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交流發電機的三相電、繼電保護和功率因數原理

 

發電機發出的通常為交流電，廣泛應用于各種發電廠和備用電源。交流電是指電流方向隨時間作周期性變化的電流，在一個周期內的平均電流為零，不同于直流電它的方向是會隨著時間發生改變的，而直流電沒有周期性變化，通常交流電（簡稱AC）波形為正弦曲線，交流電可以有效傳輸電力，但實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，一種是由輸電線的觀點，另一種則是由電源或負載的觀點。

1、三相電的輸電線為三條相線，線上流過的電流稱為線電流，而二條相線之間的電壓則為線電壓。

2、若考慮三相電源或負載，流過任何一相電源或負載的電流稱為相電流，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關系，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：

（1）星形接法的三相電，線電壓是相電壓的根號3倍，而線電流等于相電流。

（2）三角形接法的三相電，線電壓等于相電壓，而線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、為保證發電機的穩定運行，發電機至少需要三個繞組，理論上發電的相數可以更高，但三相最經濟，因此世界各國普遍使用三相發電、供電。

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

6、三相發電機在并網發電時或用三相電驅動三相交流電動機時，必須考慮相序的問題，否則會引起重大事故，為了防止接線錯誤，低壓配電線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 以上發電機的定子繞組及其引出線的相間短路，應裝設縱差保護裝置。

（2） 對直接連于母線的發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，應裝設有選擇性的接地保護裝置。

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

（4） 對于發電機外部短路引起的過電流，可采用下列保護方式：

● 負序過電流及單元件低電壓啟動的過電流保護；

● 對于由不對稱負荷或外部不對稱短路所引起的負序過電流，裝設負序過電流保護；

● 直接反應發電機失磁時電氣參數變化的專用失磁保護；對于轉子回路的過負荷，裝設轉子過負荷保護；

● 對于300MW 及以上的發電機，裝設過勵磁保護。

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還是發生了故障，是保護區內故障還是區外故障的功能保護裝置要實現這一功能，需要根據電力系統發生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎來構成的。而電力系統發生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：

（1）電流增大

      短路時故障點與電源之間的電氣設備和輸電線路上的電流將由負荷電流大至大大超過負荷電流。

（2）電壓降低

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

（3）電流與電壓之間的相位角改變

      正常運行時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，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°-85°，而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180°+（60°-85°）。

（4）測量阻抗發生變化

      測量阻抗即測量點電壓與電流之比值，正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗，金屬性短路時，測量阻抗轉變為線路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，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。

      其可動部分由兩個互相垂直的動圈組成。動圈1與電阻器R串聯后接以電源電壓 U，并和通以負載電流I的固定線圈（靜圈）組合，相當于一個功率表，從而使可動部分受 到一個與功率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。 動圈2與電感器L（或電容器C）串聯后接以電 源電壓U，并與靜圈組合，相當于無功功率表，從而使可動部分受到一個與無功功率 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，電表可動部分在M2的作用下，指針逆時針 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，電表可動部分在M2的作用下，指針順時針轉到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。

      電動系單相功率因數表可用來測量單相電路的功率因數，也可用來測量中點可接的對稱三相電路的功率因數，這時電表的電壓端應接相電壓。對中點不可接的對稱三相電路，可采用三相功率因數表來測量。

 

圖3  發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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