PAGE29發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相分析及MATLAB仿真研究目錄摘要……………………Ⅰ第1章緒論…………………1第2章發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的理論分析…………………32.1發(fā)電機(jī)進(jìn)相的基本原理分析…………………32.1.1保持有功恒定發(fā)電機(jī)的進(jìn)相特性分析………32.1.2計(jì)及外部電抗發(fā)電機(jī)的進(jìn)相原理分析………52.2發(fā)電機(jī)不帶AVR的靜穩(wěn)定分析…………………62.2.1靜穩(wěn)定的概念……………62.2.2隱極發(fā)電機(jī)的功角特性及靜穩(wěn)判據(jù)………62.2.3計(jì)及外部電抗隱極機(jī)達(dá)到靜穩(wěn)極限時(shí)的P-Q關(guān)系………82.2.4凸極發(fā)電機(jī)的功角特性……92.2.5計(jì)及外部電抗凸極機(jī)達(dá)到靜穩(wěn)極限時(shí)的P-Q關(guān)系……………102.3發(fā)電機(jī)帶AVR的靜穩(wěn)定分析……132.3.1用Eq’恒定模型分析發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)邊界……132.3.2計(jì)及動(dòng)態(tài)影響發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)極限……………16第3章發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的不利影響………193.1發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)端部漏磁發(fā)熱的影響…………193.1.1端部漏磁原理及影響因素…………………193.1.2端部漏磁與功率因數(shù)的關(guān)系………………203.1.3降低端部發(fā)熱的措施………203.2發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)廠用電電壓降低的影響………21第4章發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相分析及MATLAB仿真………………224.1電氣主設(shè)備參數(shù)……………224.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析…………224.3凸極發(fā)電機(jī)仿真………………234.4隱極發(fā)電機(jī)仿真………………25第5章發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的不利影響………285.1發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)電暫態(tài)過程………………285.1.1發(fā)電機(jī)從失磁到失步的過程…………………285.1.2發(fā)電機(jī)從暫態(tài)異步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步的過程……295.1.3本章小結(jié)……………………30參考文獻(xiàn)……………………31結(jié)論……………………32附錄……………………33第1章緒論由于電力系統(tǒng)發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)的數(shù)量逐漸攀升，電網(wǎng)輸電電壓等級(jí)提高，電網(wǎng)的充電功率增加，在負(fù)荷低谷的高壓長(zhǎng)線路中可能出現(xiàn)電壓升高甚至超上限的情況。裝設(shè)電抗器、靜止補(bǔ)償器可以消納電網(wǎng)中的過剩無功，且在欠勵(lì)狀態(tài)下的調(diào)相機(jī)亦有吸收系統(tǒng)充電功率的能力。但是，裝設(shè)電抗器、靜止補(bǔ)償器或調(diào)相機(jī)，成本較高，因而通常情況下不考慮在過剩無功不很大的110kV、220kV等電壓等級(jí)輸電線配置靜止補(bǔ)償器或電抗器；調(diào)相機(jī)的作用一般是彌補(bǔ)部分區(qū)域無功缺乏，并不常用于吸收電網(wǎng)過剩的無功功率[1]。通過發(fā)電機(jī)進(jìn)相，可以消納電網(wǎng)中過剩的無功，維持電壓水平，保證電能優(yōu)質(zhì)和系統(tǒng)穩(wěn)定。提供進(jìn)相服務(wù)的必要性主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：第一，系統(tǒng)無功過剩問題嚴(yán)峻，隨著科技的進(jìn)步和技術(shù)材料領(lǐng)域的革新，大容量發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)成為大勢(shì)；小模塊電網(wǎng)的并入使系統(tǒng)更加復(fù)雜；橫跨省市輸電的現(xiàn)實(shí)需要導(dǎo)致線路電壓逐漸升高；加之電纜線路愈來愈多的使用等等，造就了當(dāng)代電力系統(tǒng)單機(jī)容量大、電壓等級(jí)高、結(jié)構(gòu)龐雜的現(xiàn)狀，因而系統(tǒng)無功功率增多。發(fā)電機(jī)在允許范圍內(nèi)進(jìn)相運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)出有功的同時(shí)吸收部分無功，且不影響機(jī)組本身和系統(tǒng)安全[2]。第二，系統(tǒng)電壓不達(dá)標(biāo)情形較多。電網(wǎng)電壓是隨用電負(fù)荷改變而有一定起伏的，當(dāng)用電處于谷值時(shí)，正常電力用電和輸電線路的能耗累加常常低于高壓長(zhǎng)距離輸電線或電纜線的容性無功，故而引起系統(tǒng)的電壓增加，有時(shí)可能引發(fā)某些電壓等級(jí)的重要母線電壓超過安全上限，造成嚴(yán)重后果。發(fā)電機(jī)在中、低電壓等級(jí)母線上進(jìn)相運(yùn)行，對(duì)本電壓等級(jí)母線和高電壓等級(jí)母線都有較好的降壓效果，對(duì)鄰近地區(qū)電網(wǎng)電壓也有一定的降低作用[3]。第三，發(fā)電機(jī)無功調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。一般在系統(tǒng)中，電氣人員調(diào)節(jié)部分中樞點(diǎn)電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)其中樞點(diǎn)調(diào)壓，簡(jiǎn)易可靠，調(diào)壓靈活，可平滑無級(jí)調(diào)節(jié)電壓[4]。發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限，主要受以下因素限制：遲相運(yùn)行時(shí)，為了避免發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組過熱而引發(fā)事故，其定子、勵(lì)磁電流均不得超過額定值；發(fā)電機(jī)有功受汽輪機(jī)額定功率約束，故發(fā)電機(jī)的容量還受到原動(dòng)機(jī)出力限制。