西门子模块全国总代理商-故障维修

• 在了解了超瞬态电抗和瞬态电抗后,便可以分析突然短路后的电枢电流。以A相为例，电枢电流的交变分量iA~为

• 其中,I"= E0 / Xd",E0为短路前励磁电势有效值，I"称为电枢绕组的超瞬态电流。若无阻尼绕组,则I'= E0 / Xd',I'称瞬态电流。
  同样,电枢电流非周期性分量为

• 由于实际绕组都有电阻,都要消耗能量,各绕组中的电流Zui终将衰减至稳态短路时的数值。

• 下面分析电枢电流衰减的规律。可以认为,电枢电流周期性分量的衰减分为两个阶段：
  ①从超瞬态电流I"衰减到瞬态电流,I'这一阶段的衰减量(I"-I')由阻尼绕组中对应电流的衰减而引起,其时间常数为 Td"=LZ"/RZ(LZ"为对应于阻尼绕组的等效电感,RZ为阻尼绕组的电阻)。
  ②从瞬态电流I'到稳态电流I,这一阶段的衰减量(I'-I)由励磁绕组中对应电流的衰减而引起,其时间常数为Td'=LF'/RF (LF'为对应于励磁绕组的等效电感,RF为阻尼绕组的电阻)。

• 电枢电流的非周期性分量IA=的衰减由定子绕组本身的电阻引起,其时间常数为Ta"=La"/Ra(La"为对应于定子绕组的等效电感,Ra为定子绕组的电阻)。

• 以上衰减过程结束后,发电机进入稳态短路,电流变为I =E0/Xd。

• 根据以上分析,突然短路后电枢电流可以写为

• 图19.7画出了当a0=0电枢短路电流的情况。在这种情况下,经过半个周期电流达到Zui大值,通常认为它是超瞬态电流幅值的1.8倍左右。

• 电力系统发生突然短路故障时,从突然短路到进入稳态短路的过程所持续的时间很短,但突然短路时产生的冲击电流可高达额定电流的10~20倍,会在电机内产生极大的电磁力，这种电磁力可能会扯断电机绕组的端部或将转轴扭弯,对电机造成不良后果。

一、 分析的基本方法

• 超导回路磁链不变原则

• 由电路定律可知,对于任何一个链着磁通的自行闭合的线圈,都可以写出下面的方程式:Ri+dy / dt = 0

• y为闭合线圈的磁链,包括自链和互链。如果略去电阻R，则上式可得出y＝常数。可见,在没有电阻的闭合回路中(又称为超导回路)磁链将保持不变。如果外界磁通进入线圈,则线圈中必然立即产生一个电流,这一电流产生的磁通与外加磁通的大小相同,方向以此保持线圈匝链的总磁通仍然不变。这就是超导闭合回路磁链不变原则。

• 在实际的闭合回路中,由于电阻的影响,磁链会发生变化。在Zui初瞬间仍然遵循超导回路磁链不变原则,可以认为磁链是不会改变的,分析突然短路的基本方法是先由磁链不变原则求出突然短路瞬间的电流,把电阻的作用考虑进去。在绕组电阻的作用下,瞬变时出现的电流Zui终将衰减为稳态短路电流。

二、三相突然短路的物理过程

• 应用超导回路磁链不变的原理，我们来分析同步发电机在发生三相突然短路时的物理现象。假定突然短路之前,电机处于空载状态,气隙磁场只由励磁磁势Ff产生,Ff 随转子以同步速旋转,A相电枢绕组匝链的磁链yA0随Ff与A相绕组轴线的夹角a作余弦变化。设a=a0的瞬间定子绕组突然短路,此瞬间,A相绕组的磁链为：

yA0=ymcosa0

• ym为Ff 与A相轴线重合时A相绕组磁链。
  转子继续旋转,转子磁通与A相绕组匝链,其磁链值为：

yA=ymcos(a0+wt)

