电气基础知识题.docx
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1、1、同步发电机(同步电机的“同步”是指什么? 答:“同步”是指定子磁场和转子磁场以相同的方向、相同的速度旋转。)按照结构形式,同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。(特有,与直流电机、感应电机不同)前者的电枢装设在转子上,主磁极装设在定子上,这种结构在小型同步电机中得到一定的应用。对于高压、大型的同步电机,通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常比电枢小得多,把主磁极装设在转子上,电刷和集电环的负载可大为减轻,工作条件得以改善,运行稳定、可靠。目前,旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构形式。1)同步电机的基本结构(旋转磁极式、隐极)转子是汽轮发电机很关键的部分,从机械
2、应力和发热看是汽轮发电机最吃紧的部件。它既是电机磁路的主要组成部分,又高速旋转而承受很大的机械应力,所以材料既要求有好的导磁性能,又需要有很高的机械强度。所以转子一般用整块的具有良好导磁性的高强度合金钢锻成,转子表面约2/3部分铣有凹槽。用以嵌放励磁绕组,不开槽部分形成一个大齿,嵌线部分和大齿一起构成主磁极。槽内插有非磁性金属槽楔,端口套有高强度非磁性钢锻成的护环。护环的作用是保证绕组端口不会因离心力甩动而损坏。2)同步电机的运行状态若转子磁场超前于定子合成磁场0,则此时转子将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩。为使转子能以同步速旋转,必须从轴上输入机械功率,电机作为发电机运行。当=
3、0时,此时电机内没有有功功率的转换电机处于补偿机状态,或空载状态。 当转子磁场滞后定子磁场,0,则此时转子上受到一个与转向相同的拖动性质的转矩。此时定子从电网吸收电功率,转子可拖动负载而输出机械功率,电机作为电动机运行。3)同步电机的励磁 供给同步电机励磁的装置,称为励磁系统。获得励磁电流的方式称为励磁方式。为保证同步电机的正常运行,励磁系统应满足以下要求:(1)能稳定地提供同步电机从空载到满载到过载所需的励磁电流;(2)当电力系统发生故障使电网电压降低时,励磁系统能快速强行励磁以提高系统稳定性;(3)当同步机内发生短路故障时,应能快速灭磁。目前采用的励磁系统可分为两类:(1)直流发电机励磁系
4、统;(2)交流整流励磁系统 4)同步电机的空载运行将发电机用原动机拖动,使转子达到同步速,励磁绕组通入直流励磁电流,电枢绕组开路时的情况,称为空载运行。空载运行时,同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。当转子以同步转速旋转时,主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场,并切割对称的定子三相绕组,于是定子绕组内将感生一组频率为f的对称三相电动势,称为激磁电动势,忽略高次谐波时,激磁电动势的有效值E0为式中0为每极的主磁通量。5)同步电机的电枢反应电机带上负载后,电枢三相绕组中将流过三相电流,此时电枢绕组就会产生电枢磁动势及相应的电枢磁场,气隙内的合成磁场将由电枢磁动势和主极磁动势共同作用产生。电枢磁动
5、势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应。电枢反应的性质(增磁去磁或交磁),取决于电枢磁动势基波Fa和励磁磁动势基波Ff之间的相对位置。由于E0滞后0(即Ff)900,而I与Fa相位相同。即电枢反应的性质与空载电动势E0和电枢电流I之间的夹角有关。称为内功率因数角,电枢反应的性质取决于,即负载的性质。空载电动势E0和电枢电流Ia同相位时,电枢反应性质为交轴电枢反应。空载电动势E0超前电枢电流Ia 90时,电枢反应为直轴去磁电枢反应。空载电动势E0滞后电枢电流Ia 90时,电枢反应为直轴助磁电枢反应。一般情况下的电枢反应既有交轴,还有直轴去磁/助磁电枢反应。电枢反应
6、是同步电机在负载运行时的重要物理现象,它不仅是引起端电压变化的主要原因,而且也是电机实现机-电能量转换的枢纽。(注意表中负载性质对电机的影响)一般情况下,发电机既带有功负载,又带感性无功负载,有功电流的变化影响发电机的转速及频率,无功电流的变化影响发电机的电压。为了保持发电机的频率和电压的稳定,必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。综上所述,交轴电枢反应的存在是实现机电能量转换的关键。5)同步电机方程隐极同步发电机 同步发电机负载运行时,除了主极磁动势Ff之外,还有电枢磁动势Fa。如果不计磁饱和(即认为磁路是线性的,磁化曲线为直线),则可利用叠加原理,把Ff和Fa单独作用时所产生的
