻力；反之電樞磁場超前于轉(zhuǎn)子磁場為電動機運行方式，這時電樞磁場作用到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩是

21、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。兩個旋轉(zhuǎn)磁場空間有相位差。2 2）同步發(fā)電機的電樞反應(yīng)及等值電勢電路圖）同步發(fā)電機的電樞反應(yīng)及等值電勢電路圖（1）隱極同步發(fā)電機電樞反應(yīng)及等值電勢電路圖在穩(wěn)定運行時，定子與轉(zhuǎn)子兩種旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子繞組沒有相對運動，因而不會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 這兩個磁場只在定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，在不考慮磁路飽和的情況下，轉(zhuǎn)子磁場感應(yīng)空載電勢 E0，電樞磁場感應(yīng)的電勢為電樞反應(yīng)電勢 Ea, 則有：E E0 0+E+Ea a=U=Uf f+I(r+I(ra a+jx+jxs) )式中：Uf為機端電壓xs為定子繞組漏抗ra為定子電阻可用圖 1-9 描述圖 1-9 隱極同步電勢的等值電路圖 1（2）凸極機空

22、載磁勢波形圖對凸極轉(zhuǎn)子而言，空載時轉(zhuǎn)子磁勢波為方波，取其基波分析，如圖 1-10。假如當8氣隙均勻時，它產(chǎn)生的磁通密度分布也按正弦分布，當磁場旋轉(zhuǎn)時，定子繞組中所匝鏈的磁通也就隨時間按正弦規(guī)律變化，從而繞組感應(yīng)電勢也隨時間按正弦規(guī)律變化，可以分別用空間矢量和時間相量表示，又因為二者有相同的角速度，所以可以畫在同一坐標平面上，如果把相繞組軸線作為空間矢量參考軸，則會給分析同步電機的電磁關(guān)系帶來方便。圖 1-10 凸極機空載磁勢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)與時間軸 t 同相，0越前 E0為 90。時間相量有 E0，空間失量有磁勢 Ff1、

23、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。時間相量與空間失量之9間的相角是無物理意義的。10（3）有負載時電樞反應(yīng)磁勢圖 空載時 U = E0 有負載時，便產(chǎn)生電樞磁勢，對空間磁場的影響稱電樞反應(yīng)。電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢的相對位置取決于負載電流的性質(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。IE= 0 I、E0同相 cos=1 sin=0 不發(fā)出無功功率，只發(fā)有功功率= 90 cos=0 sin=1 不發(fā)出有功功率，只發(fā)無功功率= 180 I、E0反相

24、 cos=-1 sin=0 從電網(wǎng)吸收有功，電動機運行=-90 cos=0 sin=-1 向電網(wǎng)送容性無功由于 角可以是任意角，可以把電樞磁勢分解為直軸和交軸兩個分量分析,如圖 1-11所示。同步發(fā)電機最常見的運行工況為 0，電樞反應(yīng)磁場落后于轉(zhuǎn)子磁場，即2Ff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3 3）同步發(fā)電機的電抗）同步發(fā)電機的電抗（1）隱極同步發(fā)電機的同步電抗電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢 Ea，可以把它看作相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降，這個電抗便是電樞反應(yīng)電抗 Xa。即 Ea=-jI

25、Xa，進一步再把Xa 與漏磁 Xa 合并為一個電抗 Xs=Xa+X ,這個 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應(yīng)于定子繞組的漏磁通的作用，另一部分對應(yīng)于定子電流所產(chǎn)生的空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的作用。在實際應(yīng)用上，我們通常不把它們分開，而把 Xa+X 當作一個同步電抗來處理。這是因為， （1）在計算同步電機的各種性能時，一般只需要應(yīng)用同步電抗，無需把它的兩個組成部分分開；（2）在實際測量時，直接測定同步電抗要較分別測定 Xa 及 X 為方便。電樞反應(yīng)電抗對應(yīng)于通過空氣隙的互磁通，亦即對應(yīng)于定子旋轉(zhuǎn)磁場，因此它的