• 根据磁链不变原则,突然短路后,电枢绕组对此将立即作出如下反应：
  ①电枢绕组各相都产生一个非周期性的直流电流,共同产生不转的稳定磁势,使各相绕组分别产生一不变的磁链以维持其在短路瞬间的磁链(包括漏磁链)。如A相出现yA0,B相和C相分别出现yB0和yC0 。
  ②电枢绕组产生一组对称三相周期性交变电流,并在气隙中产生一个合成旋转磁势Fa~,它始终和Ff大小相等，方向(作用在直轴上),以抵消Ff对电枢绕组各相的磁链。

• 转子上的励磁绕组F和阻尼绕组Z也是闭合绕组,同样遵循磁链不变原则。突然短路后,由于电枢绕组的磁势Fa~和Fa=的介入，转子绕组对此将立即作出反应
  ①对Fa~的反应：由于Fa~和转子相对静止,它所产生的电枢反应磁通Fa作用在直轴上,Fa要通过转子磁路,去匝链转子上的励磁绕组F和阻尼绕组Z,F和Z的反应是：分别产生非周期性直流电流IF=和IZ=,这些电流将产生恒定磁通以抵消Fa，使得Fa只能绕道而行(通过F绕组和Z绕组的漏磁路闭合),如图19.6(a)所示。这条磁路的磁阻很大,要产生一定的电枢反应磁通Fa,就需要很大的电枢电流,突然短路电流要比稳态短路电流大得多。 
  ②对Fa=的反应：Fa=在空间静止,但与转子绕组之间有相对运动。它将在励磁绕组F和阻尼绕组Z中感应出交变电流IF~ 和IZ~以抵消Fa=在转子绕组中产生的磁链。 

• 以上结论是基于各绕组中没有电阻而得出的。事实上,发电机各个绕组中均有电阻存在,短路电流会逐渐衰减,Zui终达到稳态短路。IF= 和IZ=的存在是导致电枢短路电流增大的原因,IF= 和IZ=的衰减直接影响到电枢电流的衰减。由于阻尼绕组的时间常数比励磁绕组小得多,为了分析方便,可以认为短路以后,IZ=衰减完毕,IF= 还未来得及衰减，通常把短路瞬间到IZ=衰减完毕这一阶段称为超瞬变过程;超瞬变过程结束后,IF=开始衰减,并逐渐达到稳态,这一过程称为瞬变过程。

• 超瞬变、瞬变和稳态三个过程开始的瞬间Fa经过的路径不同,分别如图19.6(a)(b)(c)所示。

三、 瞬态短路时的电抗

• 从电路的角度来看,短路电流的大小决定于回路的参数,即决定于同步电机的电抗的大小。对于感性回路有

X=wL=wN2/R=wN2L

• 式中N为绕组串联匝数,R为磁路的磁阻,L为磁路的磁导。

• 稳态情况下,电枢电流产生电枢反应磁通Fa 和电枢漏磁通Fas,对应的磁路见图19.6(c),略去铁心部分的磁阻,Fa对应的就是气隙磁导Lad,Fas对应的是漏磁导Ls,稳态短路电流产生的总磁通对应的总磁导为

Ld=Lad+Ls

• 对应的电抗为

Xd=Xad+Xs

• 它就是直轴同步电抗。

• 突然短路时(超瞬变瞬间),Fa对应的磁路见图19.6(a),它遇到了气隙磁阻、阻尼绕组漏磁阻和励磁绕组漏磁阻,再考虑到电枢绕组的漏磁通Fas后,电枢磁通的总磁导为

• 对应的电抗为

• 称为直轴超瞬态电抗,XZs和XFs为阻尼绕组和励磁绕组的漏磁电抗。

• 当瞬态短路进入瞬变过程时,阻尼绕组中的电流已衰减完毕,此时Fa对应的磁路见图19.6(b),它遇到了气隙磁阻和励磁绕组漏磁阻,再考虑到电枢绕组的漏磁通后,电枢磁通的总磁导为

• 对应的电抗为

• 称为直轴瞬态电抗。