专题三十二 同步发电机的并联运行（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十二 同步发电机的并联运行（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测 一、考纲解读 1.同步发电机并联运行条件是核心考点，需掌握电压、频率、波形、相序、相位的匹配要求，其中电压、频率、相位为投入时需重点调控的条件。 2.需理解电压或频率不等时的危害：电压不等产生环流，频率不等出现拍振电压，均影响机组安全，需能分析具体后果。 3.准整步法是重点，需掌握灯光熄灭法和旋转法的操作、判断及注意事项，理解其无冲击但操作复杂的特点。 4.自整步法的步骤（短接励磁、近同步转速合闸、加励磁）及应用场景（事故状态）是考点，需明确其操作简单但有冲击的特性。 二、知识点梳理 在现代大型发电厂中，一般都采用多台发电机并联运行。这样一方面可以根据负载的变化来调整投入运行的机组数目，提高机组的运行效率；另一方面便于轮流检修，提高供电的可靠性。 在大范围电力系统中，又把许多水电站和火电站并联起来，在枯水期由火电站供电，在旺水期由水电站供电。因水电站发电成本低，这对国民经济有重大意义。在水电站可多发电的同时，火电站可少发电或作同步补偿机用。这样许多电厂连在一起，形成较大的电网，负载的变化对电压和频率的影响就减小了，从而提高了供电的质量。 一、投入并联运行的条件 同步发电机并联投入电网时，为了避免发生电流冲击和转轴突然受到扭矩，应使发电机每相电动势瞬时值一开始就保持相等。同步发电机并联运行的条件如下： (1)发电机的端电压与电网的电压相等。 (2)发电机的频率与电网的频率相等。 (3)发电机的电压波形与电网电压波形相同。 (4)发电机的相序和电网的相序相同。 (5)并联合闸的瞬间，发电机与电网的对应相的电压应同相位，亦即发电机与电网回路的电 位差(电压)为零。 事实上，当同步发电机安装完毕后，有的并联条件就已经具备。条件(3)和(4)可认为由设计、制造和安装同步发电机时就自动满足了。于是在投入并联运行时只要注意条件(1)、(2)、(5)就可以了。 如果(1)、(2)、(5)条件不满足会出现什么结果呢? 1.电压不等时的并联运行 若频率相同而电压不等，情况会怎样呢?例如，发电机电压大于电网电压,如图6-28所示，电网用一个等效发电机A表示，B表示即将投入并联的发电机，开关的两端接电压表，则开关断开时，开关两端出现电位差,故在投入并联后，发电机和电网之间将出现环流Ip,则式中，X表示发电机电抗，在电机电压和电网电压的大小不等或相位差较大时甚至反相情况下△U就越大，这时产生的冲击环流可达到额定电流的4～6倍，这对电机是非常不利的。 电位差△U的大小与相位差β角有密切关系，β值愈大，△U也愈大。当β=180°时，△U达到最大，为相电压的2倍。如果此时合闸并网，其冲击电流很大，有可能使发电机受到严重损坏。当β=0时，△U便为零，这是合闸并网的最佳时刻。 2.频率不等时的并联运行 若电压相等而频率不同时，这两个电压合成后将在发电机和电网间出现一个大小和相位均不断随时间变化的电位差△U,这个电位差称为拍振电压，会导致发电机不能正常工作。 频率不等时的并联运行，具体分析如下：当发电机的频率f₂与电网频率f₁不相等，假设f₂>f₁,而电压值已相等，即U₂=U₁,此时U₂与U₁的电位差△U为 由式和图6-29可知，△U瞬时值的幅值以)频率(称为拍频)在0~2√2U₁之间往复变化，而其本身是·频率的交流电势。例如，当f₂=52 Hz,而f₁=50 Hz时，△U的频率为,其幅值以1 Hz的拍频频率变化。由于一个是发电机，一个是电网，虽然电压相等，但因有相位差，故有△U,此时在电机和电网回路内产生环流。 综上所述，并联合闸最理想的情况是电压相等、频率相同、相位相同。但在实际工作中，同步发电机要绝对满足并网运行的条件是困难的，所以只要求发电机与电网的频率相差不超过0.2%～0.5%;电压有效值相差不超过5%～10%;相序相同且相位差不超过10°,即可并联入网。 二、并联投入的方法 并联投入所进行的操作过程称为整步(并车),实际整步方法有两种，一种是准整步法，另一种是自整步法。 1.准整步法 把发电机调整到完全合乎投入并联条件后投入电网，这种方法称为准整步法。为判断是否满足投入条件，常采用同步指示器，最简单的同步指示器是由三组指示灯(称相灯)组成。 (1)灯光熄灭法将这三组指示灯接在电网和发电机并联开关的两侧，如图6-30(a)所示。 