26、數(shù)11值很大。顯然要大于和定子繞組漏磁通相應(yīng)的定子漏抗。因為漏抗 X 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)磁場與轉(zhuǎn)子都以同步速同方向旋轉(zhuǎn)。定子磁場并不切割轉(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)磁場所經(jīng)磁路的一個組成部分，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。需要強調(diào)指出，只有當定子流過對稱電流時，亦即只有當空氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，同步電抗才有意義。當定子繞組中流過不對稱三相電流時，我們便不能無條件地應(yīng)用同步電抗，這一點將在后文

27、中闡明。 圖中：圖中：E E0 0空載電勢；空載電勢；x xs為定子漏抗；為定子漏抗；X Xa a為電樞反應(yīng)等值電抗。為電樞反應(yīng)等值電抗。圖 1-12 隱極同步發(fā)電機等值電路圖 2(2) 凸極同步發(fā)電機的同步電抗 Xd、Xq對凸極同步發(fā)電機，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 來分別討論。交軸同步電抗 Xq：電樞反應(yīng)的存在是實現(xiàn)能量傳遞的關(guān)鍵，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，此時的電流為有功電流 I=Iq，Iq所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與原動轉(zhuǎn)矩相平衡。此時電樞反應(yīng)在定子繞組中產(chǎn)生的電勢 Eaq與I（或 Iq）成正比，它們之

28、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，交軸同步電抗 Xq= X +Xaq。直軸同步電抗 Xd:同理：當 =90，則得到直軸同步電抗 Xd,直軸同步電抗 Xd= X +Xad。對凸極同步發(fā)電機而言，d 軸的磁路和 q 軸的磁路是不相同的，而且磁勢所產(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，對隱極機而言兩個軸向的磁路基本相同，因而電樞反應(yīng)也就無需分解為直軸分量和交軸分量了，Xd=Xq,需用一個參數(shù) Xs= X +Xa 來代表同步電抗就可以。同步電抗為同步電機的重要參數(shù)，常用標么值表示，以每相額定電壓為電壓的基值，以

29、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)電機的同步電抗標么值在 0.93.5 之間；凸極式同步電機的直軸同步電抗在 0.61.6 之間，交軸同步電抗在 0.41.0 之間。12（3）直軸瞬態(tài)電抗、直軸超瞬態(tài)電抗及其表示式dxdx 直軸瞬態(tài)電抗直軸瞬態(tài)電抗：前已分析，三相穩(wěn)態(tài)短路時，端電壓 U 等于零，電樞反應(yīng)為純dx去磁作用。如不計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)磁通所經(jīng)的路線ad0如圖 1-13（a）所示。圖中為直流激磁電流所激勵的轉(zhuǎn)子磁通，為電樞反應(yīng)磁0ad通，和分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的漏磁

30、通。穩(wěn)態(tài)短路時，電樞反應(yīng)磁通將穿f過轉(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的情形。為了簡單起見，設(shè)發(fā)生短路前發(fā)電機為空載，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，0f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)的分析來理解，即短路瞬間，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了一個磁化方向與電樞磁場相反的感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)生的磁通恰巧抵消了要穿過轉(zhuǎn)子繞組的電樞反應(yīng)磁通；于是保持了轉(zhuǎn)子繞組所鍵鏈的磁通“守恒” 。我們也可以換一種分析方法來理解，即在短路初瞬，由于磁鏈不變原則，短路電流所產(chǎn)生的電樞反

31、應(yīng)磁通不能通過轉(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adad線的磁阻變大，這就意味著，此時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)電抗直軸瞬態(tài)電抗或直軸暫態(tài)電抗，用表示，dx可見遠較為小。dxdx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轉(zhuǎn)子鐵芯，其路徑又將如圖 1-13（a）所示。也就是說，由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，使突然短路時較大的沖擊電流逐漸減小，最后短路電流為 xd所限制。這時電機已從突然短路狀態(tài)過渡到穩(wěn)定