進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行容量主要受端部漏磁過熱、靜穩(wěn)定極限或定子過電流[5]約束；同時(shí)，發(fā)電機(jī)進(jìn)相過程中機(jī)端電壓降低也是限制因素之一，通常按不低于額定值的90%考慮，部分情況下按95%考慮[6]。通常發(fā)電機(jī)機(jī)端連接廠用電動(dòng)機(jī)，故二者電壓聯(lián)系密切且成正相關(guān)，一般要求廠用電壓不低于額定值的95%[7]。凸極機(jī)和隱極機(jī)在一定工況下進(jìn)相限制因素有所不同。在高負(fù)荷甚至滿負(fù)荷有功工況運(yùn)行時(shí)，凸極機(jī)進(jìn)相深度主要受定子電流限制，而隱極機(jī)進(jìn)相深度主要受廠用母線電壓和系統(tǒng)電壓水平限制[8]；在低負(fù)荷有功工況運(yùn)行時(shí)，凸極機(jī)進(jìn)相深度可能受到廠用母線電壓、系統(tǒng)電壓水平、定子電壓等限制，而隱極機(jī)進(jìn)相一般可以做到功率因數(shù)達(dá)到限制值0.95（超前）[9]。發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行已經(jīng)成為吸收電網(wǎng)中過剩的無功功率和調(diào)節(jié)電網(wǎng)過電壓的一種重要手段。本文主要研究同步發(fā)電機(jī)的功角特性和靜穩(wěn)極限，包括隱極機(jī)和凸極機(jī)。匯總國內(nèi)大機(jī)組安全運(yùn)行及進(jìn)相運(yùn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，與計(jì)算和仿真結(jié)果對(duì)比，在給定參數(shù)的情況下繪制隱極和凸極發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限圖。第2章發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的理論分析2.1發(fā)電機(jī)進(jìn)相的基本原理分析一般情況下發(fā)電機(jī)是運(yùn)行在遲相工況的，這時(shí)功率因數(shù)滯后，轉(zhuǎn)子過勵(lì)；而進(jìn)相工況則相反，即運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)超前，轉(zhuǎn)子欠勵(lì)。如圖2-1所示，發(fā)電機(jī)不經(jīng)外部電抗直接接在無限大系統(tǒng)，其端電壓Ug恒定。設(shè)勵(lì)磁電勢(shì)是Eq，功率因數(shù)角是φ，定子電流是I，。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，在Ug不變的情況下，隨著Eq的改變，φ也發(fā)生改變。如增加勵(lì)磁電流，Eq變大，此時(shí)定子電流I滯后于端電壓Ug，也就是φ是滯后的，發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)供給有功和感性無功，其有功表和無功表均指示正值，即為通常所說的遲相運(yùn)行。反之，如減少If，則Eq減小，定子電流就變成超前于端電壓，φ超前，此時(shí)系統(tǒng)受到的發(fā)電機(jī)的供給分別是有功和容性無功，有功表情況不變而無功表與遲相時(shí)情況相反，故可以說發(fā)電機(jī)對(duì)感性無功是消納作用，即為所說的進(jìn)相運(yùn)行。值得注意的是，發(fā)電機(jī)進(jìn)相并不是一種故障工況或是不正常運(yùn)行工況，在規(guī)定的極限條件內(nèi)它對(duì)電機(jī)的壽命及結(jié)構(gòu)件安全沒有本質(zhì)的破壞和影響，故在一定條件下，發(fā)電機(jī)進(jìn)相是可以正常應(yīng)用于電力生產(chǎn)的。圖2-1隱極發(fā)電機(jī)遲相與進(jìn)相運(yùn)行的相量圖（a）遲相運(yùn)行；（b）進(jìn)相運(yùn)行2.1.1保持有功恒定發(fā)電機(jī)的進(jìn)相特性分析上述情況下，保證發(fā)電機(jī)輸出有功不變，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁能夠完成遲相與進(jìn)相的切換。遲相運(yùn)行時(shí)，降低勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電勢(shì)降低，至功率因數(shù)提高到1，無功為0，定子電流最小。繼續(xù)減小勵(lì)磁，定子電流又接著增大，此時(shí)I超前U，無功小于0，至功角δ≈90°時(shí)，I增加到最大，發(fā)電機(jī)此時(shí)處于靜穩(wěn)定極限狀態(tài)，極易失步。此過程中，Eq的變化軌跡為平行于Ug的A1A4線段，相應(yīng)的I的變化軌跡是一條垂直于Ug的水平線DD’。圖2-2調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流時(shí)的電壓電流相量圖（U=常數(shù)，P=常數(shù)）同樣地，進(jìn)相轉(zhuǎn)遲相可增大勵(lì)磁，注意不要超過轉(zhuǎn)子溫升限值。同時(shí)，由圖看出電壓降向量Xd在橫軸和縱軸的投影分別正比于發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率。如CA1在橫軸上的投影為式中為常數(shù)。由上式看出，線段A1B與有功功率P成正比。在P為定值而If變化時(shí)，電抗壓降jXd向量在橫軸上的投影將保持A1B=KP不變。所以Eq的變化軌跡是平行于U且與U距離為KP的直線。CA1在縱軸上的投影為這說明BC線段正比于發(fā)電機(jī)輸出的無功，它是隨If的變化而改變的。由圖2-2可以看出在不同勵(lì)磁電流條件下發(fā)電機(jī)的四種工作狀態(tài)——僅輸出有功功率（cosφ=1）、過勵(lì)磁、欠勵(lì)磁、靜穩(wěn)定運(yùn)行極限（δ=90°以上討論是以發(fā)電機(jī)輸出有功P固定為條件，當(dāng)輸出有功改變時(shí)，如P=P1，P=P2……，則在圖2-2中，Eq將有不同變化軌跡，同樣地，I=f（Eq）曲線也將隨P值的增大而發(fā)生偏移，這就構(gòu)成了通常所說的V形曲線。V形曲線的具體繪制分析后續(xù)仿真章節(jié)會(huì)給出。2.1.2計(jì)及外部電抗發(fā)電機(jī)的進(jìn)相原理分析實(shí)際電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)多是經(jīng)過變壓器和輸電線路并入電網(wǎng)。如圖2-3所示，發(fā)電機(jī)是經(jīng)過外部阻抗Xs后接入無限大容量電網(wǎng)的，Xs為變壓器與線路的阻抗之和。計(jì)及外部電抗Xs，發(fā)電機(jī)進(jìn)相的相量表達(dá)如圖2-4。此時(shí)δ是Eq與Ug間的度數(shù)，δs是Eq與Us間的度數(shù)。圖2-3系統(tǒng)接線圖圖2-4計(jì)及Xs時(shí)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行相量圖（a）凸極發(fā)電機(jī)；（b）隱極發(fā)電機(jī)這時(shí)，機(jī)端電壓Ug不再是常數(shù)，而是隨負(fù)荷改變而改變的?，F(xiàn)以凸極發(fā)電機(jī)為例進(jìn)一步分析Xs對(duì)其運(yùn)行的影響。此時(shí)，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間可以由原本的Xd、Xq等效成增大了的（Xd+Xs）和（Xq+Xs）。