電機(jī)學(xué)：chapter17-2 同步發(fā)電機(jī)空載時(shí)三相突然短路的分析

1、第十七章 同步發(fā)電機(jī)的非正常運(yùn)行,第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)空載時(shí)三相突然短路的分析,本節(jié)的要點(diǎn)： 1 掌握三相突然短路與穩(wěn)態(tài)短路的區(qū)別和聯(lián)系。 2 掌握空載三相突然短路后定子繞組中電流的主要分量的特點(diǎn)及相應(yīng)磁通的磁路。 3 掌握上述電流分量對(duì)應(yīng)的電抗與衰減時(shí)間常數(shù)的表達(dá)式和等效電路,突然短路的物理概念 條件： 同步速，有勵(lì)磁電流，定子繞組有感應(yīng)電勢(shì) 類(lèi)別: 空載三相、單相、兩相突然短路 定子繞組內(nèi)部短路（相間、匝間短路） 空載三相突然短路與穩(wěn)態(tài)短路的主要區(qū)別 突然短路電流十倍以上，具有極大破壞性 穩(wěn)態(tài)短路電流1倍左右，屬于正常試驗(yàn)項(xiàng)目,一、從實(shí)例看R-L電路過(guò)渡過(guò)程分析的一般原理,合閘后電流有兩個(gè)分

2、量 強(qiáng)制分量 自由分量 后者是無(wú)源分量，流過(guò)電阻消耗能量后得不到補(bǔ)充，要衰減。 衰減時(shí)間常數(shù),E,R-L電路過(guò)渡過(guò)程的特點(diǎn),1）電流的有源（強(qiáng)制）分量按照穩(wěn)態(tài)分析方法確定，從時(shí)刻t=0開(kāi)始就存在。 2) 無(wú)電源支持的自由分量，其初始值與有源（強(qiáng)制）分量在t=0時(shí)刻大小相等方向相反，使線(xiàn)圈在合閘前后電流不發(fā)生突變。 3）凡是沒(méi)有電源支持的電流，即“無(wú)源感應(yīng)電流”，簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)源電流，都會(huì)衰減,關(guān)于換路定律的進(jìn)一步說(shuō)明,自由分量的出現(xiàn)，可用楞次定律解釋?zhuān)汉祥l后立即出現(xiàn)的有源分量，有導(dǎo)致電流及其產(chǎn)生的磁通急劇變化的趨勢(shì)； 磁通的變化在電感線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感生電流阻礙磁通的變化。阻礙到電流與所產(chǎn)生的磁通

3、不能突變的程度，亦即保持合閘前后電流相等，這就是R-L回路的換路定律,R-L電路換路定律的推廣,電感線(xiàn)圈電流不突變的實(shí)質(zhì)是磁場(chǎng)能量不突變。磁場(chǎng)能量的等效表示方式如下： 從電流不能突變推廣到磁場(chǎng)能量不突變后，可以適合于多線(xiàn)圈的情況。 換路定律可以理解為磁場(chǎng)能量不能突變，或各線(xiàn)圈的磁鏈不突變，各截面上的磁通不突變，甚至可以理解為各處的磁密不突變,兩個(gè)耦合線(xiàn)圈過(guò)渡過(guò)程的特點(diǎn),問(wèn)題描述,在鐵心上有兩個(gè)線(xiàn)圈（設(shè)想為單相變壓器），其中二次閉合，一次突然合閘到直流電源。 1）分析一次電流有哪些分量，對(duì)比其磁路與衰減時(shí)間常數(shù)與單線(xiàn)圈的區(qū)別。 2）分析二次電流變化趨勢(shì)，它對(duì)一次電流的磁路有何影響。參見(jiàn)耦合線(xiàn)圈圖