32、短路狀態(tài)。短路電流的衰減按時間常數(shù)衰減。需要指出的是：圖圖 1-131-13 中電樞反應(yīng)磁通中電樞反應(yīng)磁通是由三相交流電共同激勵產(chǎn)生，是由三相交流電共同激勵產(chǎn)生，但為圖形表達清晰起ad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ad某一相所產(chǎn)生；同樣為了表達清晰簡潔，圖中的磁通只畫出半邊，實際上兩邊是對稱的。直軸超瞬態(tài)電抗直軸超瞬態(tài)電抗：當轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組時，則因阻尼繞組也為閉合回路，它dx 13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，電樞磁通將依次經(jīng)過空氣隙、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。

33、這時磁路的磁阻更大了，與之相應(yīng)的電抗將有更小的數(shù)值。ad dx 稱為直軸超瞬態(tài)電抗直軸超瞬態(tài)電抗或直軸次暫態(tài)電抗。直軸次暫態(tài)電抗。dx 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dx 快，故在最初幾個周波以后，電樞磁通即可穿過阻尼繞組而取得如圖 1-13（b）的的路線。這時ad定子電流將為所限制。最后達到穩(wěn)態(tài)值時，定dx子電流便為所限制。 dx和和的表示式：的表示式：下面我們來推導(dǎo)和的dx dxdx dx表示式。當同步發(fā)電機裝有阻尼繞組時，電樞磁通在短路初瞬所經(jīng)的路線如圖 1-14 所示。設(shè)代ad表空氣隙的磁導(dǎo)，代表阻尼繞組旁的漏磁路的d1磁導(dǎo)，代表激磁繞組旁

34、的漏磁路的磁導(dǎo)，則得該磁路的總磁導(dǎo)為，即有：fd dfadad11111 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： dfadadd11111 由于電抗和磁導(dǎo)成正比，故上式可以改寫作 dfaddxxxxx11111 式中：直軸電樞反應(yīng)電抗；adx 激磁繞組的漏抗；fx阻尼繞組在直軸的漏抗。dx1由此可得直軸超瞬態(tài)電抗的等效電路如圖 1-15 所示。14如在轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組或者是當阻尼繞組中的感應(yīng)電流衰減完畢，電樞反應(yīng)磁通可以穿過阻尼繞組時，磁路如圖 1-13（b） ，其總磁導(dǎo)為： fadd111同理，直軸瞬態(tài)電抗的表示式為：dxfaddxxxx111 fadfadxxx

35、xx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qxqx 在穩(wěn)定短路情況下，電樞反應(yīng)磁通全部穿過轉(zhuǎn)子鐵芯，如圖 1-13（a）所示，ad這時的直軸同步電抗，是已證明過了的。addxxx如果同步發(fā)電機不是出線端處發(fā)生短路，而是經(jīng)過負載阻抗短路，則由短路電流所產(chǎn)生的電樞磁場不僅有直軸分量，而且也有交軸分量。由于沿著交軸的磁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，對于凸極機而言，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qxdx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qxqx qx

36、qx 態(tài)電抗。它們和相應(yīng)的直軸參數(shù)有不同的數(shù)值。因為同步發(fā)電機在交軸沒有激磁繞組，故一般說來，交軸瞬態(tài)電抗和交軸同步電抗相等，亦即：=qxqx在有阻尼的情況下，由于阻尼繞組為一不對稱繞組，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。由圖中的簡單關(guān)系，可得： qaqqaqqxxxxxx11 15一般說來，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qx 略大。在不用阻尼繞組而由整塊鐵芯起阻尼作用的隱極式電機中，便和近似相dx dx qx 等。（5）同步發(fā)電機的序分量電抗 X1、X2、X0分析同步發(fā)電機不對稱運行

