解决同步发电机不对称运行问题

同步发电机是根据在对称负载下长期运行来设计制造的，因而在使用时尽量使同步电机在对称情况下运行。但是有时会遇到某些原因导致同步发电机出现不对称运行，例如同步发电机接有容量较大的单相负载（如单相电炉，民用电中的照明与家用电器，工业中的电气铁轨采用单相电源为牵引电机供电），输电线路的单相或两相短路，断路器或隔离开关一相未合上等，上述情况都将造成负载不对称，使发电机在不对称负载下运行。同步发电机的不对称运行属于异常运行状态，即介于正常和具有破坏性的事故运行之间的一种运行状态。

在不对称负载情况下运行，同步发电机的电枢电压和电枢电流都会出现三相不对称现象，使得接到电网的变压器和电动机运行情况变坏、效率降低。同时，也对发电机本身以及电网带来不良影响，因此对同步发电机的不对称负载的程度有一定的限制。

同步发电机不对称运行时，电机中包括正序、负序和零序分量。不计饱和时，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进行分析。

1.相序电动势

转子励磁磁场按规定的正方向旋转，在定子绕组中产生的三相感应电动势定为正序，由于结构的对称性显然为对称正序电动势。但如果带不对称负载时，则为不对称运行。由于发电机不存在反转的转子励磁磁场，所以不会有负序电动势与零序电动势。

2.相序阻抗

（1）正序阻抗。转子通入励磁电流正向同步旋转时，电枢绕组中所产生的正序三相对称电流所遇到的阻抗即为正序阻抗。因此正序阻抗实质上是同步发电机正常运行时的同步阻抗。对于隐极同步发电机，即

对于凸极同步发电机，由于气隙不均匀，数值大小取决于正序旋转磁场与转子的相对位置。当发生三相对称稳态短路时，忽略的电枢电阻，正序电抗等于xd的不饱和值。

（2）负序阻抗。当转子正向同步旋转、励磁绕组短路、电枢加上一组对称的负序电压时，负序电枢电流所遇到的阻抗称为负序阻抗。

负序电枢磁场的转速为同步速，但其转向与转子的转向相反，以2n1速度切割转子上的励磁绕组和阻尼绕组，而产生两倍频率的感应电动势和电流。由于凸极同步发电机转子结构不对称，直轴、交轴上的磁路和电路系统不相同，因此对应的负序阻抗与等效电路也不相同。当负序磁场的轴线和转子直轴重合时，忽略铁损耗等效电路如图3.46（a）所示。当负序磁场轴线和转子交轴重合时，其等效电路如图3.46（b）所示。在凸极同步发电机中，负序磁场与交轴重合时为交轴负序电抗xq-，负序磁场与直轴重合时为直轴负序电抗xd-，因此负序电抗值是变化的，一般取二者的平均值作为负序电抗值，即

图3.46　负序阻抗等效电路

（a）负序磁场轴线正对d轴；（b）负序磁场轴线正对q轴

（3）零序阻抗。当转子正向同步旋转、励磁绕组短接，电枢绕组产生零序电流，该电流所遇到的阻抗称为零序阻抗。由于各相零序电流大小相等、相位相同，流过三相绕组产生的各相磁动势在空间互差120°电角度，则三相合成基波磁动势为零，不形成旋转磁场。因而零序电流只产生定子漏磁通，零序电抗实质上为一漏电抗。

与零序漏电抗相似，零序电抗的大小与绕组的节距有关。对于单层和双层整距绕组，每槽内线圈边中电流方向总是相同的，故零序电抗等于正序漏电抗，即x0=xσ。对于双层短距绕组，有一些槽的上、下层线圈边不同相，流过绕组的电流大小相等、方向相反，槽的零序漏磁通互相抵消，因此零序电抗小于正序漏电抗，即x0＜xσ。

3.相序电动势方程式和等效电路

（1）正序分量(www.xing528.com)

（2）负序分量。转子转向只有正转，定子绕组中无负序的励磁电流，因此为无源电路，即U0=0。

（3）零序分量。定子绕组中也不存在零序励磁电势，零序电路也为无源电路，即U0=0。

根据上述各式，可得同步发电机各序等效电路，如图3.48所示。

图3.47　同步发电机各序等效电路

（a）正序等效电路；（b）负序等效电路；（c）零序等效电路

4.不对称运行对发电机的影响

不对称运行对发电机的影响主要有两方面：使转子表面局部过热；引起发电机振动。

（1）转子表面局部过热。当发电机不对称运行时，在发电机中会有正序、负序、零序三组对称分量电流产生。负序电流在定、转子气隙中建立一个以同步转速旋转、方向与转子转向相反的旋转磁场（负序旋转磁场），以2n1的转速切割转子，在转子铁芯中感应两倍工频电流，由于转子结构不对称，两倍工频电流在转子上分布不均匀，造成在转子表面和大齿横向槽两侧的电流密度较大，容易出现局部温度升高、过热。

另外，转子上感应的两倍工频电流，不仅沿转子轴向分布，还有径向分布，在转子表面形成环流。电流流经护环及其嵌装表面，槽楔与齿的搭接处等部位时，由于各部位的接触电阻较大，也容易出现高温和过热，这些高温和过热点很可能发生转子局部烧损。由于凸极发电机没有护环，就不存在上述问题，所以水轮发电机较汽轮发电机可允许较高的不对称度。

（2）引起发电机振动。在不对称负载运行时，负序磁场以两倍同步速旋转与正序主极磁场相互作用而产生100Hz的交变电磁转矩。该转矩同时作用在转子和定子铁芯上，引起机组的振动并产生噪音。凸极发电机由于直轴和交轴磁阻不同，交变的电磁转矩作用于机组振动更严重。

同步发电机承受振动的能力取决于其结构。铸造机座比较耐振，而焊接机座承受振动的能力较差，因为焊缝容易开裂。

综上所述，汽轮发电机不对称度的允许值由发热条件决定，而水轮发电机不对称的允许值由振动条件决定。按国家标准规定，在额定负载连续运行时，汽轮发电机三相电流之差不得超过额定值的8%，水轮发电机和同步补偿机的三相电流之差不得超过额定值的12%，同时任一相的电流不得大于额定值。

5.防止措施

根据以上分析可知，不对称运行时对同步发电机产生的不良影响的主要原因是负序电流建立的反转磁场，因此要减少不对称运行的不良影响，就必须尽量减小负磁场的作用。因此在同步发电机的转子上安装阻尼绕组，阻尼绕组由于电阻和漏抗小，又安装在极靴表面，将产生较大的感应电流，其形成的磁场能有效地削弱反转磁场。阻尼绕组的漏阻抗越小，其阻尼作用就越强，反转磁场就越被削弱。另外，阻尼绕组使发电机的负序电抗变小，使得不对称运行引起的电压不对称程度减小，从而进一步改善不对称运行带来的不良影响。