從而其功率方程式可以改寫為：對(duì)比2.2.4節(jié)凸極機(jī)功角關(guān)系即式（2-22），可以發(fā)現(xiàn)，在Eq確定的情況下，若計(jì)及Xs且認(rèn)為電網(wǎng)電壓Us為一恒定值，則發(fā)電機(jī)輸出的有功功率比Xs=0時(shí)的小。從上式看出，凸極機(jī)電磁功率隨Xs的增加明顯地降低。另外，在有功和勵(lì)磁不變的條件下，由于Xs的引入，Eq與Us之間的夾角δs，將隨Xs的增加而增大，因而靜穩(wěn)定儲(chǔ)備隨之降低。2.2發(fā)電機(jī)不帶AVR的靜穩(wěn)定理論分析2.2.1靜穩(wěn)定的概念發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)定是指同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中經(jīng)受極其微小的擾動(dòng)后，能夠自發(fā)地維持同步運(yùn)行的能力。反之，若不能自發(fā)地維持同步運(yùn)行，發(fā)電機(jī)是不穩(wěn)定的[4]。功角關(guān)系是分析靜穩(wěn)定的一般工具，也是靜穩(wěn)判據(jù)的理論支撐。2.2.2隱極發(fā)電機(jī)的功角特性及靜穩(wěn)判據(jù)隱極機(jī)電磁功率P1是原動(dòng)機(jī)的輸入功率，用P1去截隱極機(jī)功角曲線，一般能夠截出兩點(diǎn)（極限點(diǎn)除外），分別記為點(diǎn)a和b，其功角分別是δa，δb（δa＜δb），然而只有a點(diǎn)是靜穩(wěn)定點(diǎn)?？紤]a點(diǎn)，如果用電細(xì)微變化導(dǎo)致有功略有降低，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將變大，發(fā)電機(jī)功角增大，Pe增加，而P1因?yàn)閼T性來不及改變。因此，原動(dòng)機(jī)輸入功率仍保持在P1值。此時(shí)轉(zhuǎn)矩平衡破壞，△M＜0，阻止功角增大，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸降低，二者最終能夠達(dá)到平衡。若用電變化導(dǎo)致有功略有提高的原理亦是如此。綜上所述，發(fā)電機(jī)在a點(diǎn)能夠保持靜穩(wěn)定。但是b點(diǎn)卻相反，發(fā)電機(jī)功角增加時(shí)Pe降低?！鱉大于零導(dǎo)致發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更快，功角更大，此時(shí)Pe更加降低，轉(zhuǎn)速更加快，造成發(fā)電機(jī)失步，所以b點(diǎn)不是靜穩(wěn)定點(diǎn)。圖2-5隱極發(fā)電機(jī)功角曲線維持靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：當(dāng)δ角增大后，電磁功率Pe亦隨之增大。在發(fā)電機(jī)功角曲線中體現(xiàn)為電磁功率P與功角δ間呈正相關(guān)關(guān)系，即電磁功率P關(guān)于功角δ的導(dǎo)數(shù)大于零，把此導(dǎo)數(shù)記作Pr，即整步功率。在隱極發(fā)電機(jī)中，其值為當(dāng)Pr>0時(shí)能保持靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，Pr=0即δ=90°時(shí)達(dá)到穩(wěn)定極限，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電磁功率為穩(wěn)定極限功率Pem。代入隱極同步發(fā)電機(jī)的無功表達(dá)式[10]得到發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)極限邊界。此時(shí)在P-Q運(yùn)行圖上，發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)極限邊界是一條垂直線，垂直線的方程為在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)應(yīng)在穩(wěn)定極限范圍內(nèi)運(yùn)行，且應(yīng)留有足夠的靜穩(wěn)定儲(chǔ)備。故發(fā)電機(jī)在額定功率Pen外需留有一定的過載能力，即要求極限值Pem大于Pen。Pem與Pen之比稱為靜過載能力Km，即靜過載能力取值視電機(jī)型式容量、材料結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)要求給定，通常會(huì)大于1.7，即額定工況下留有0.7Pn的裕度。2.2.3計(jì)及外部電抗隱極機(jī)達(dá)到靜穩(wěn)極限時(shí)的P-Q關(guān)系考慮外部電抗，此時(shí)Us看作不變，Ug隨負(fù)荷的改變而改變，發(fā)電機(jī)輸出有功為：由上式可以發(fā)現(xiàn)，Eq確定的條件下，計(jì)及Xs，輸出有功會(huì)減少。發(fā)電機(jī)不帶自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)，靜穩(wěn)定極限是以功角δs=90°為判據(jù)，進(jìn)相工況下相量圖如圖2-4所示。P-Q關(guān)系推導(dǎo)如下：將式（2-12）和（2-13）代入式（2-10）和（2-11）整理得：發(fā)電機(jī)達(dá)到靜穩(wěn)定極限時(shí)，δs=90°，代入式（2-14）和（2-15）得：由于消去δ得到在P-Q運(yùn)行圖上的靜態(tài)穩(wěn)定邊界，其靜態(tài)穩(wěn)定極限方程如下：從式（2-18）可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)及Xs，發(fā)電機(jī)進(jìn)相的邊界在P-Q運(yùn)行圖上是一段圓弧。外部阻抗Xs越大，圓半徑越小，且在P=0時(shí)Q的絕對(duì)值取到最大，即空載進(jìn)相吸收無功最多。2.2.4凸極發(fā)電機(jī)的功角特性凸極機(jī)電壓相量圖如圖2-6所示，忽略電阻r，則可得到又將式（2-19）、（2-20）代入可得凸極機(jī)Pe和δ的關(guān)系式當(dāng)用標(biāo)幺值表示時(shí)，式（2-21）可寫為式中與不飽和的隱極機(jī)完全一樣，稱之為基本分量（或勵(lì)磁電磁功率）。稱之為附加分量，僅當(dāng)Xd≠Xq時(shí)該分量才存在，它和勵(lì)磁電流iF（或Eq）無關(guān)，所以凸極機(jī)沒有加勵(lì)磁（Eq=0）時(shí)，也有電磁功率，稱此電磁功率為磁阻功率（或稱凸極電磁功率）。圖2-7為凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性。圖2-6凸極發(fā)電機(jī)直接與無窮大電網(wǎng)相連的相量圖圖2-7凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性由圖可以看出，發(fā)電機(jī)電磁功率最大值Pemax出現(xiàn)在δ<90°處，故凸極同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定極限發(fā)生在不到90°之處。靜穩(wěn)定極限功率角δs精確值由整步功率Pr=0求解得到?？