37、的基本方法是對稱分量法。應(yīng)用對稱分量法，可以把發(fā)電機不對稱的三相電壓、電流及其所激勵的磁勢分解為正序分量、負序分量和零序分量，然后對各個分量分別建立的端點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，就得出實際不對稱運行的結(jié)果和影響。實踐證明，在不計飽和時，上述方法所求得的結(jié)果，特別是對于基波分量基本上是正確的。在不對稱運行時，同步發(fā)電機的空氣隙磁場為一橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即除了正序旋轉(zhuǎn)磁場以外，尚有負序旋轉(zhuǎn)磁場。因為它們的旋轉(zhuǎn)方向不同，所以轉(zhuǎn)子回路的反應(yīng)也各不相同；對不同相序的電流，同步電機呈顯的電抗也就有不同的數(shù)值。當同步電機對稱運行時，如前面各章所討論

38、的情形，定子電流為一穩(wěn)定的對稱三相電流，實際上即一組正序分量，它們所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（即正序旋轉(zhuǎn)磁場）和轉(zhuǎn)子之間沒有相對運動，這個磁場并不能在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這個電流所遇到的電抗便是同步電抗。故同步電機的正序電抗正序電抗即系同步電抗，即sxx 1不對稱運行時，負序電流所產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場以同步速向著和轉(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)一個兩倍于電源頻率的交變電流。對于負序旋轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)子繞組的作用為一短路繞組，致使負序電流所遇到的便不再是同步電抗，而是另一個電抗 x2，稱它為負序電抗負序電抗，其數(shù)值遠較同步電抗為小。負序旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子激磁繞組

39、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；負序旋轉(zhuǎn)磁場還將在轉(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，負序旋轉(zhuǎn)磁場還將在轉(zhuǎn)子軸和定子機座引起振動。根據(jù)我國“發(fā)電機運行規(guī)程”規(guī)定：在額定負載連續(xù)運行時，汽輪發(fā)電機三相電流之差，不得超過額定值的 10%，水輪發(fā)電機和同步補償機的三相電流之差，不得超過額定值的 20%，同時任一相的電流不得大于額定值。在低于額定負載連續(xù)運行時，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)試驗確定。當零序電流流過定子繞組時，由各相零序電流所產(chǎn)生的三個脈動磁勢，其幅值相等，時間上同相，而三者在空間各相隔 120電角度，因

40、此三相零序基波生成的磁勢恰好相互抵消，不形成氣隙互磁通，只存在一些漏磁場，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，零序電抗，用代表，較更小。0 x0 x2x由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模很大，在正常運行時負載電流的嚴重不對稱是不常見的。具有實際意義的不對稱運行情況為故障狀態(tài)，如單相接地短路、二相短路和二相接地短路等。161.21.2 同步發(fā)電機的功率特性及靜態(tài)穩(wěn)定極限角同步發(fā)電機的功率特性及靜態(tài)穩(wěn)定極限角.1 凸極同步發(fā)電機輸電系統(tǒng)向量圖凸極同步發(fā)電機輸電系統(tǒng)向量圖圖 1-18 是當忽略發(fā)電機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)電機輸電系統(tǒng)

41、的相（向）量圖。由該相（向）量圖可推導(dǎo)出同步發(fā)電機的功率特性方程。圖 1-18 中。該相（向）量圖是空間向量和時間相量組合在一起的相（向）量圖，其空間向量有各磁通向量、，軸線為轉(zhuǎn)子直軸方向；時間0相量有各電流和電壓量，軸線與交軸重合。其中相量由電磁感應(yīng)定律所定，落后于 dE90，是連接空間和時間量的關(guān)鍵量。其它電氣量均為時間相量，由電路圖可得。0Ed 縱軸同步電勢，也叫空載電勢，是僅由勵磁繞組的勵磁磁勢在定子中所感應(yīng)的電勢。如果不計及飽和，它是和勵磁電流成正比的；uf 電機的端電壓；us 無限大系統(tǒng)母線電壓；I 定子電流，它分解為直軸電流 Id及交軸電流 Iq；Xd 直軸同步電抗；Xq 交軸同