7、磁通分别求出,再把它们的结果叠加起来。设Ff和Fa各自产生主磁通和电枢反应磁通,并在定子绕组内感应出相应的激磁电动势和电枢反应电动势,把和向量相加,可得电枢一相绕组的合成电动势(也成为气隙磁动势)。另一方面,电枢各相电流将产生电枢漏磁通,并感应出漏磁电动势。把作为负漏抗压降,有,其中为电枢漏抗。 不计磁路饱和时有下列关系:令,电动势平衡方程,其中-同步电抗凸极同步发电机凸极发电机的特点:气隙不均匀,d轴气隙小,q轴气隙大。造成的结果:电枢圆周上的磁导各不相同解决办法:双反应理论:在一般情况下,电枢磁势既不在直轴也不在交轴,而是作用在空间任意位置时,应先将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量,再用直
8、轴磁导和交轴磁导分别考虑直轴和交轴电枢磁势所产生的电枢反应。最后再把他们叠加起来,这种考虑直、交轴气隙磁阻不同,把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法称为双反应理论。不计饱和时,可利用双反应理论和叠加原理,即主极磁场,直轴电枢反应磁场和交轴电枢反应磁场各自在定子绕组中感应电势,这些电势的总和为一相绕组的合成电动势(即气隙电动势)。由于,且令,则电动势平衡方程,分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗。为确定内功率因数角引入虚拟电动势,与E0同相位且直轴和交轴同步电抗:对于凸极电机,由于直轴下的气隙比交轴下的小,直轴磁通所经磁路的磁导要比交轴电枢反应磁通所经磁路的磁导大,所以,因此在凸极同步电机中,
9、。对于隐极电机,因气隙均匀,故。由于转子凸极而有两个同步电抗,这是凸极同步电机的特点。 功率情况: 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给,并忽略杂散损耗p ,则发电机轴上输入的机械功率P1扣除机械损耗p和定子铁耗pFe后,余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应作用,转换成定子的电功率;所以,转换功率就是电磁功率Pe,即,再从电磁功率中扣除电枢铜耗,可得电枢端点输出的电功率P2,即。6)同步发电机的运行特性(1)空载特性空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况,另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合,可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中,它还可以检查
10、三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。(2)短路特性:短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。 (3)外特性从外特性可以求出发电机的电压调整率。调节发电机的励磁电流,使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压,此时的励磁电流称为发电机的额定励磁电流。保持励磁电流为额定励磁电流,转速为同步转速,卸去负载,此时端电压升高的百分值即为同步发电机的电压调整率,用u表示,即凸极同步发电机的u通常在18%30%范围内;隐极同步发电机由于电枢反应较强,u通常在30%48%范围内。(4)调整特性7)同步发电机与电网的并联运行必要性(与区域电网互联的意义比较
11、记忆):(1)电能的供应可以相互调剂,合理使用,从而更合理地利用动力资源和发电设备。 (2)增加供电的可靠性。一台发电机的故障,不致于造成停电事故,同时,也减少了备用容量。 (3)供电的质量增加了。由于系统容量很大,一台电动机的起动、加载、停机,对系统来说,几乎就没有影响,因此,电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内部的机械应力的冲击,将要投入电网的发电机应满足下列条件: 1、发电机的电压幅值等于电网电压幅值,而且波形一致;2、投入时,发电机的电压相位与电网电压相位一致;3、发电机的频率等于电网的频率;4、发电机的相序必须与电网相序一致