紤]外部電抗計(jì)算靜穩(wěn)定極限時(shí)，只需用（Xd+Xs）代替Xd，（Xq+Xs）代替Xq，就可以求得δs。由表達(dá)式可知，增加的外部電抗影響了極限功率角的大小，因此外部電抗對(duì)發(fā)電機(jī)的進(jìn)相深度有一定影響。。2.2.5計(jì)及外部電抗凸極機(jī)達(dá)到靜穩(wěn)極限時(shí)的P-Q關(guān)系在論述凸極機(jī)P-Q運(yùn)行關(guān)系前，首先在圖2-6上繪制一些新的線條，如圖2-8所示。圖2-8繪制新線條后凸極機(jī)的電壓關(guān)系過C點(diǎn)作BC∥OF，交AO的延長(zhǎng)線于B點(diǎn)，再作OD⊥BC，得DC=OF=Eq。因?yàn)椤鰽BC∽△AOE，所以O(shè)B=Xd-Xq將圖中的電壓相量三角形ABC順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，假定Xd為常數(shù)（即忽略飽和的影響）的情況下，各邊再同除Xd，就得到圖2-9的凸極機(jī)電流關(guān)系及靜穩(wěn)極限圖。圖2-9凸極機(jī)的電流關(guān)系及靜穩(wěn)定極限電流向量AC處在第一象限表示負(fù)荷為滯后的，處在第二象限時(shí)，表示負(fù)荷為超前的，AC與縱軸間的角度即為φ角。考慮到電壓U恒定，因此，圖2-9亦可表示為P-Q關(guān)系圖。圖2-9中，將式（2-23），（2-24）代入凸極機(jī)的功率方程，得接下來求取凸極機(jī)的極限功角δs。在Eq和U保持不變的條件下，Pr=0求得的功角即為δs。下面進(jìn)行推導(dǎo)，式（2-25）中得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eq：式（2-27）代入Pr=0即整理后有[9]：將Pr=0求得的δs代入式（2-25）、（2-26），有凸極機(jī)達(dá)到靜穩(wěn)極限時(shí)的P-Q關(guān)系很難由表達(dá)式直接給出，故采用描點(diǎn)法擬合邊界曲線。取足夠多的δs，根據(jù)上二式可以求得P-Q圖上足夠多的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，將所有點(diǎn)擬合連線即可得到邊界曲線，如圖2-10中紅線所示。當(dāng)Eq→∞時(shí)，δs→90°，此時(shí)Q→﹣U2Xd，因此圖2-10凸極機(jī)靜穩(wěn)極限曲線2.3發(fā)電機(jī)帶AVR的靜穩(wěn)定理論分析當(dāng)代勵(lì)磁系統(tǒng)的作用，除去基本功能即保證發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)與維持發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行外，更普遍的應(yīng)用是為發(fā)電機(jī)提供更大的靜穩(wěn)定裕度。我國中小型發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁主要采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。大型機(jī)組的勵(lì)磁方式則更加強(qiáng)大與多樣化。綜合考慮、因時(shí)因地制宜地配置不同的AVR，能夠達(dá)到保持Eq’恒定或Ug恒定的目的，借此極大程度改善發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)定能力。2.3.1用Eq’恒定模型分析發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)邊界帶有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后，iF不再保持同步發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)Eq不變，而是保持暫態(tài)電勢(shì)Eq’不變，整部功率Pr仍是靜穩(wěn)判據(jù)。以隱極機(jī)為例，考慮到外部電抗，其中：由圖2-11可知：圖2-11隱極發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行相量圖同步發(fā)電機(jī)的電磁功率P：同理求得無功功率Q：把（2-32）、（2-33）、（2-36）、（2-37）式代入（2-34）、（2-35）式能夠求得帶自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后，用Eq’表示的隱極發(fā)電機(jī)P、Q表達(dá)式：對(duì)式（2-38）關(guān)于δs求導(dǎo)。得到隱極發(fā)電機(jī)帶自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后的靜穩(wěn)判據(jù)，即整步功率Pr：當(dāng)Pr＞0時(shí)，發(fā)電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)Pr=0時(shí)，發(fā)電機(jī)處在靜穩(wěn)極限，可求得靜穩(wěn)定極限功率角。當(dāng)Pr＜0時(shí)，發(fā)電機(jī)失穩(wěn)。此時(shí)，發(fā)電機(jī)在P-Q圖上的靜態(tài)穩(wěn)定極限邊界的推導(dǎo)如下：將式（2-39）代入式（2-40）得：將代入上式（2-41）整理得：又[10]兩個(gè)方程中消去EqUsXd∑，將式（2-45）表達(dá)式代入式（2-42）得：當(dāng)Pr=0時(shí)，發(fā)電機(jī)處于靜穩(wěn)極限。此時(shí)在P-Q圖上的邊界方程為：式（2-47）是由發(fā)電機(jī)Eq’恒定模型求得的極限邊界，在P-Q圖上如圖2-12曲線2所示，與不帶AVR相比，進(jìn)相深度有所擴(kuò)展，但此時(shí)未計(jì)及自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，結(jié)果不精確。圖2-12隱極機(jī)帶AVR的靜穩(wěn)極限隱極發(fā)電機(jī)的有關(guān)公式，對(duì)凸極發(fā)電機(jī)也可應(yīng)用，只是將其Xd改為Xq便可[11]。由式（2-38）、（2-39）知，按Eq’計(jì)算的凸極發(fā)電機(jī)功率方程為由式（2-40）知，按Eq’為定值計(jì)的靜穩(wěn)定限制條件為：由式（2-47）知，按Eq’為定值計(jì)的凸極發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)定極限功率方程為2.3.2計(jì)及動(dòng)態(tài)影響發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)極限計(jì)及動(dòng)態(tài)影響，可以通過線性化狀態(tài)方程分析帶AVR發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)定性。根據(jù)小擾動(dòng)線性化狀態(tài)方程得出三個(gè)靜穩(wěn)定判據(jù)，依次為靜穩(wěn)判據(jù)①、②、③，推導(dǎo)可分別得到發(fā)電機(jī)在P-Q關(guān)系圖上確定的三個(gè)靜穩(wěn)定極限邊界相較于Eq’恒定模型，靜穩(wěn)極限邊界方程判據(jù)①增加了發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響（勵(lì)磁系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)很小，故此影響較?。?。