42、步電抗； 發(fā)電機的內(nèi)功率因數(shù)角；f 發(fā)電機的功率因數(shù)角；s 無限大系統(tǒng)端的功率因數(shù)角；17df 功率角，df有雙重的物理意義，一個意義是電勢 Ed和端電壓 uf間的相角差，另一個意義是產(chǎn)生電勢 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)磁通加漏磁通） ；d 功率角，為 Ed與 us間的相角差。.2 同步發(fā)電機的功率特性同步發(fā)電機的功率特性由圖 1-18 可得： ffddduEXIcosdffddXuEIcos ffqqSinuXI qffqXuIsin ff因為忽略定子繞組的電阻，則電機的電磁功率就等于輸出的有功功

43、率。fP )cos(cosfffffIuIuP ffffIuIusinsincoscosfdffqfIuIusincosdffdffqffffXuEuXuucossinsincosffdfffqffdfdXuXuXuEcossincossinsin22 （1-1）fqdqdffdfdXXXXuXuE2sin)(2sin2電機輸出的無功功率為： )sin(sinfffffIuIuQffffIuIusincoscossinfqffdfIuIusincosqffffdffdffXuuXuEusinsincoscos)sin(coscos222qdfdffdfdXXXuXuE （1-2）)sin1 (

44、cos22fqqddffdfdXXXXuXuE水輪發(fā)電機的，公式（1-1）及公式（1-2）就是水輪發(fā)電機輸出的有功qdXX功率及無功功率的特性方程。18對汽輪發(fā)電機而言，則公式（1-1）及公式（1-1）變?yōu)椋簈dXX （1-3）fdfdfXuEPsin （1-4）dffdfdfXuXuEQ2cos公式（1-3）及公式（1-4）就是汽輪發(fā)電機輸出的有功功率及無功功率的特性方程。.3 靜態(tài)穩(wěn)定極限角靜態(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dEsu分別可得出水輪發(fā)電機及汽輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)中，發(fā)電機功率輸送到無限大系統(tǒng)母線端的有功功率及無功

45、功率的特性方程，見公式（1-5）公式（1-8） 。其結(jié)果只sPsQ不過是把公式（1-1）公式（1-4）中的電壓換成，功率角換成，而電抗fusuf換成，換成，就可變換成公式（1-5）公式（1-8） 。dXsdXXqXsqXX公式（1-5） 、 （1-6）為水輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的、值；sPsQ （1-5）2sin)(2)(sin2sqsdqdssdsdsXXXXXXuXXuEP （1-6）)sin1 (cos22sqqdsdssdsdsXXXXXXuXXuEQ公式（1-7） 、 （1-8）為汽輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的、值。sPsQ （1-7）sinsdsdsXXuEP （1-8）sdssdsdsXXuXX

46、uEQ2cos無限大系統(tǒng)相當于一個等值大發(fā)電機，該等值發(fā)電機的內(nèi)阻抗為零，則其端電壓等于電勢并為常數(shù)；又其轉(zhuǎn)動慣量，則其頻率也為常數(shù)。這里討論單機susEMsf經(jīng)一定的聯(lián)系電抗與無限大系統(tǒng)相接的情況，不僅能使研究的問題簡化，而且也符合實際情況，因為在現(xiàn)代大電網(wǎng)中運行的發(fā)電機，在絕大多數(shù)場合，系統(tǒng)對它們而言都可以認為是無限大的。另外，在實際計算中，通常忽略聯(lián)系電抗中的電阻成分，只sX計及其電抗成分；因此，發(fā)電機機端輸出的有功功率值與輸送到無限大系統(tǒng)母線端fP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sP式（1-7）的值相等。但是，發(fā)電機機端輸出的無功功率卻

47、與輸送到無限大系統(tǒng)母fQ線端的無功功率不等，即公式（1-2）與公式（1-6）的值不等，公式（1-4）與公式sQ（1-8）的值也不等。對于某特定的發(fā)電機（為常數(shù)）及一定的運行方式（為常數(shù)） ，在勵磁固定dXsX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dEsP發(fā)電機輸電系統(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19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。實際上，為運行zdP可靠起見，必須有一定的儲備或裕度，運行點應(yīng)比自然