12、。 上述条件(4)一般在安装发电机时,根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足,因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。相序不同是绝对不允许投入的。因为即使某相满足了前面三个条件,但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度 ,它将引起很大的冲击环流,危害电机的安全运行。由于汽轮机和水轮机有一定的转向,而且发电机出线都用颜色黄、绿、红标明,在装置开关时,首先就要布置好相序,所以在发电厂一般不会出现相序错误。投入并联的方法:整步过程:把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程(或称并车),整步方法:准整步和自整步。准整步:把发电机调整到完全合乎并联投入,然后投入电网,这
13、种方法叫准整步。自整步:首先校验发电机的相序,并按照规定的转向(和定子旋转磁场的转向一致)把发电机拖动到接近同步速旋转,把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁),然后把发电机投入电网,并立即加上励磁,依靠定、转子间形成的电磁力矩,把转子自动地拉入同步。 讨论:1)进行自整步操作时要注意,发电机投入电网时,励磁绕组不应开路,否则励磁绕组中将感生危险高压;励磁绕组也不直接短路,否则合闸时定子电流会有很大冲击。通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。 2)自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。 有功功率的调节和静态稳定为使同步发电机能够稳定运行并有一定的裕度,应使最大电磁功率比额定功率
14、大很多。同步电动机与同步补偿机与感应电动机相比,同步电动机的主要特点是:转速与负载大小无关始终保持为同步速,且功率因数可调。因此广泛应用于大功率恒转速的机械负载,如空气压缩机、粉碎机、鼓风机、水泵及电动发电机组。同步补偿机相当于空载运行的同步电动机,用于补偿电网的无功功率和功率因数。同步电动机的启动:异步启动、辅助电机启动、变频启动。2、电磁环网电磁环网亦称高低压电磁环网,是指两组不同电压等级的线路通过两端变压器磁回路的联接而并联运行。环网运行主要有下列弊端:1) 易造成系统热稳定破坏。如果在主要的受端负荷中心,用高低压电磁环网供电而又带重负荷时,当高一级电压线路断开后,所有原来带的全部负荷将
15、通过低一级电压线路(虽然可能不止一回)送出,容易出现超过导线热稳定电流的问题。2) 易造成系统动稳定破坏。正常情况下,两侧系统间的联络阻抗将略小于高压线路的阻抗。而一旦高压线路因故障断开,系统间的联络阻抗将突然显著地增大(突变为两端变压器阻抗与低压线路阻抗之和,而线路阻抗的标么值又与运行电压的平方成正比),因而极易超过该联络线的暂态稳定极限,可能发生系统振荡。3) 不利于经济运行。500kV与220kV线路的自然功率值相差极大,同时500kV线路的电阻值(多为4400平方毫米导线)也远小于220kV线路(多为2240或1400平方毫米导线)的电阻值。在500/220kV环网运行情况下,许多系统
16、潮流分配难于达到最经济。4) 需要装设高压线路因故障停运后联锁切机、切负荷等安全自动装置。但实践说明,若安全自动装置本身拒动、误动将影响电网的安全运行。一般情况中,往往在高一级电压线路投入运行初期,由于高一级电压网络尚未形成或网络尚不坚强,需要保证输电能力或为保重要负荷而又不得不电磁环网运行。3、派克变换发电机的电压方程是一组变系数的微分方程,用这种方程来分析发电机的运行状态是很困难的,因此采用派克变换。从数学意义上讲,变换没有什么,只是一个坐标变换而已,从abc坐标变换到dq0坐标,如果有需要可以逆变换回来。从物理意义上讲,park变换就是将ia,ib,ic电流投影,等效到d-q轴上,将定子
17、上的电流都等效到直轴和交轴上去。对于稳态来说,这么一等效之后,id,iq正好就是一个常数了。从观察者的角度来说,我们的观察点已经从定子转移到转子上去,我们不再关心定子三个绕组所产生的旋转磁场,而是关心这个等效之后的直轴和交轴所产生的旋转磁场了。这样做使得在建立转子回路电磁关系的微分方程时,其系数矩阵成为常数矩阵,而不是随着时间和空间量变化的系数矩阵,这样大大化简了分析发电机、电动机的电磁关系的微分方程。1、变换的可能性 三相绕组的作用就是在气隙中产生一同步旋转的合成磁场,根据等效原则,不管什么样的绕组系统,只要能在气隙中产生同样的合成旋转磁场,则这个绕组系统就与原来的三相定子绕组等效,换句话说
