电机学第14章同步发电机的异常运行和突然短路

ψ = Ψ 0 ( + ) +Ψ c ( + ) e
−
t T
（6-100）
式中，Ψ 0( + ) 为 t=0（+）时刻外磁场与线圈交链的磁链；Ψ c ( + ) 为 t=0（+）时刻线圈的自感磁链； T 为衰减 时间常数， T = Lc rc 。 相应地，线圈中电流随时间的变化关系为
2
同步发电机的突然短路（摘自《电机学》教材初稿）
严格地说， 三相磁链的周期性分量中， 大部分是由气隙磁通产生 的， 但还有一小部分是由电枢绕组的漏磁通产生的。 不过在式 （6-107） 中忽略了电枢绕组漏磁通的影响。 三相突然短路后任意时刻 t 所对应的时-空矢量图如图 6-56 所示。 图中只画出了 A 相的磁链，B 相和 C 相的都没有画出，但可分别由 A 相的对应相量滞后或超前 120°得到。另外要注意的是，非周期性
ψ = 在突然短路发生后为常数，称为磁链的非周期性分量；而 ψ ~ 随时间交变，称为磁链的周期性分
量。 可见，根据超导体回路磁链守恒原理，电枢各相绕组为了维持自身磁链不变，便产生三相突然 短路电流。这些电流一方面要保持突然短路瞬间三相绕组的初始磁链，另一方面还要产生交变磁链， 去抵消励磁磁链。
A 相相轴
e0 = − dψ 0 dt
（6-94）
1
同步发电机的突然短路（摘自《电机学》教材初稿）
胡雪松编写
Ψ0
Ψ0
Ψc
超导体回路 e0 e0、ec、ic 的正方向 (a) 图 6-53 超导体闭合回路的磁链守恒 (b) ic ec
由于回路是闭合的， e 0 在该回路中产生电流 i c ，而该电流又产生自感磁链ψ c 和自感电动势 e c ，其值 分别为

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。

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。 是 ， 但 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 ｃ 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｛值 比间接冷却的绕组要小。发 电机过负荷的允许值和允｛ 间应由制造厂规定。 锋时 短时过负荷的允｛ 间， 钳 也可由下式计算 ｔ１ ｏ（Ｉ） （ １ ＝ ５／ＩＮ ＿１式 ） ／２
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

三 空载短路时短路电流基频交流分量 的初始值和稳态值
（一） 稳态值
短路稳态时的电枢反应 定子绕组电压方程：
0RU & 0
即 Eq0 jI& dxd 0
I
Id
Eq 0 xd
φσ
φ0
if\|0| uf
I∞
φ
R
φfσ
（二）初始值
φσ
1．不计阻尼回路时 基频交流分量初始 值 I’
φ0
if\|0| +ifα
尼绕组
bc
a
c y
• 假设同步发电机是理想电机
1)电机转子在结构上对本身的直铀和交铀完全对称， 定子三相绕组完全对称，在空间互相相差120。电角 度；
2)定于电流在气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组 和定子绕组间的互感磁通也在气隙中按正弦规律分 布：
3)定子及转子的槽和通风沟不影咱定子及转子绕组的 电感，即认为电机的定于及转子具有光滑的表面：
4)电枢铁芯部分的导磁系数为常数，即忽略磁路饱和 的影响，在分桥中可以应用叠加原理。
2 . 分析过程假设：
1)在暂态过程期间同步发电机保持同步转速，即 只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程；
2)发生短路后励磁电压始终保持不变，即不考虑 短路后发电机端电压降低引起的强行励磁(第 四节除外)；
3)短路发生在发电机的出线端口。如果短路发生 在出线端外，可以把外电路的阻抗看作定子组 电阻和漏抗的一部分，故短路后的物理过程和 出线端口短路是完全一样的。
为了简明起见，讨论空载情况下突然短路的情形
a
d
z
b
x
0
b
f
c
a
c y
• 短路前空载稳态运行 • 转子以ω0的转速旋转，主磁通Φ0交链定子abc

能源浪费
电机振荡可能导致电能的浪费，增 加生产成本。
抑制振荡的方法
优化电源电压
通过稳定电源电压，可以减少电压波动对电机的影响， 抑制电机振荡。
定期维护
定期对电机进行维护和检查，及时发现并修复机械故 障，可以减少电机振荡的发生。
加装阻尼器
在电机上加装阻尼器可以增加电机的阻尼效应，抑制 电机振荡。
03
时处理。
维护保养
按照维护保养规定，对 电机进行保养，保持良
好状态。
安全防护
监控预警
在电机周围安装过流保 护装置，防止电流过大
引起短路。
建立电机运行监控系统， 实时监测电机运行状态，
发现异常及时预警。
02
CHAPTER
同步电机振荡
振荡的原因
电源电压波动
电源电压的突然变化可能导致电机内 部的磁场发生变化，进而引发电机振 荡。
振荡对突然短路的影响
振荡加剧短路程度
在某些情况下，电机的持续振荡可能 导致短路电流进一步增加，加剧了短 路程度。这种恶性循环可能会对电机 造成严重损坏。
降低保护装置的可靠性
如果振荡过于剧烈，保护装置可能无 法准确判断电机的状态，导致保护装 置的可靠性降低。
同时处理突然短路与振荡的策略
加强机械阻尼
某电厂同步电机突然短路的案例
突然短路
某电厂的同步电机在运行过程中突然发生短路，导致电机 迅速停止转动，电流急剧升高，产生大量热量，对电机造 成严重损坏。
原因分析
短路是由于电机绕组绝缘层老化、破损，导致相间短路或 对地短路引起的。此外，电机过载、机械故障等原因也可 能导致短路。
处理措施
立即切断电源，对电机进行检查和维修，更换损坏的绕组 和部件，加强电机的维护和保养，定期进行预防性试验。

衰减，但在突然短路初瞬间由于磁链不能突变，仍可认为磁链守恒
4
第二节 空载下定子突然三相短路后内部物理过程 及短路电流分析 同步发电机的类型
隐极式发电机
气隙均匀
凸极式发电机
气隙不 均匀
5
第二节 空载下定子突然三相短路后内部物理过程及
短路电流分析
电机学中电势方程式
基于电枢反应原理
I f
维持转子侧绕组磁链不突变的自由分量电流if α 、 iD α起到励磁电
流的作用，其衰减变化引起定子周期分量电流由初始的I〞衰减到
I∞ 励磁绕组f和阻尼绕组D有磁耦合，故if α 、 iD α的衰减有两个时间
常数，较大的时间常数Td´主要与绕组f有关，较小时间常数 Td〞
主要与绕组D有关
iDα衰减远快于ifα ，iDα衰减到零的过程其时间常数为Td〞， ifα衰减
Eq 0 jId xd =jId (xad x )
I Id =Eq 0 / xd
电枢反应磁通Φ ad的路径为主磁路：转子直轴，气隙和定子 铁芯
直轴电枢反应电抗Xad的大小取决于主磁路的磁阻Rad，并与 其成反比
14
第二节 空载下定子突然三相短路后内部物理
过程及短路电流分析
无阻尼回路时基频交流分量初始值I´
磁链守恒定律
无源回路
R
i
Ri d 0
L
dt
Li+0
N
外磁场产生的交
自感磁链
链回路的磁链
超导情况下： d 0
dt
Li+ 0 =常数
无论外磁场交链回路的磁链如何变化，由感应电流所产生的磁链恰好
抵消这种变化

前言：属于异常运行状态，即介于正常 和具有破坏性的事故运行之间。 不对称发生情况: 不对称的危害: 不对称的分析方法:
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

=
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