48、功率極限低些，這個裕度稱0P為“靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)” ，通常不小于 15%。 圖 1-19 汽輪發(fā)電機輸電系統(tǒng)的功角特性 圖 2-20 水輪發(fā)電機輸電系統(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，其，都0ddp是靜態(tài)穩(wěn)定的。相反，在曲線下降部分的所有點，其，都是靜態(tài)不穩(wěn)定的。而曲0ddp線的頂點，即代表自然功率極限值之處，其，則是由靜態(tài)穩(wěn)定過渡到靜態(tài)不穩(wěn)定0ddp的轉(zhuǎn)折點，即發(fā)電機開始與系統(tǒng)失步的轉(zhuǎn)折點，或稱為臨界失步點。臨界失步點對應(yīng)的角，稱為靜態(tài)穩(wěn)定極限角，或稱為臨界失步角，用符號表示。x1201.31.3 發(fā)電機與電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性及振蕩發(fā)電

49、機與電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性及振蕩電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性，是最受關(guān)注也得到認真考核的一種穩(wěn)定性。按照我國的現(xiàn)行規(guī)程，把電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性分為三類，即靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。為了便于定性說清楚電力系統(tǒng)的同步運行穩(wěn)定性問題，先研究單機對無窮大系統(tǒng)這種最簡單的、也是最基本的一種運行方式，如圖 1-21 考慮聯(lián)絡(luò)線阻抗為純電感，則由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出的有功功率是：P (1-9)sinZUEPd式中：-包括發(fā)電機阻抗在內(nèi)的發(fā)電機電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗。Z式（1-9）可以用圖表示為關(guān)系，如圖 1-22。)(fP 假定發(fā)電機送出的有功功率為，下文用圖 1-22 來說明上述的三種穩(wěn)定

50、概念。0P.1 靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時時刻刻都在受到小干擾。例如，個別電動機的接入和切除或加負荷或減負荷；又如架空輸電線因風擺動引起的線間距離（影響線路電抗）的微小變化；另外，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度也不是絕對均勻的，即功角 也是有微小變化的。因此，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定問題實際上就是確定系統(tǒng)的某個運行穩(wěn)定能否保持的問題。發(fā)電機送出的有功功率如式（1-9）所示，如果不考慮發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器的作用，即認為空載電動勢恒定，則發(fā)電機的功-角特性曲線如圖 1-22（a）所示曲線。 圖 1-22 靜態(tài)穩(wěn)

51、定功角變化特性（a）功率特性 （b）運行點 a 功角變化 （c）運行點 b 功角變化若不計原動機調(diào)速器的作用，則原動機的機械功率為 PT不變。假定在某一正常運行情況下，發(fā)電機向無限大系統(tǒng)輸送的功率為 P0，由于忽略了電阻損耗以及機組的摩擦、風阻等損耗，P0即等于原動輸出的機械功率 PT。由圖 1-22(a)可見，當輸送 P0時，可能有兩個運行點 a 和 b（即有兩個 值，其 P=P0=PT） ?？紤]到系統(tǒng)經(jīng)常不斷地受到各種小的擾動，從下面的分析可以看到，只有 a 點是能保持靜態(tài)穩(wěn)定的實際運行點，21而 b 點是不可能維持穩(wěn)定運行的，也就是靜態(tài)不穩(wěn)定的。先分析 a 點的運行情況。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)某

52、種瞬時的微小擾動，使功角 增加了一個微小增量 ，則發(fā)電機輸出的電磁功率達到與圖中 a相對應(yīng)的值。這時，由于原動機的機械功率 PT保持不變，仍為 P0，因此，發(fā)電機輸出的電磁功率大于原動機的機械功率。即轉(zhuǎn)子過剩轉(zhuǎn)矩為負值，因而，發(fā)電機轉(zhuǎn)子減速， 將減小。由于在運動過程中存在阻尼作用（后詳） ，經(jīng)過一系列微小振蕩后運行點又回到 a 點。圖 1-22（b）中給出了功角變化的情形。同樣，如果小擾動使 減小了 ，則發(fā)電機輸出的電磁功率為 a的對應(yīng)值，這時輸出的電磁功率小于輸入的機械功率，轉(zhuǎn)子過剩轉(zhuǎn)矩為正，轉(zhuǎn)子將加速， 將增加。同樣經(jīng)過一系列振蕩后又回到運行點 a。同上可見，在運行點 a，當系統(tǒng)受到小擾動