判據(jù)②增加了勵(lì)磁系統(tǒng)等值放大倍數(shù)KV的影響，由判據(jù)②可知，當(dāng)KV從零增加到無窮大時(shí)，確定的邊界曲線由δ=90°的垂直線擴(kuò)展到由端電壓Ug恒定模型確定的靜穩(wěn)定邊界曲線，即Eq’模型方程中的Xd∑’換成Xs。判據(jù)③增加了發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和勵(lì)磁系統(tǒng)的放大倍數(shù)的影響，當(dāng)Kv逐漸從零增大超過某一值時(shí)，靜穩(wěn)定曲線逐漸由判據(jù)①確定的邊界，最終向直線P+Q=-U通常情況下，從發(fā)電機(jī)實(shí)用及經(jīng)濟(jì)可靠的角度出發(fā)，勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)Te一般很小，而Kv較大。故發(fā)電機(jī)帶AVR后的靜穩(wěn)曲線依靠靜穩(wěn)判據(jù)③確定，并且伴隨Kv的升高，邊界曲線變化越來越不明顯（仿真證實(shí)）。圖2-13帶AVR的發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行極限圖隱極機(jī)參數(shù)如下：Sn=666.67MVA，Pn=600MW,cosφn=0.9，Un=20kV，In=19245A，Xd=2.27，Xd’=0.267，Td0’=8.724s，Td'=Xd∑'Xd∑Td圖2-13：曲線1是隱極機(jī)不帶AVR時(shí)，考慮Xs時(shí)的靜穩(wěn)極限；曲線2為Eq’恒定模型求得的靜穩(wěn)極限；曲線3為判據(jù)①確定的極限邊界；曲線4為Kv=20時(shí)判據(jù)②決定的極限邊界；曲線5為Kv=200時(shí)判據(jù)②決定的曲線邊界；曲線6為Kv=20時(shí)判據(jù)③決定的靜穩(wěn)極限；曲線7為Kv=50時(shí)判據(jù)③決定的靜穩(wěn)極限；曲線8為Kv=200時(shí)判據(jù)③確定的靜穩(wěn)極限；曲線9為Kv→∞時(shí)判據(jù)③確定的極限邊界。由上圖可知，計(jì)及AVR后，Kv在較低值的區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)邊界的影響較大，而發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)和勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的影響較小。第3章發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的不利影響3.1發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)端部漏磁發(fā)熱的影響3.1.1端部漏磁原理及影響因素發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，部件中總的的磁通包括電樞反應(yīng)磁通φa、勵(lì)磁磁通φ0、定子漏磁φs和轉(zhuǎn)子漏磁φes。總的定子端部漏磁為Φs和Φes的矢量疊加，它是導(dǎo)致端部鐵磁部件發(fā)熱的根本因素。端部漏磁通的大小與電機(jī)本身型式材料有關(guān)，也與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。發(fā)電機(jī)端部漏磁的大小與與定子電流I及φ值有關(guān)。在電機(jī)槽部氣隙中，由于定子、轉(zhuǎn)子主磁通磁路相同，故Φ與U、Φ0與E0相互對(duì)應(yīng)，如圖3-1、圖3-2（a）所示。但是端部漏磁通不同，因?yàn)棣礶a與Φe0的磁路磁阻（Rs和Rr）不同。在定子端部，定子電樞反應(yīng)磁勢(shì)帶來的端部漏磁φea較易通過，而轉(zhuǎn)子漏磁到達(dá)定子端部經(jīng)過的磁阻要大一些。因此，僅有約一半甚至更少的轉(zhuǎn)子漏磁經(jīng)氣隙到達(dá)定子端部，如圖4-2（b）中的AD，其值φe0=λφ0（λ=RsRr＜1，圖3-1磁通、電動(dòng)勢(shì)相量圖圖3-2Φ的矢量關(guān)系圖主磁通；（b）端部漏磁3.1.2端部漏磁與功率因數(shù)的關(guān)系保持電機(jī)的容量不變，即保持定子電流不變時(shí)，φea是某定值，發(fā)電機(jī)由遲相轉(zhuǎn)進(jìn)相時(shí)，勵(lì)磁電流減小，勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子漏磁減小，φe將逐漸變大，其變化如圖4-3所示。圖4-3中φe的末端在以O(shè)為圓心（OC=λBC，取λ=0.5），OD（OD=BD圖3-3Φe與功率因數(shù)的關(guān)系從圖中可以看出，在cosφ=1附近Φ3.1.3減少端部發(fā)熱的措施降低定子端部鐵磁部件的發(fā)熱，應(yīng)致力于加大漏磁路徑的磁阻，防止因漏磁過密而引發(fā)損耗上升急劇，引起過熱。因此，電機(jī)制造時(shí)，為減少端部過熱一般采用如下一些措施：（1）端部鐵芯做成階梯狀。（2）選好定子端部結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)，注重?zé)o磁性材料的選用，例如齒壓板（圈）選用無磁性鋼等。（3）在可能過熱的壓圈上安置阻尼板等。。3.2發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)廠用電電壓降低的影響發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是帶廠用電負(fù)荷進(jìn)行的，進(jìn)相時(shí)機(jī)端電壓降低，而廠用電壓與發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于提供進(jìn)相服務(wù)的發(fā)電廠，一般情況下配置較少臺(tái)數(shù)的進(jìn)相電機(jī)，且要求Ug能夠達(dá)到0.95倍的額定值[12]。此外，也要考慮輔機(jī)尤其是重負(fù)荷輔機(jī)可能由于過流跳閘而影響機(jī)組的正常運(yùn)行和廠用低壓電動(dòng)機(jī)由于電流超上限而引發(fā)的過熱問題[13]。為了順利地實(shí)現(xiàn)進(jìn)相運(yùn)行，可以考慮廠用變壓器采用帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器?？紤]到廠用電動(dòng)機(jī)在低電壓下運(yùn)行的不良后果，若帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器不能滿足電壓要求，則應(yīng)當(dāng)在發(fā)電機(jī)端電壓低于允許的數(shù)值時(shí)，能自動(dòng)切換廠用電的電源。除了導(dǎo)致機(jī)端電壓降低以致廠用母線電壓降低的問題外，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)電壓水平也有一定的降低作用。建議利用統(tǒng)籌調(diào)度優(yōu)化發(fā)電機(jī)所在地區(qū)的電壓水平，科學(xué)掌控電廠電機(jī)進(jìn)相臺(tái)數(shù)和進(jìn)相深度，必要情況下利用靜止補(bǔ)償器、調(diào)相機(jī)等系統(tǒng)輔助部件，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，避免機(jī)組進(jìn)相過程中造成事故[14]。