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交流發(fā)電機的三相電、繼電保護和功率因數原理

 

發(fā)電機發(fā)出的通常為交流電，廣泛應用于各種發(fā)電廠(chǎng)和備用電源。交流電是指電流方向隨時(shí)間作周期性變化的電流，在一個(gè)周期內的平均電流為零，不同于直流電它的方向是會(huì )隨著(zhù)時(shí)間發(fā)生改變的，而直流電沒(méi)有周期性變化，通常交流電（簡(jiǎn)稱(chēng)AC）波形為正弦曲線(xiàn)，交流電可以有效傳輸電力，但實(shí)際上還有應用其他的波形，例如三角形波、正方形波，生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。

 

一、發(fā)電機三相電原理

 

      三相電的系統的的方式描述電壓及電流，一種是由輸電線(xiàn)的觀(guān)點(diǎn)，另一種則是由電源或負載的觀(guān)點(diǎn)。

1、三相電的輸電線(xiàn)為三條相線(xiàn)，線(xiàn)上流過(guò)的電流稱(chēng)為線(xiàn)電流，而二條相線(xiàn)之間的電壓則為線(xiàn)電壓。

2、若考慮三相電源或負載，流過(guò)任何一相電源或負載的電流稱(chēng)為相電流，任一相電源或負載二端的電壓則為相電壓（三相電壓波形如圖1所示）。

3、二種電壓及電流的數學(xué)關(guān)系，則依其使用三角形或星形接法而有所不同，若三相的電源或負載平衡時(shí)：

（1）星形接法的三相電，線(xiàn)電壓是相電壓的根號3倍，而線(xiàn)電流等于相電流。

（2）三角形接法的三相電，線(xiàn)電壓等于相電壓，而線(xiàn)電流等于相電流的根號3倍。

（3）三相電壓與單相電壓相同：電流都是從電壓高的一端，流向電壓低的那一端。

（4）三相交流電是由三個(gè)頻率相同、電勢振幅相等、相位差互差120°角的交流電路組成的電力系統。

4、為保證發(fā)電機的穩定運行，發(fā)電機至少需要三個(gè)繞組，理論上發(fā)電的相數可以更高，但三相最經(jīng)濟，因此世界各國普遍使用三相發(fā)電、供電。

5、相交流電依次達到正最大值（或相應零值）的順序稱(chēng)為相序，順時(shí)針按A-B-C的次序循環(huán)的相序稱(chēng)為順序或正序，按A-C-B的次序循環(huán)的相序稱(chēng)為逆序或負序，相序是由發(fā)電機轉子的旋轉方向決定的，通常都采用順序。

6、三相發(fā)電機在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)或用三相電驅動(dòng)三相交流電動(dòng)機時(shí)，必須考慮相序的問(wèn)題，否則會(huì )引起重大事故，為了防止接線(xiàn)錯誤，低壓配電線(xiàn)路中規定用顏色區分各相，黃色表示A相，綠色表示B相，紅色表示C相，三相電顏色表征如圖2所示。

 

圖1  三相發(fā)電機電壓波形

圖2  三相電顏色表征圖

 

 

二、繼電保護裝置的原理

 

1、繼電保護裝置要求

（1） 對1MW 以上發(fā)電機的定子繞組及其引出線(xiàn)的相間短路，應裝設縱差保護裝置。

（2） 對直接連于母線(xiàn)的發(fā)電機定子繞組單相接地故障，當單相接地故障電流大于規定的允許值時(shí)，應裝設有選擇性的接地保護裝置。

（3） 對于發(fā)電機定子繞組的匝間短路，當定子繞組星形連接、每相有并聯(lián)分支且中性點(diǎn)側有分支引出端時(shí)，應裝設橫差保護；對200MW 及以上的發(fā)電機，有條件時(shí)可裝設雙重化橫差保護。