53、后能夠自行恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)，因此是穩(wěn)定的。B 點的情況則完全相反，如果小擾動使 b有個增量 ，則發(fā)電機輸出的電磁功率將減少到與圖中 b相對應(yīng)的值，小于機械功率 。這時，即轉(zhuǎn)子過剩轉(zhuǎn)矩為正值， 將進一步增大。而功角增大時，與之相對應(yīng)的電磁功率又將進一步減小。這樣繼續(xù)下去，功角不斷增大，運行點不再回到 b 點，圖 1-22（c）中畫出 隨時間不斷增大的情形。 的不斷增大標志著發(fā)電機與無限大系統(tǒng)非周期性的失去同步，系統(tǒng)中電流、電壓和功率大幅度地波動，系統(tǒng)無法正常運行，最終將導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。如果小擾動使b有一個負的增量 ，情況又不同，電磁功率將增加到與 b點相對應(yīng)的值，大于機械功率，因而轉(zhuǎn)子減速，

54、將減小，一直減小到 a，轉(zhuǎn)子又獲得加速，然后又經(jīng)過一系列振蕩，在 a 點抵達新的平衡。運行點不再回到 b 點。因此，對于 b 點而言，在受到小擾動后，不是轉(zhuǎn)移到運行點 a，就是與系統(tǒng)失去同步，故 b 點是不穩(wěn)定的，即系統(tǒng)本身沒有能力維持在 b 點運行。由此可知靜態(tài)穩(wěn)定極限是 =90。只有在由線的上升部分運行時系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。.2 暫態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定該節(jié)內(nèi)容參考西安交通大學(xué)李光奇編寫的電力系統(tǒng)暫態(tài)分析第八章，并為后增改寫內(nèi)容，為使該改寫內(nèi)容以后內(nèi)容編號不受影響，該改寫內(nèi)容以插入形式出現(xiàn)，圖形編號仍使用原書編號。_一 概述：暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個運行情況下突然受到大的干擾后，能否

55、經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對前面所提到的小干擾而言的，一般是指短路故障、突然斷開線路或發(fā)電機等等。如果系統(tǒng)受到大干擾后仍能達到穩(wěn)定運行，則系統(tǒng)在這種運行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大干擾后不能再建立穩(wěn)定運行狀態(tài)，而是發(fā)電機組轉(zhuǎn)子間一直有相對運動，相對相角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷振蕩，以致整個系統(tǒng)不能再繼續(xù)運行不去，則稱為系統(tǒng)在這種運行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。顯然，一個系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和系統(tǒng)原來的運行方式及干擾方式是有關(guān)的。也就是說，同樣一個系統(tǒng)在某個運行方式和某個干擾下是暫態(tài)穩(wěn)定的，而在另一個運行方式下和另一個干擾下它

56、可能是不穩(wěn)定的。因此在分析一個系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性時，首先必須結(jié)合系統(tǒng)的實際情況定出系統(tǒng)的初始運行方式。關(guān)于干擾方式，由于最嚴重的干擾（如三相短路）出現(xiàn)的概率較小，因此不要求以最嚴重的干擾來檢驗系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。我國現(xiàn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則對 220KV 以上電壓等級的系統(tǒng)，規(guī)定了系統(tǒng)必須能夠承受的擾動方式。例如，任何線路上發(fā)生單相瞬時接地故障，故障后斷路器跳開并重合成功，就是系統(tǒng)必22須能承受的一組擾動。電力系統(tǒng)受到大擾動，經(jīng)過一段時間后，或是逐漸趨向穩(wěn)態(tài)運行或是趨向失去同步。這段時間的長短與系統(tǒng)本身的狀況有關(guān)。有的持續(xù)約 1 秒（例如聯(lián)系緊密的系統(tǒng)） ，有的則要持續(xù)更長的時間。分析電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定