4、,分析方法：將單線(xiàn)圈的分析方法 推廣至耦合線(xiàn)圈,線(xiàn)圈1中的電流分量,與單線(xiàn)圈相似，合閘后直流電壓U作用于閉合回路，立即出現(xiàn)有源電流分量 為保證電流與磁通不突變，會(huì)立即出現(xiàn)無(wú)源感應(yīng)分量，其初始值滿(mǎn)足,短路線(xiàn)圈2對(duì)線(xiàn)圈1中的電流的影響,1）對(duì)線(xiàn)圈1中電流所產(chǎn)生磁通的磁路的影響 線(xiàn)圈1中電流所產(chǎn)生的突然出現(xiàn)的磁通要穿過(guò)線(xiàn)圈2，磁通的變化導(dǎo)致感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流i2(1)的出現(xiàn)，阻礙線(xiàn)圈2中磁通的變化，使其在合閘瞬間維持不變，于是線(xiàn)圈1中合閘后立即出現(xiàn)的電流所產(chǎn)生的磁通在合閘后的一小段時(shí)間內(nèi)只能走漏磁路,磁路從漏磁路向主磁路的轉(zhuǎn)移,i2(1)是無(wú)電源支持的感應(yīng)電流，必然要衰減。隨著它的逐漸衰減，對(duì)磁通的

5、阻礙作用減小，使得磁路逐漸從線(xiàn)圈2的漏磁路轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞔怕贰?這樣，線(xiàn)圈1中有源強(qiáng)制分量i1(1)產(chǎn)生的磁通對(duì)應(yīng)磁路的磁阻減小，磁導(dǎo)增加，電感變大,閉合線(xiàn)圈對(duì)時(shí)間常數(shù)的影響,決定無(wú)源分量衰減時(shí)間常數(shù)的電阻與電感 電阻：線(xiàn)圈1的電阻r1 電感：從線(xiàn)圈1的出線(xiàn)端觀察所呈現(xiàn)的等效電感。 等效電抗的確定方法 借助雙繞組變壓器副邊短路的等效電路 忽略激磁支路和副邊的電阻,計(jì)算等效電感的等效電路,線(xiàn)圈1無(wú)源分量衰減時(shí)間常數(shù)的等效電感 該電感顯著小于線(xiàn)圈2開(kāi)路時(shí)的等效電感,二、同步發(fā)電機(jī)三相突然短路分析,同步發(fā)電機(jī)空載三相短路的物理過(guò)程,圖20-15a)為 帶阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)定、 轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖。其中轉(zhuǎn)

6、子上除了 勵(lì)磁繞組之外，還有阻尼繞組。阻尼繞 組兩端通過(guò)導(dǎo)電的短路環(huán)連接，使其始 終構(gòu)成閉合回路,同步發(fā)電機(jī)空載三相短路后定子繞組中主要的的電流分量,同步發(fā)電機(jī)空載三相短路后的物理過(guò)程比較復(fù)雜。定子繞組中的電流分量較多。本節(jié)重點(diǎn)分析其中的主要分量：電源頻率的有源強(qiáng)加分量和無(wú)源的直流衰減分量,突然短路電流的周期分量,空載時(shí)，定子繞組中產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)三相感應(yīng)電勢(shì)。三相突然短路后必產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)三相電流，這是有源（強(qiáng)加）電流, 其頻率為50赫茲，屬于突然短路電流的周期分量。電流的大小取決于感應(yīng)電勢(shì)的大小和定子繞組閉合電路的阻抗。由于電阻對(duì)電流大小的影響可忽略，所以?xún)H取決于電抗,根據(jù)A、B、C三相繞組電流不能突變

7、的原理，在三相繞組中必然產(chǎn)生無(wú)源感應(yīng)電流分量。其初始值滿(mǎn)足：記為。 由于屬于無(wú)源感應(yīng)電流，所以要衰減，屬于突然短路電流的非周期分量。以下進(jìn)一步研究與的初始值及其衰減情況,突然短路電流的非周期分量,圖2015 同步發(fā)電機(jī)空載突然短路后的時(shí)空相矢量圖,電樞繞組突然短路電流的初始值,1) 突然短路瞬間定子的感應(yīng)電勢(shì)設(shè)短路瞬間轉(zhuǎn)子位置如圖2015a), 將該瞬間取為時(shí)間零點(diǎn)，容易推導(dǎo)出定子三相繞組感應(yīng)電勢(shì)為,電樞電流的周期分量形成的磁場(chǎng),突然出現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)三相電流必產(chǎn)生突然出 現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向與 轉(zhuǎn)子相同,所以，相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置不變,時(shí)空相矢量圖,忽略電阻的影響，則電流落后于電勢(shì)90度。同時(shí)