第4章發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相分析及MATLAB仿真以汽輪發(fā)電機(jī)為例[15]。4.1電氣主設(shè)備參數(shù)額定容量412MVA額定有功功率350MW額定功率因數(shù)0.85不飽和同步電抗2.05主變的短路阻抗0.148系統(tǒng)連接阻抗0.0054.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析表4-1某汽輪機(jī)組遲相、進(jìn)相試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量參數(shù)工況1工況2工況3工況4工況5工況6P/MW346.6349.8280280.7199.8197.9Q/Mvar68.9-61.851.9-81.744.8-59.8δ/（°）41.859.135.954.829.743.4Us/kV237233.5239.8235.7236.1229I（A）8603.829172.416870.137641.065074.005513.98φ/（°）11.19-9.9911.09-15.8713.48-17.57If/A254922442292183520141489Ug/kV23.5422.1123.6522.1223.1521.71從表格數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)1是發(fā)電機(jī)額定有功下的遲相運(yùn)行，試驗(yàn)2、試驗(yàn)4、試驗(yàn)6是發(fā)電機(jī)在有功功率不同的條件下實(shí)現(xiàn)不同深度的進(jìn)相運(yùn)行，進(jìn)相運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行功角增加、系統(tǒng)電壓降低、定子電流增加、機(jī)端電壓降低等均有較顯著的影響。發(fā)電機(jī)在高負(fù)荷有功工況運(yùn)行時(shí)，功角很大，靜穩(wěn)裕度較小，定子電流較大，需考慮定子鐵芯發(fā)熱極限，機(jī)端電壓降低明顯，也是主要限制因素之一。發(fā)電機(jī)在低負(fù)荷有功工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)相到一定深度（δ=43°~55°），cosΦ已接近進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)的一般限制值0.95（超前），故低負(fù)荷時(shí)進(jìn)相試驗(yàn)只做到cosΦ表4-2各現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)下的數(shù)據(jù)變化參數(shù)試驗(yàn)2試驗(yàn)4試驗(yàn)6P和QP/MW350280200Q/Mvar+68.9→-61.8﹢51.9→-81.7+44.8→-59.8Q的變化區(qū)間/Mvar發(fā)電機(jī)側(cè)130.7133.6104.6Us變化幅度/kV237→233.5239.8→235.7236.1→2296kV廠用電電壓電壓/kV6.12→5.876.13→5.886.05→5.74降低百分比/%4.264.25I/A8603.82→9172.41端部鐵芯溫度T/℃63.8→84.7由于自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，且勵(lì)磁系統(tǒng)的等效時(shí)間常數(shù)Te不斷減小，進(jìn)相容量愈加變大，此時(shí)功角δ已經(jīng)不是限制因素，廠用母線電壓急劇降低才是限制進(jìn)相運(yùn)行的重要條件。從上述表格能夠看出，不論發(fā)電機(jī)在高負(fù)荷或是低負(fù)荷下運(yùn)行，廠用母線電壓的降低幅度都不容樂觀。尤其工況3時(shí)，6kV廠用母線電壓已經(jīng)降至95%Un（5.7kV），此時(shí)任一低壓電動(dòng)機(jī)一定比率過負(fù)荷運(yùn)行，都會(huì)破壞機(jī)組穩(wěn)定[15]。需要注意的是，進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)過程中，其他發(fā)電機(jī)在本機(jī)吸收無功增多的同時(shí)會(huì)自動(dòng)多發(fā)出無功，使得該機(jī)進(jìn)相對(duì)母線電壓的調(diào)壓效果降低，因此需控制其他發(fā)電機(jī)的無功功率出力。另外系統(tǒng)電壓波動(dòng)也是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一，系統(tǒng)穩(wěn)定問題從來不可忽視。綜上所述，發(fā)電機(jī)組的安全進(jìn)相深度受到機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)定子溫度和運(yùn)行功角的要求限制，還需綜合考慮系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)阻抗的變化，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)充分顯示了發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)無功的吸收能力和對(duì)高壓母線的調(diào)壓能力，理論上的靜穩(wěn)極限邊界可以由仿真得出。4.3凸極發(fā)電機(jī)仿真凸極機(jī)安全運(yùn)行極限主要受以下因素限制定子發(fā)熱為避免定子過熱，一般應(yīng)禁止發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。在圖4-1中，紅色圓弧即為定子過熱邊界，參照2.2.5節(jié)論述，此時(shí)I=In，In在P-Q圖上的長(zhǎng)度表示為InU=Sn。轉(zhuǎn)子發(fā)熱額定運(yùn)行條件下，勵(lì)磁電流為Ifn。遲相工況下保持電壓和定子電流不變，若If＞Ifn，轉(zhuǎn)子會(huì)過熱。從這一點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)cosφPm的極限凸極機(jī)額定功率Pn，受原動(dòng)機(jī)額定功率Pmn限制，一般Pmn≥Pn，在圖4-3中Pmn=Pn。靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行極限凸極機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，Eq與U之間的夾角δ不斷增大，此時(shí)凸極機(jī)的有功輸出受靜穩(wěn)極限限制。下式即為凸極機(jī)理論上的靜穩(wěn)極限：然而，工程實(shí)踐中發(fā)電機(jī)進(jìn)相一般不可以達(dá)到理論極限，因?yàn)樾枰舫鲈６瓤紤]短時(shí)過負(fù)荷的突發(fā)狀況。因而，必須找出發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的實(shí)際靜穩(wěn)極限，通常設(shè)置過負(fù)荷裕度為0.1Pn。