（4） 對于發(fā)電機外部短路引起的過(guò)電流，可采用下列保護方式：

● 負序過(guò)電流及單元件低電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護；

● 對于由不對稱(chēng)負荷或外部不對稱(chēng)短路所引起的負序過(guò)電流，裝設負序過(guò)電流保護；

● 直接反應發(fā)電機失磁時(shí)電氣參數變化的專(zhuān)用失磁保護；對于轉子回路的過(guò)負荷，裝設轉子過(guò)負荷保護；

● 對于300MW 及以上的發(fā)電機，裝設過(guò)勵磁保護。

2、故障特征

      繼電保護裝置必須具有正確區分被保護元件是處于正常運行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護區內故障還是區外故障的功能保護裝置要實(shí)現這一功能，需要根據電力系統發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎來(lái)構成的。而電力系統發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：

（1）電流增大

      短路時(shí)故障點(diǎn)與電源之間的電氣設備和輸電線(xiàn)路上的電流將由負荷電流大至大大超過(guò)負荷電流。

（2）電壓降低

      當發(fā)生相間短路和接地短路故障時(shí)，系統各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。

（3）電流與電壓之間的相位角改變

      正常運行時(shí)電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20°，三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角是由線(xiàn)路的阻抗角決定的，一般為60°-85°，而在保護反方向三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角則是180°+（60°-85°）。

（4）測量阻抗發(fā)生變化

      測量阻抗即測量點(diǎn)電壓與電流之比值，正常運行時(shí)，測量阻抗為負荷阻抗，金屬性短路時(shí)，測量阻抗轉變?yōu)榫€(xiàn)路阻抗，故障后測量阻抗顯著(zhù)減小，而阻抗角增大。

 

三、功率因數的工作原理

 

      在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（如圖3所示）的余弦叫做功率因數，用符號 cosφ表示，在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值，即：cosφ＝P/S。

      功率因數表是單相交流電路或電壓對稱(chēng)負載平衡的三相交流電路中測量功率因數的儀表。采用電動(dòng)系電表測量機構的單相功率因數表原理如圖4所示。

      其可動(dòng)部分由兩個(gè)互相垂直的動(dòng)圈組成。動(dòng)圈1與電阻器R串聯(lián)后接以電源電壓 U，并和通以負載電流I的固定線(xiàn)圈（靜圈）組合，相當于一個(gè)功率表，從而使可動(dòng)部分受 到一個(gè)與功率UIcosφ和偏轉角正弦sinα的乘積成正比的力矩M1，M1＝K1UIcosφ· sinα。 K1為系數，cosφ為負載功率因數。 動(dòng)圈2與電感器L（或電容器C）串聯(lián)后接以電 源電壓U，并與靜圈組合，相當于無(wú)功功率表，從而使可動(dòng)部分受到一個(gè)與無(wú)功功率 UIcosφ和偏轉角余弦cosα的乘積成正比的力矩M2，M2＝K2UIsinφ · cosα，K2為系數。

      對純電阻負載，φ＝0°，M2＝0，電表可動(dòng)部分在M1的作用下，指針轉到φ＝0°即cosφ =1的標度處。 對純電容負載，φ＝90°，M1＝0，電表可動(dòng)部分在M2的作用下，指針逆時(shí)針 轉到φ＝90°即cosφ＝0（容性）的標度處。 對純電感負載，由于靜圈電流I及力矩M2改變 了方向，電表可動(dòng)部分在M2的作用下，指針順時(shí)針轉到φ＝90°即cosφ＝0（感性）的標度 處。 對一般負載，在力矩M1和M2的作用下，指針轉到相應的cosφ值的標度處。

      電動(dòng)系單相功率因數表可用來(lái)測量單相電路的功率因數，也可用來(lái)測量中點(diǎn)可接的對稱(chēng)三相電路的功率因數，這時(shí)電表的電壓端應接相電壓。對中點(diǎn)不可接的對稱(chēng)三相電路，可采用三相功率因數表來(lái)測量。

 

圖3  發(fā)電機電流與電壓相位差

圖4  單相功率因數表原理圖

 

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