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交流发电机的三相电、继电保护和功率因数原理 |
发电机发出的通常为交流电，广泛应用于各种发电厂和备用电源。交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流，在一个周期内的平均电流为零，不同于直流电它的方向是会随着时间发生改变的，而直流电没有周期性变化，通常交流电（简称AC）波形为正弦曲线，交流电可以有效传输电力，但实际上还有应用其他的波形，例如三角形波、正方形波，生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。
一、发电机三相电原理
三相电的系统的的方式描述电压及电流，一种是由输电线的观点，另一种则是由电源或负载的观点。
1、三相电的输电线为三条相线，线上流过的电流称为线电流，而二条相线之间的电压则为线电压。
2、若考虑三相电源或负载，流过任何一相电源或负载的电流称为相电流，任一相电源或负载二端的电压则为相电压（三相电压波形如图1所示）。
3、二种电压及电流的数学关系，则依其使用三角形或星形接法而有所不同，若三相的电源或负载平衡时：
（1）星形接法的三相电，线电压是相电压的根号3倍，而线电流等于相电流。
（2）三角形接法的三相电，线电压等于相电压，而线电流等于相电流的根号3倍。
（3）三相电压与单相电压相同：电流都是从电压高的一端，流向电压低的那一端。
（4）三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统。
4、为保证发电机的稳定运行，发电机至少需要三个绕组，理论上发电的相数可以更高，但三相最经济，因此世界各国普遍使用三相发电、供电。
5、相交流电依次达到正最大值（或相应零值）的顺序称为相序，顺时针按A-B-C的次序循环的相序称为顺序或正序，按A-C-B的次序循环的相序称为逆序或负序，相序是由发电机转子的旋转方向决定的，通常都采用顺序。
6、三相发电机在并网发电时或用三相电驱动三相交流电动机时，必须考虑相序的问题，否则会引起重大事故，为了防止接线错误，低压配电线路中规定用颜色区分各相，黄色表示A相，绿色表示B相，红色表示C相，三相电颜色表征如图2所示。
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图1 三相发电机电压波形 |
图2 三相电颜色表征图 |
二、继电保护装置的原理
1、继电保护装置要求
（1） 对1MW 以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护装置。
（2） 对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流大于规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。
（3） 对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形连接、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；对200MW 及以上的发电机，有条件时可装设双重化横差保护。
（4） 对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：
● 负序过电流及单元件低电压启动的过电流保护；
● 对于由不对称负荷或外部不对称短路所引起的负序过电流，装设负序过电流保护；
● 直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护；对于转子回路的过负荷，装设转子过负荷保护；
● 对于300MW 及以上的发电机，装设过励磁保护。
2、故障特征
继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成的。而电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：
（1）电流增大
短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流大至大大超过负荷电流。
（2）电压降低
当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。
（3）电流与电压之间的相位角改变
正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°-85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+（60°-85°）。
（4）测量阻抗发生变化
测量阻抗即测量点电压与电流之比值，正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗，金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。
三、功率因数的工作原理
在交流电路中，电压与电流之间的相位差（如图3所示）的余弦叫做功率因数，用符号 cosφ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即：cosφ＝P/S。
功率因数表是单相交流电路或电压对称负载平衡的三相交流电路中测量功率因数的仪表。采用电动系电表测量机构的单相功率因数表原理如图4所示。
其可动部分由两个互相垂直的动圈组成。动圈1与电阻器R串联后接以电源电压 U，并和通以负载电流I的固定线圈（静圈）组合，相当于一个功率表，从而使可动部分受 到一个与功率UIcosφ和偏转角正弦sinα的乘积成正比的力矩M1，M1＝K1UIcosφ· sinα。 K1为系数，cosφ为负载功率因数。 动圈2与电感器L（或电容器C）串联后接以电 源电压U，并与静圈组合，相当于无功功率表，从而使可动部分受到一个与无功功率 UIcosφ和偏转角余弦cosα的乘积成正比的力矩M2，M2＝K2UIsinφ · cosα，K2为系数。
对纯电阻负载，φ＝0°，M2＝0，电表可动部分在M1的作用下，指针转到φ＝0°即cosφ =1的标度处。 对纯电容负载，φ＝90°，M1＝0，电表可动部分在M2的作用下，指针逆时针 转到φ＝90°即cosφ＝0（容性）的标度处。 对纯电感负载，由于静圈电流I及力矩M2改变 了方向，电表可动部分在M2的作用下，指针顺时针转到φ＝90°即cosφ＝0（感性）的标度 处。 对一般负载，在力矩M1和M2的作用下，指针转到相应的cosφ值的标度处。
电动系单相功率因数表可用来测量单相电路的功率因数，也可用来测量中点可接的对称三相电路的功率因数，这时电表的电压端应接相电压。对中点不可接的对称三相电路，可采用三相功率因数表来测量。
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图3 发电机电流与电压相位差 |
图4 单相功率因数表原理图 |
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