在理論靜穩(wěn)邊界上先取一些點(diǎn)；然后保持勵(lì)磁（Eq/Xd）不變，通過理論曲線上低于各選取點(diǎn)0.1Pn的新點(diǎn)作水平線交勵(lì)磁不變的圓弧于各實(shí)際點(diǎn)，各實(shí)際點(diǎn)的連線就是實(shí)際靜穩(wěn)邊界，即圖5-1中的淺藍(lán)色曲線。最小允許勵(lì)磁最低勵(lì)磁一般是以Ifmin=0.1Ifn為下限，在圖5-1中深藍(lán)色曲線就是最低勵(lì)磁限制。下面討論凸極機(jī)感應(yīng)電勢(shì)Eq的計(jì)算：由圖2-6可以列出故圖5-1凸極機(jī)安全運(yùn)行極限4.4隱極發(fā)電機(jī)仿真隱極機(jī)在P-Q關(guān)系圖上的穩(wěn)定極限與凸極機(jī)類似，如圖5-2。紫線CD是以M為圓心，以EqXd半徑所畫出的圓弧，在P-Q圖上的長(zhǎng)度表示為EqUXd；曲線GC是以O(shè)為圓心，用In為半徑所決定的圓弧,在P-Q圖上的長(zhǎng)度表示為InU=Sn；水平線GB是由原動(dòng)機(jī)最大安全輸出功率Pm所決定的，圖中Pm稍大于發(fā)電機(jī)額定有功功率Pn；而垂直線MH是理論上隱極機(jī)直接與無窮大系統(tǒng)相連時(shí)的靜穩(wěn)極限，在該邊界，功角δ=90°。垂直線MH與P軸的距離為UXd，在P-Q圖上的長(zhǎng)度表示為U2Xd。若考慮外部電抗，則隱極機(jī)的靜穩(wěn)極限是一段圓弧。同樣，留有0.1Pn的靜穩(wěn)裕度防止突然過負(fù)荷。為構(gòu)成實(shí)際靜穩(wěn)邊界，在理論曲線上先取一些點(diǎn)，按與凸極機(jī)相同的方法構(gòu)成新的曲線邊界，也可以用功角δ下面討論隱極機(jī)感應(yīng)電勢(shì)Eq的計(jì)算：由圖2-1可列出綜上繪出具有均勻氣隙的隱極機(jī)的安全運(yùn)行極限，如圖5-2所示。圖5-2隱極同步發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行極限對(duì)前一章汽輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相試驗(yàn)的安全運(yùn)行極限進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5-3所示。圖5-3汽輪機(jī)仿真安全運(yùn)行極限圖中交點(diǎn)坐標(biāo)如表5-1所示。表5-1350MW汽輪發(fā)電機(jī)交點(diǎn)坐標(biāo)交點(diǎn)序號(hào)ABCD坐標(biāo)(-0.4878,0)(-0.3854,0.85)(0.5268,0.85)(0.8358,0)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相試驗(yàn)三種工況下無功功率的最大吸收值（標(biāo)幺值）分別是0.3854、0.421、0.4548，折合成實(shí)際值分別是158.8Mvar、173.5Mvar、187.4Mvar，三種工況下勵(lì)磁電勢(shì)Eq的最低限值（標(biāo)幺值）分別為1.7556、1.4048、0.9875，額定工況下Eq標(biāo)幺值為2.7134。由圖5-3可以看出，發(fā)電機(jī)進(jìn)相的靜穩(wěn)極限邊界上的點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，即最低勵(lì)磁限制隨發(fā)電機(jī)有功的增加而增大，這也決定了發(fā)電機(jī)V形曲線存在臨界穩(wěn)定限制（由維持穩(wěn)定所需的最小勵(lì)磁電流決定），該處即功角δ=90°的臨界邊界，且隨著發(fā)電機(jī)的有功功率增大，穩(wěn)定邊界點(diǎn)右移。上圖P軸上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)cosφ=1即輸出純有功功率的運(yùn)行工況，要想增大有功輸出，上述結(jié)論在發(fā)電機(jī)V形曲線中也可驗(yàn)證。對(duì)凸極機(jī)運(yùn)行的V形曲線仿真，結(jié)果如圖5-4所示。隱極機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行區(qū)域會(huì)出現(xiàn)最小勵(lì)磁電流，它就是功角δ為90°時(shí)的轉(zhuǎn)子電流值，即自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不投運(yùn)的發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定的極限值，隱極機(jī)的運(yùn)行曲線為U形曲線[6]。圖5-4V形曲線第6章同步發(fā)電機(jī)的失磁異步運(yùn)行6.1發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)電暫態(tài)過程發(fā)電機(jī)失磁后，仍輸出一定的有功，以低轉(zhuǎn)差s與系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的狀態(tài)即為所說的失磁異步運(yùn)行。發(fā)電機(jī)失磁原因有很多，例如勵(lì)磁調(diào)節(jié)失誤、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障、集電環(huán)過熱等等。因此，若發(fā)電機(jī)失磁后可短時(shí)運(yùn)行不必立即脫網(wǎng)停運(yùn)，這對(duì)于減少用戶停電、降低能耗、確保系統(tǒng)穩(wěn)定等具有極大意義。實(shí)踐結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)失磁后，只要及時(shí)地降低有功輸出，在甚低轉(zhuǎn)差下進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行是完全可能的。限制輸出有功的因素，主要是定子端部鐵芯和金屬結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱（其發(fā)熱增長(zhǎng)很快），其次是定子過電流。發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱并不是限制因素，至于轉(zhuǎn)子繞組是否具有過電壓的風(fēng)險(xiǎn)，要視具體情況而定，一般而言是不需要細(xì)致考慮的。實(shí)踐表明，對(duì)于100MW以下間接冷卻的發(fā)電機(jī)，其失磁運(yùn)行的能力，均比直接冷卻的發(fā)電機(jī)大，在輸出約0.5倍額定有功功率下，可失磁異步運(yùn)行15~30min。而100至300MW的發(fā)電機(jī)總的異步運(yùn)行時(shí)間不能超過15分鐘。6.1.1發(fā)電機(jī)從失磁到失步的過程發(fā)電機(jī)在剛失磁瞬間，由于電感效應(yīng)的存在，轉(zhuǎn)子電流不會(huì)即刻減小到零，其衰減表達(dá)式為：式中Te—?jiǎng)?lì)磁回路的時(shí)間常數(shù)。伴隨ie（t）的降低，定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eq，即上二式中Eq(t)、Eq(t)’—分別是不考慮和考慮定子剩磁情況下的Eq；E0r—定子剩磁感應(yīng)電勢(shì)；Es—轉(zhuǎn)差電動(dòng)勢(shì)。。