要使并联合闸时没有冲击电流，在并联开关两侧就不能有电压差△U,如果这些灯都熄灭了，就表示三相中任一相的电压差△U均为0。此时就可以并联合闸，这种并联合闸的方法称为灯光熄灭法。 运用灯光熄灭法并联合闸的具体操作方法是：把要并联的发电机拖动到接近同步转速，加上励磁并调节到发电机的电压与电网电压相等。如果这时相序正确，则在发电机的频率与电网频率有差别时，加在各相指示灯上的电压△U忽大忽小，使三组指示灯同时忽亮忽暗，其亮、暗变化的频率就是发电机与电网相差的频率。调节发电机的转速使灯光亮、暗频率很低时，就可以准备合闸。当闸刀两侧电位差为0、电压表指示数为0、三组指示灯全暗时，说明发电机与电网的相应电压相等并且同相位，并联运行条件已经满足，抓住这个时机迅速合闸，从而顺利完成并联合闸的操作。 如果在整步过程中，三组灯轮流亮暗，表示发电机的相序与电网相序不同，此时绝对不能合闸投入，而应改变发电机的相序，然后重新整步。 (2)灯光旋转法如果相序是正确的，把两个灯接在不同的相序电压之间，如图6-30(b)所示，一组灯接在VW之间，一组灯接在WV之间，此时在相序相同时，出现旋转的灯光，这时可以合闸投入。这样合闸法称为灯光旋转法。 灯光熄灭法和灯光旋转法实际中都有采用，但由于灯光旋转法能判断发电机频率比电网频率高或低，所以更有实用价值。具体操作方法与灯光熄灭法相同。只是灯光依次亮、半亮，好像灯光按次序旋转。如果发电机对应的频率f₂比电网频率高1 Hz,则灯光每秒转一圈。如果发电机的频率低于电网频率，则灯光将按相反方向旋转。根据灯光的旋转方向，适当调节发电机的转速，使灯光旋转速度变得很低，此时，要掌握时机，在同一相上跨接的一组灯熄灭而另外两组灯亮度相同时刻迅速合闸，即可完成并联运行的合闸操作。 采用上述灯光法并网时，有一个问题需要解决，就是白炽灯一般约在1/6额定电压时就不亮了。为了使合闸的瞬间更准确，在刀闸对应的两端之间接一个示零电压表作为发电机并网用的辅助仪表。也可以用“同步指示器”(一种专门用来并车的仪器)来准确找出合闸瞬间。此外，在并网过程中，各组灯泡上的电压可能出现2倍相电压，所以发电机相电压为220 V时，每组灯泡应当采用两个220 V灯泡串联使用。如果发电机和电网电压较高时，就要采用电压互感器降压后再接到同步指示灯或仪表。这时发电机和电网的两个三相电压互感器必须具有相同的连接组。 这里值得注意的是，如果发电机的相序与电网相序不同，用灯光熄灭法连接时，三组灯若依次轮流亮暗(灯光旋转);用灯光旋转法连接时，三组灯若同时亮暗(灯光熄灭),这时是绝对不能并联合闸的。 准整步的优点是投入瞬间发电机和电网之间无电流冲击，缺点是手续复杂。尤其电网电压和频率在变化时，用此法很难投入。 这种灯光指示整步法在现代的电厂中几乎淘汰，而代之以各种半自动或全自动并车装置，但它们的基本功能是一致的。后者只是根据整步的要求，应用一些电器和电子线路改为半自动和全自动操作而已。 2.自整步法 为了迅速投入电网，可采用自整步投入法。这种方法是借助合闸后电机的自整步作用投入同步运行。其步骤是：先将励磁绕组经电阻短接后，把发电机拖到近于同步转速时，再把发电机投入电网，并立即加直流励磁，如图6-31所示。此时，电机转子依靠定子和转子主磁极间形成的自整步作用把转子自动投入同步。 自整步投入法的优点是操作简单、并车迅速。缺点是合闸和加入励磁时有电流冲击，但并不太危险。如果大容量机组因故障突然退出运行，要求另一台机组投入电网代替它时，由于这时电网的电压和频率极不稳定，要用准整步法投入很困难，用自整步法还是可行的。电压、相位不十分相同的两台发电机投入并联运行后，能自动调整相位进入正常运行的过程称为自整步。所以它普遍用于事故状态下的并车。 三、真题练讲 1.（2022年河南省统一考试）同步发电机并联运行时，下列条件中由设计制造决定的是（ ） A.电压相等 B.频率相同 C.相序相同 D.相位相同 答案：C 解析：文档指出，电压波形和相序由同步发电机的设计、制造和安装决定，投入并联时无需额外调整，而电压、频率、相位需在投入时调控，故答案为C。 2.（2023年河南省统一考试）当同步发电机与电网频率相同但电压不等时，并联后会产生（ ） A.拍振电压 B.环流 C.相位突变 D.频率波动 答案：B 解析：频率相同但电压不等时，发电机与电网间存在电位差△U，会导致环流产生，而拍振电压是频率不等时的现象，故答案为B。 3.（2024年河南省统一考试）准整步法中，灯光旋转法相比灯光熄灭法的优势是（ ） A.合闸无冲击 B.可判断频率高低 C.操作更简单 D.