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交流發(fā)電機(jī)的三相電、繼電保護(hù)和功率因數(shù)原理

 

發(fā)電機(jī)發(fā)出的通常為交流電，廣泛應(yīng)用于各種發(fā)電廠和備用電源。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(nèi)的平均電流為零，不同于直流電它的方向是會(huì)隨著時(shí)間發(fā)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(shí)際上還有應(yīng)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(jī)三相電原理

 

      三相電的系統(tǒng)的的方式描述電壓及電流，一種是由輸電線的觀點(diǎn)，另一種則是由電源或負(fù)載的觀點(diǎn)。

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(fù)載，流過任何一相電源或負(fù)載的電流稱為相電流，任一相電源或負(fù)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(shù)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(fù)載平衡時(shí)：

（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(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(tǒng)。

4、為保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)至少需要三個(gè)繞組，理論上發(fā)電的相數(shù)可以更高，但三相最經(jīng)濟(jì)，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(dá)到正最大值（或相應(yīng)零值）的順序稱為相序，順時(shí)針按A-B-C的次序循環(huán)的相序稱為順序或正序，按A-C-B的次序循環(huán)的相序稱為逆序或負(fù)序，相序是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向決定的，通常都采用順序。

6、三相發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)或用三相電驅(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須考慮相序的問題，否則會(huì)引起重大事故，為了防止接線錯(cuò)誤，低壓配電線路中規(guī)定用顏色區(qū)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(jī)電壓波形

圖2  三相電顏色表征圖

 

 

二、繼電保護(hù)裝置的原理

 

1、繼電保護(hù)裝置要求

（1） 對1MW 以上發(fā)電機(jī)的定子繞組及其引出線的相間短路，應(yīng)裝設(shè)縱差保護(hù)裝置。

（2） 對直接連于母線的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障，當(dāng)單相接地故障電流大于規(guī)定的允許值時(shí)，應(yīng)裝設(shè)有選擇性的接地保護(hù)裝置。

（3） 對于發(fā)電機(jī)定子繞組的匝間短路，當(dāng)定子繞組星形連接、每相有并聯(lián)分支且中性點(diǎn)側(cè)有分支引出端時(shí)，應(yīng)裝設(shè)橫差保護(hù)；對200MW 及以上的發(fā)電機(jī)，有條件時(shí)可裝設(shè)雙重化橫差保護(hù)。

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

● 負(fù)序過電流及單元件低電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)；

● 對于由不對稱負(fù)荷或外部不對稱短路所引起的負(fù)序過電流，裝設(shè)負(fù)序過電流保護(hù)；

● 直接反應(yīng)發(fā)電機(jī)失磁時(shí)電氣參數(shù)變化的專用失磁保護(hù)；對于轉(zhuǎn)子回路的過負(fù)荷，裝設(shè)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)；

● 對于300MW 及以上的發(fā)電機(jī)，裝設(shè)過勵(lì)磁保護(hù)。

2、故障特征

      繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成的。而電力系統(tǒng)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(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流大至大大超過負(fù)荷電流。

（2）電壓降低

      當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)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(yùn)行時(shí)電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)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路的阻抗角決定的，一般為60°-85°，而在保護(hù)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(yùn)行時(shí)，測量阻抗為負(fù)荷阻抗，金屬性短路時(shí)，測量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€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(shù)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(shù)，用符號 cosφ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即：cosφ＝P/S。

      功率因數(shù)表是單相交流電路或電壓對稱負(fù)載平衡的三相交流電路中測量功率因數(shù)的儀表。采用電動(dòng)系電表測量機(jī)構(gòu)的單相功率因數(shù)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(fù)載電流I的固定線圈（靜圈）組合，相當(dāng)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(zhuǎn)角正弦sinα的乘積成正比的力矩M1，M1＝K1UIcosφ· sinα。 K1為系數(shù)，cosφ為負(fù)載功率因數(shù)。 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(dāng)于無功功率表，從而使可動(dòng)部分受到一個(gè)與無功功率 UIcosφ和偏轉(zhuǎn)角余弦cosα的乘積成正比的力矩M2，M2＝K2UIsinφ · cosα，K2為系數(shù)。

      對純電阻負(fù)載，φ＝0°，M2＝0，電表可動(dòng)部分在M1的作用下，指針轉(zhuǎn)到φ＝0°即cosφ =1的標(biāo)度處。 對純電容負(fù)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(zhuǎn)到φ＝90°即cosφ＝0（容性）的標(biāo)度處。 對純電感負(fù)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(zhuǎn)到φ＝90°即cosφ＝0（感性）的標(biāo)度 處。 對一般負(fù)載，在力矩M1和M2的作用下，指針轉(zhuǎn)到相應(yīng)的cosφ值的標(biāo)度處。

      電動(dòng)系單相功率因數(shù)表可用來測量單相電路的功率因數(shù)，也可用來測量中點(diǎn)可接的對稱三相電路的功率因數(shù)，這時(shí)電表的電壓端應(yīng)接相電壓。對中點(diǎn)不可接的對稱三相電路，可采用三相功率因數(shù)表來測量。

 

圖3  發(fā)電機(jī)電流與電壓相位差

圖4  單相功率因數(shù)表原理圖

 

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