至此需指出：在sinδ>0范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)輸出的同步電磁功率，亦將隨Eq（t）的衰減而減少，剩余轉(zhuǎn)矩△M>0，轉(zhuǎn)子加速，致使Eq（t）和U之間的夾角δ加大。當(dāng)Pe功角曲線下降到一定程度時(shí)，δ=90°，發(fā)電機(jī)臨界失步。此后，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)差和與之成正比的Es。當(dāng)δ趨近180°時(shí)，sinδ則趨近零值由發(fā)電機(jī)從失磁起到臨界失步所經(jīng)歷時(shí)間t的表達(dá)式可以看出，失磁前輸出的有功P0愈大，則t越短。若P0=0，則t=∞。當(dāng)Xd越大，或者Td’越小，或者外部電抗Xs越大時(shí)，則t越短，失磁后越容易失步[4]。6.1.2發(fā)電機(jī)從暫態(tài)異步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步的過程轉(zhuǎn)差s在轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子齒部等部件中感應(yīng)出頻率為s（轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間）的交流電流，從而建立相對(duì)于轉(zhuǎn)子頻率為s的磁場(chǎng)，并與原先的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用形成新的異步轉(zhuǎn)矩，且隨著s的增大，異步轉(zhuǎn)矩增大。因而，當(dāng)合成異步轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，發(fā)電機(jī)就從暫態(tài)異步階段進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)異步階段?？偟漠惒睫D(zhuǎn)矩，是由恒定分量（反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分量B2產(chǎn)生的平均異步轉(zhuǎn)矩Mas.av）和頻率為兩倍s、幅值隨s增大而增大的交變分量（正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分量B1產(chǎn)生的交變異步轉(zhuǎn)矩Mas~）構(gòu)成。Mas~是由轉(zhuǎn)子的不對(duì)稱度，即次暫態(tài)直軸與交軸電抗之差所確定的；Mas.av大小與橫、縱軸阻尼強(qiáng)弱及轉(zhuǎn)子繞組接線有關(guān)。此過程中還有因?yàn)閄d與Xq的差值所導(dǎo)致的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)于隱極機(jī)可忽略。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，Xd”和Xq”的數(shù)值很小，但是（1Xd'-1Xd）、（對(duì)于無阻尼繞組的水輪機(jī)，Xd”=Xd’，Xq”=Xq。因此，發(fā)電機(jī)平均異步轉(zhuǎn)矩很小。對(duì)于有阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)，其異步轉(zhuǎn)矩則介于汽輪發(fā)電機(jī)和無阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī)之間。所以，一般水輪發(fā)電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩比汽輪發(fā)電機(jī)的小許多，只有在轉(zhuǎn)差很大時(shí)，異步轉(zhuǎn)矩才大些。但增大的幅度很小，但極大轉(zhuǎn)差卻導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子部件均感應(yīng)出極大電勢(shì)，從而生出極大電流，引起各金屬部件發(fā)熱，部分結(jié)構(gòu)件溫升甚至超過上限值，因此也是較明顯的限制其失磁運(yùn)行的條件，所以水輪發(fā)電機(jī)不能異步運(yùn)行。發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)差在一定范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速升高，即轉(zhuǎn)差增大時(shí)，其Mas.av增加。但是此時(shí)調(diào)速器會(huì)動(dòng)作，汽門（或?qū)~）關(guān)小，原動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)它減小到與異步制動(dòng)力矩相等時(shí)，發(fā)電機(jī)就能穩(wěn)定異步運(yùn)行，而水輪發(fā)電機(jī)平衡點(diǎn)因轉(zhuǎn)差過大，不能異步運(yùn)行。因此，發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行的輸出功率一定小于失磁前的輸出功率（調(diào)速系統(tǒng)失靈除外）。異步轉(zhuǎn)矩大小還與轉(zhuǎn)子繞組的接線方式有關(guān)，從失磁異步運(yùn)行輸出最大有功功率的觀點(diǎn)看，轉(zhuǎn)子繞組的接線方式，最好由發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)允許的轉(zhuǎn)差數(shù)值來確定。轉(zhuǎn)子繞組選用最合適的電阻短路，還可減小定子電氣量擺動(dòng)的幅值。為實(shí)現(xiàn)再同步需要注意以下兩點(diǎn)。加入的勵(lì)磁電流要大；發(fā)電機(jī)的輸出功率要小。發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)，還要求系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的無功功率儲(chǔ)備。實(shí)踐結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子溫升不是限制因素，而系統(tǒng)無功容量?jī)?chǔ)備、定子過電流、定子端部發(fā)熱、定子電壓過低等，才是限制發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行的因素。6.1.3本章小結(jié)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子本體，是由整塊鋼鍛件制成的，除與轉(zhuǎn)子繞組絕緣外，各部位均可構(gòu)成導(dǎo)電回路，這一結(jié)構(gòu)的固有特點(diǎn)，就確定了其失磁異步運(yùn)行時(shí)，異步轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系為“硬”特性，即異步轉(zhuǎn)矩增加許多，而轉(zhuǎn)差率卻增加很少。汽輪機(jī)均具有失磁運(yùn)行能力，只要系統(tǒng)無功容量足夠，即可準(zhǔn)許發(fā)電機(jī)短時(shí)失磁運(yùn)行，進(jìn)一步提高系統(tǒng)供電的可靠性。水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極大多數(shù)是由硅鋼片疊