57、性時要采用一些假定，這里先介紹幾個最基本的假定：（1） 由于發(fā)電機組慣性較大，在所研究的短暫時間里各機組的電角速度相對于同步角速度（314ad/s）的偏離是不大的。所以，在分析系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定時往往假定在故障后的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)中的頻率仍為 50HZ。（2） 忽略突然發(fā)生故障后網(wǎng)絡(luò)中的非周期分量電流。這一方面是由于它衰減較快；另一方面，非周期分量電流產(chǎn)生的磁場在空間不動，它和轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的磁場相互作用將產(chǎn)生以同步頻率交變、平均值接近于零的制動轉(zhuǎn)矩。此轉(zhuǎn)矩對發(fā)電機的機電暫態(tài)過程影響不大，可以略去不計。（3） 根據(jù)以上兩個假定，網(wǎng)絡(luò)中的電流、電壓只有頻率為 50HZ的分量，也就是說描述網(wǎng)絡(luò)的方程

58、仍可以用代數(shù)方程。（4） 當故障為不對稱故障時，發(fā)電機定子回路中將流過負序電流。負序電流產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子繞組的電流的磁場形成的轉(zhuǎn)矩，主要是以兩倍同步頻率交變的。是平均值接近于零的制動轉(zhuǎn)矩。它對發(fā)電機也既對電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)過程也沒有明顯影響，也可以略去不計。如果有零序電流流過發(fā)電機，由于零序電流在轉(zhuǎn)子空間的合成磁場為零，它不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，完全可以略去。這樣，以前討論過的只計及正序分量的電磁功率公式都可以繼續(xù)應(yīng)用。必須強調(diào)指出，暫態(tài)穩(wěn)定是研究系統(tǒng)受到大擾動后的過程，因此不能象研究靜態(tài)穩(wěn)定時那樣將狀態(tài)方程線性化。而且，在暫態(tài)過程中往往還同時伴隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。二 簡單系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定1）物理過程分析圖

59、 8-1（a）所示為一簡單系統(tǒng)，正常運行時發(fā)電機經(jīng)過變壓器和雙回線路向無限大系統(tǒng)送電。如果發(fā)電機用電動勢 E作為其等值電動勢，則電動勢 E與無限大系統(tǒng)間的電抗23為：I =d+T1+T2 (8-1)2L這時發(fā)電機發(fā)出的電磁功率可表達為：P=sin (8-2)UE如果突然在一回輸電線始端發(fā)生不對稱短路，如圖 8-1（b）所示，則只需在正序網(wǎng)絡(luò)的故障點上接一附加電抗（j）,這個正序增廣網(wǎng)絡(luò)即可用來計算不對稱短路時的正序電流及相應(yīng)的正序功率。附加電抗的大小可根據(jù)不對稱故障的類型，由故障點等值的負序和零序序電抗計算而得。根據(jù)發(fā)電機勵磁回路磁鏈守恒原理，在故障瞬間暫態(tài)電動勢 是不變的，在近似計算中就認為

60、不變。本來，在故障瞬間以后是EEE要衰減的，但是考慮到一方面它本身衰減較慢，另一方面勵磁調(diào)節(jié)器特別是其中的強行勵磁裝置的作用，可以近似認為在暫態(tài)過程中是常數(shù)。綜上所述，故障后系統(tǒng)的E等值電路如圖 8-1（b）所示。這時發(fā)電機電動勢和無限大系統(tǒng)之間的聯(lián)系電抗可由 8-1（b）中的星形網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)絡(luò)而得：=（d+T1）+T2+（d+T1） （+T2）/ （8-2L2L3）這個電抗總是大于正常運行時的電抗1的。如果是三相短路，則為零, 為無限大，即三相短路截斷了發(fā)電機和系統(tǒng)間的聯(lián)系。故障情況下發(fā)電機輸出的功率為：P=sin (8-4)IIUE三相短路時發(fā)電機輸出功率為零（忽略了電阻） 。短路故