18、就可以用这个绕组系统代替原来的三相绕组系统。2、派克变换派克变换就是利用两个随转子一起旋转的假想绕组和一个零轴假想绕组来代替空间静止不动的三相定子绕组。其中一个为d轴方向的绕组记为dd绕组,其轴线与d轴轴线重合;一个为q轴方向的绕组,记为qq绕组,其轴线与q轴轴线重合,零轴绕组反映三相定子绕组中的零序电流的作用。 等效绕组与转子绕组之间的相对位置不再改变,从而使转子各绕组与等效绕组之间的互感系数不再改变而保持常数; 另一方面dd绕组、qq绕组在转子旋转时,始终在d轴方向和q轴方向,其磁路不变,从而避免了转子在d轴和q轴方向磁路不对称而引起定子绕组自感系数和互感系数的变化; 零轴绕组则反应定子三
19、相电流中的零序分量的作用,由于三相零序电流分量产生的合成磁场为零,所以等效零轴绕组也不在空气隙中产生磁场。4、发电机进相运行发电机正常运行时,向系统提供有功同时还提供无功,定子电流滞后于端电压一个角度,此种状态即迟相运行。当逐渐减少励磁电流使发电机从向系统提供无功而变为从系统吸收无功,定子电流从滞后而变为超前发电机端电压一个角度,此种状态即进相运行。发电机进相运行时各电气参数是对称的,并且发电机仍保持同步转速,因而属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况,只是拓宽了发电机的运行范围。同样,在允许的进相运行限额范围内,只要电网需要是可以长期运行的。1、发电机进相运行现象1)励磁电流大
20、幅度减少;2)发电机定子电压降低;3)发电机无功负荷变为负值。2、发电机进相运行危害1)增加发电机有功负荷,将使发电机向不稳定方向发展,易造成发电机失稳运行甚至系统振荡事故。2)继续减少发电机励磁电流,使发电机进相深度增加,可能导致发电机失磁保护动作或发电机失稳运行。3)发电机进相运行,定子电流增加,定子发热增加;发电机进相运行时,定子端部漏磁通变化比增大,使得端部发热最严重,发电机定子线圈温度将持续上升。4)发电机进相运行,发电机出口电压降低,使得母线电压降低。设有低电压保护的高压电动机将跳闸;运行中的各电气设备,因母线电压降低,电流增大,导致设备发热,长时间运行会损坏设备绝缘。5、耗量特性
21、 发电设备单位时间内消耗的燃料的数量与发出的有功功率的关系,即发电设备输入与输出的关系,这种关系称为耗量特性。耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值,即单位时间内输入能量与输出功率之比称为比耗量。耗量特性曲线上某一点切线的斜率称为耗量微增率。耗量微增率是单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量的比值。6、电力系统低频振荡发电机的转子角、转速以及相关电气量(如线路功率、母线电压等)发生近似等幅或增幅的振荡,因振荡频率较低,一般在0.12.5,故称为低频振荡。其产生的原因主要为电力系统中发电机并列运行时,在扰动下发生发电机转子间的相对摇摆,并在缺乏阻尼时持续振荡导致。低频振荡是随着电网互联而产生
22、的。联网初期,同步发电机之间联系紧密,阻尼绕组可产生足够的阻尼,低频振荡少有发生。随着电网互联规模的扩大,高放大倍数快速励磁技术的广泛采用,以及受经济性、环保等因素影响下电网的运行更加接近稳定极限,在世界各地许多电网陆续观察到低频振荡。一般来说,涉及机组越多、区域越广,则振荡频率越低。低频振荡的多重扰动特征一般认为,低频振荡是电力系统在遭受扰动后联络线上的功率摇摆。系统动态失稳是扰动后由于阻尼不足甚至是负阻尼引起的发散振荡导致的。失稳的因素主要是系统电气阻尼不足或缺乏合适的有功配合,通常是由以下几种扰动引发的:(1)切机;(2)输电线故障或保护误动;(3)断路器设备事故;(4)损失负荷。扰动现
23、象一般要经历产生、传播、消散的过程,在传播过程中可能引起新的扰动,同时针对扰动的操作本身也是一种扰动。所以,这些情况往往不是孤立的,而是相互关联的,在时间、空间上呈现多重现象。这就是多重扰动存在的实际物理背景。持续恶化的互相作用最终将导致系统失稳、解列,形成大规模的停电事故。电厂系统低频振荡的现象及处理主要现象:系统频率在一定范围内振荡,且具有与同步振荡类似现象。处理措施:1) 应根据振荡频率、振荡分布等信息正确判断低频振荡源;2) 如振荡源为本厂,则降低机组有功,直至振荡平息;3) 提高振荡区域系统电压;4) 若有运行机组未投入,应立即将其投入。7、电力系统次同步振荡次同步振荡是电力系统中的
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