无需同步指示器 答案：B 解析：灯光旋转法能通过灯光旋转方向判断发电机频率与电网频率的高低，而灯光熄灭法无法做到，两者合闸均无冲击，操作复杂度相近，均可能需辅助仪表，故答案为B。 4.（2021年江苏省统一考试）同步发电机并联时，频率不等会导致电位差△U的（ ） A.大小不变 B.相位固定 C.幅值随拍频变化 D.频率等于电网频率 答案：C 解析：频率不等时，△U的幅值以拍频（两频率差值）在0~2√2U₁间变化，本身为两频率平均值的交流电势，故答案为C。 5.（2025年广东省统一考试）自整步法中，发电机投入电网前需进行的操作是（ ） A.调节励磁使电压相等 B.将励磁绕组经电阻短接 C.确保相位完全一致 D.调整频率至完全相同 答案：B 解析：自整步法步骤为：励磁绕组经电阻短接→拖至近同步转速→投入电网→加直流励磁，无需严格调整电压、频率、相位，故答案为B。 四、限时练讲 1.同步发电机并联运行时，要求相序相同，这是因为相序不同会导致（ ） A.电压波动 B.严重环流 C.频率突变 D.波形畸变 答案：B 解析：相序不同时，合闸瞬间对应相电压相位差极大，△U可达2倍相电压，会产生巨大环流，严重损坏电机，故答案为B。 2.同步发电机并联合闸的最佳时刻是（ ） A.电压差最大时 B.相位差β=180°时 C.相位差β=0°时 D.频率差最大时 答案：C 解析：相位差β=0°时，电位差△U为零，合闸时无冲击电流，是最佳时刻；β=180°时△U最大，冲击最大，故答案为C。 3.当发电机频率f₂=51Hz，电网频率f₁=49Hz时，拍振电压的拍频为（ ） A.1Hz B.2Hz C.50Hz D.100Hz 答案：B 解析：拍频为两频率差值，即f₂-f₁=51-49=2Hz，故答案为B。 4.准整步法的主要缺点是（ ） A.合闸有冲击 B.操作复杂 C.仅适用于小容量机组 D.需频繁调整相序 答案：B 解析：准整步法需严格调整电压、频率、相位，操作手续复杂，尤其电网参数变化时难以投入，其合闸无冲击，适用于各类机组，相序无需频繁调整，故答案为B。 5.自整步法适用于（ ） A.电网参数稳定时 B.机组正常启动 C.事故状态下紧急并车 D.要求无冲击合闸时 答案：C 解析：自整步操作简单、并车迅速，虽有电流冲击，但在电网电压和频率不稳定的事故状态下，比准整步法更可行，故答案为C。 6.同步发电机并联时，电压有效值允许的最大偏差为（ ） A.0.2%~0.5% B.5%~10% C.10%~15% D.15%~20% 答案：B 解析：实际中，电压有效值相差不超过5%~10%即可并联，频率偏差不超过0.2%~0.5%，故答案为B。 7.灯光熄灭法中，三组指示灯同时熄灭表明（ ） A.相序错误 B.频率差为零 C.电压差为零且同相位 D.拍振电压最大 答案：C 解析：灯光熄灭法中，指示灯接在开关两侧，同时熄灭说明三相电压差均为零且同相位，满足并联条件，故答案为C。 8.同步发电机与电网并联后，自整步作用是指（ ） A.自动调整频率至相同 B.自动消除电压差 C.电压、相位不同时自动调整进入同步 D.自动改变相序适应电网 答案：C 解析：自整步是指电压、相位不十分相同时，并联后依靠定子和转子主磁极间的作用，自动调整相位进入正常同步运行的过程，故答案为C。 9.简述同步发电机并联运行的五个条件。 答案：同步发电机并联运行的五个条件为：①发电机端电压与电网电压相等；②发电机频率与电网频率相等；③电压波形相同；④相序相同；⑤并联合闸瞬间，对应相电压同相位（回路电位差为零）。 10.对比准整步法与自整步法的优缺点。 答案：准整步法优点是合闸无电流冲击，缺点是操作复杂，电网参数变化时难投入；自整步法优点是操作简单、并车迅速，缺点是合闸和加励磁时有电流冲击，适用于事故状态。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.重点掌握并联运行核心条件：牢记电压、频率、波形、相序、相位五个条件，明确相序和波形由制造决定，电压、频率、相位需投入时调控，及实际允许偏差范围。 2.理解不满足条件的后果：电压不等产生环流，频率不等出现拍振电压，相位差大冲击大，结合公式和实例加深对危害的认识。 3.对比两种整步法：准整步法的灯光熄灭法和旋转法操作细节、判断方式，自整步法的步骤和适用场景，通过对比表格强化记忆。 4.联系实际应用：结合电厂运行场景，理解多机组并联的意义，及事故状态下自整步法的必要性，提升知识应用能力。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$