8、，在時(shí)空相矢量圖中三相合成磁勢(shì)與A相電流相量在同一方向上，如圖2015 b)。顯然電樞磁勢(shì)軸線(xiàn)與勵(lì)磁磁勢(shì)矢量在同一軸線(xiàn)（d軸）上，但方向相反,電樞電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線(xiàn),電樞電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)如圖2016a)所示，可以看出：它試圖穿過(guò)閉合的阻尼繞組與勵(lì)磁繞組，使其中的磁力線(xiàn)增加。自然，在勵(lì)磁繞組與阻尼繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)與感應(yīng)電流阻礙其增加，兩者作用的結(jié)果，使得勵(lì)磁繞組與阻尼繞組閉合回路中的磁通在短路瞬間不發(fā)生突變，因此，電樞磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)只能走漏磁路,使磁阻很大，磁導(dǎo)很小，電抗很小。與圖2013b)的情況相似,電樞突然短路電流初始值,從定子繞組的出線(xiàn)端向電機(jī)內(nèi)部看的等效電抗，就相當(dāng)

9、于三繞組變壓器第二、第三個(gè)繞組短路忽略電阻后所表現(xiàn)出的等效電抗，稱(chēng)為直軸超瞬態(tài)電抗。如圖2016b)所示,電樞電流周期分量形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁路及對(duì)應(yīng)的電抗,圖中， , 與 依次為同步電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗、勵(lì)磁繞組及直軸阻尼繞組漏電抗。 a) b)圖2016 電樞電流周期分量形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁路及對(duì)應(yīng)的電抗,直軸超瞬態(tài)電抗,根據(jù)圖2016b)所示等效電路容易得到直軸超瞬態(tài)電抗的表達(dá)式由于勵(lì)磁繞組及直軸阻尼繞組漏電抗的值都很小，所以直軸超瞬態(tài)電抗的標(biāo)么值一般只有0.10.15。顯然，如果沒(méi)有阻尼繞組或阻尼繞組不起作用，則等效電抗為稱(chēng)直軸瞬態(tài)電抗，標(biāo)么值0.2左右,得到直軸超瞬態(tài)電抗后，與穩(wěn)態(tài)短路時(shí)

10、的情況相似，可以根據(jù)定子繞組的感應(yīng) 電勢(shì) 與 的關(guān)系，得到定子瞬態(tài)電流 的表達(dá)式,定子瞬態(tài)電流的表達(dá)式,其初始值為由此可以得到定子瞬態(tài)電流周期分量的初始值,定子瞬態(tài)電流周期分量的初始值,三、 突然短路電流的衰減（以下參閱教材相關(guān)內(nèi)容,1）電樞電流非周期分量 的衰減 電樞電流非周期分量 是無(wú)源感應(yīng)電流，在電樞繞組中流動(dòng)，形成在空間固定不動(dòng)的磁場(chǎng)；隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，其磁通交替地經(jīng)過(guò)直軸與交軸的磁路閉合。其磁力線(xiàn)切割轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組和阻尼繞組?？紤]到在直軸方向既有勵(lì)磁繞組又有阻尼繞組，從定子繞組的出線(xiàn)端觀察，所呈現(xiàn)出的等效電抗也是 ，即與上述確定周期 分量初始值所用等效電抗相同,電樞電流非周期分量對(duì)應(yīng)的

11、電抗,在交軸方向沒(méi)有閉合的勵(lì)磁繞組，只有電樞繞組和等效的阻尼繞組。所以，等效電抗與 不同，記為 ,取二者的平均值 ，這也是在分析穩(wěn)態(tài)不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)所采用過(guò)的負(fù)序電抗,非周期分量 衰減的時(shí)間常數(shù),這樣，電樞電流非周期分量 衰減的時(shí) 間常數(shù)為 電樞繞組短路時(shí)間常數(shù),電樞電流周期分量 的衰減,前面已經(jīng)指出，由于 產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn) 子同轉(zhuǎn)速，所以，在轉(zhuǎn)子繞組中不會(huì)由于切割 作用而產(chǎn)生交變的感應(yīng)電勢(shì)與電流。但是，由 于短路后突然出現(xiàn)的磁通要穿過(guò)閉合的阻尼繞 組和勵(lì)磁繞組，所以，在其中也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電 勢(shì)與感應(yīng)電流，阻止相應(yīng)磁通的變化?？紤]到 勵(lì)磁繞組與阻尼繞組中的電流也是沒(méi)有電源支 持的，所以，隨著兩個(gè)繞組的電阻消耗能量， 這些電流要衰減,衰減過(guò)程