新聞主題	交流發(fā)電機的同步電抗測量

 

摘要：同步發(fā)電機在穩定同步轉速運行時(shí)，正序電流產(chǎn)生的電樞反應磁通與定子繞組漏磁通所確定的定位繞組的電抗，稱(chēng)為同步電抗。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)也就是發(fā)電機在q軸方向上的電抗值，它由電感和電容組成。其中，測量同步電抗的方法有空載和短路特性曲線(xiàn)法；用反向勵磁法求取同步電抗法；用低電壓低轉差法測量縱、橫軸同步電抗法。其試驗目的是為求出發(fā)電機的主要電抗值，包括直軸與交軸同步電抗、直軸與交軸瞬態(tài)電抗、直軸與交軸次瞬態(tài)電抗、負序電抗、零序電抗、定子漏電抗等數據。由于q軸同步電抗對發(fā)電機的穩定性和運行性能有重要影響，可以通過(guò)增加線(xiàn)圈匝數和優(yōu)化絕緣介質(zhì)來(lái)提高，因此，發(fā)電機的q軸同步電抗值的測量對于發(fā)電機的設計和運行具有重要意義。

 

一、電抗基本概念

 

      發(fā)電機q軸同步電抗是指發(fā)電機在運行過(guò)程中，q軸方向上的電抗值。在電力系統中，發(fā)電機是一種將機械能轉化為電能的設備。它通過(guò)旋轉磁場(chǎng)的方式產(chǎn)生電能，其中q軸是指與旋轉磁場(chǎng)垂直的軸線(xiàn)。發(fā)電機的q軸同步電抗是發(fā)電機在q軸方向上的電抗值。電抗是指電路中對交流電流產(chǎn)生阻礙作用的元件，它由電感和電容兩部分組成。

1、電抗構成

      在發(fā)電機中，q軸同步電抗主要由電感和電容組成。

（1）電感

電感是一種儲存電能的元件，它通過(guò)電流在線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而儲存電能。在發(fā)電機中，電感主要由發(fā)電機的定子線(xiàn)圈和轉子線(xiàn)圈組成。定子線(xiàn)圈是固定不動(dòng)的線(xiàn)圈，而轉子線(xiàn)圈則隨著(zhù)轉子的旋轉而旋轉。這兩個(gè)線(xiàn)圈之間的相對運動(dòng)產(chǎn)生了電感。

（2）電容

電容是一種儲存電能的元件，它由兩個(gè)導體之間的絕緣介質(zhì)隔開(kāi)。在發(fā)電機中，電容主要由定子和轉子之間的絕緣介質(zhì)組成。當電壓施加在電容上時(shí)，正負電荷會(huì )在導體上積累，從而儲存電能。

      發(fā)電機的q軸同步電抗對電力系統的穩定性和運行性能有重要影響。較大的q軸同步電抗可以提高發(fā)電機的穩定性，減小電力系統的振蕩。同時(shí)，q軸同步電抗還可以影響發(fā)電機的響應速度和功率因數。為了提高發(fā)電機的q軸同步電抗，可以采取一些措施。例如，可以增加發(fā)電機的定子線(xiàn)圈和轉子線(xiàn)圈的匝數，從而增加電感的值。此外，還可以?xún)?yōu)化絕緣介質(zhì)的選擇和設計，以增加電容的值。

2、各電抗間的關(guān)系

      同步發(fā)電機的各種電抗間關(guān)系通常包括：

（1） 電機電抗：指同步發(fā)電機轉子電感和轉子電容構成的電機電抗，它的值取決于轉子結構和工作頻率。

（2）定子電抗：指同步發(fā)電機定子線(xiàn)圈電感和定子線(xiàn)圈電容構成的電抗，它的值取決于線(xiàn)圈結構、磁導率和工作頻率。

（3） 均壓線(xiàn)圈電抗：同步發(fā)電機還可以增加均壓線(xiàn)圈來(lái)平衡電壓，這些線(xiàn)圈產(chǎn)生的電感和電容也構成了一定的電抗。

（4）同軸電抗：由于同步發(fā)電機的內部結構，同軸電抗也會(huì )存在且對電機的性能有一定影響。

 

 二、同步電抗的計算公式

 

      同步電抗是同步發(fā)電機的重要參數。以同步旋轉的發(fā)電機定子繞組的穩態(tài)磁鏈所決定的電抗叫做同步電抗（X_d和X_q）。其中縱軸同步電抗X_d是相當于由定子電流所建立的磁場(chǎng)和發(fā)電機磁極軸線(xiàn)相重合的電抗（見(jiàn)圖1），橫軸同步電抗X_q是相當于定子電流所建立的磁場(chǎng)垂直磁極軸線(xiàn)時(shí)的電抗（見(jiàn)圖1b）。

      定子繞組的全部磁鏈是由漏磁鏈和電樞反應磁鏈所組成，因此可以認為同步電抗等于定子漏電抗和電樞反應電抗之和。

      定子漏電抗和轉子位置無(wú)關(guān)，對縱、橫軸向來(lái)說(shuō)，漏電抗是相等的，因此

 X_d＝X_ad十X_s....................................（16—3)

X_q=X_aq十X_s.................................... （16—4)

式中  X_ad——定子繞組縱軸電樞反應電抗，Ω；

      X_aq——定子繞組橫軸電樞反應電抗，Ω；

      X_s——定子繞組漏電抗，Ω。

    凸極發(fā)電機的X_ad＞X_aq，因而X_d＞X_q，隱極發(fā)電機X_ad=X_aq，因而X_d=X_q。

    同步電抗的數值受發(fā)電機主磁通飽和的影響較大，通?？烧J為漏電抗是恒定不變的，飽和引起同步電抗的變化主要是對電摳反應電抗的影響。對凸極發(fā)電機，由于在縱軸方向上磁通主要沿著(zhù)由鐵磁材料構成的磁路而閉合，而橫軸磁通的很大一部分是通過(guò)空氣隙而閉合，所以飽和對縱軸同步電抗的影響較大，而對橫軸同步電抗的影響較小。 發(fā)電機電樞磁場(chǎng)的直軸分量和交軸分量如圖2所示。

    對隱極發(fā)電機縱軸和橫軸同步電抗的影響程度是相同的。

 

圖1 發(fā)電機同步電抗磁通分布圖

圖2  發(fā)電機電樞磁場(chǎng)的直軸分量和交軸分量

 

二、同步電抗的測量方法

 

1、空載、短路特性試驗

（1）測量方法

      在測取空載特性時(shí)，由于磁路的飽和現象，當勵磁電流增大時(shí)，空載特性曲線(xiàn)將向下彎曲。在測取短路特性時(shí)，磁路始終處于不飽和狀態(tài)，因此圖3中空載曲線(xiàn)和短路曲線(xiàn)所對應的飽和狀態(tài)不同。為了求得同步電抗的不飽和值，可將空載特性的直線(xiàn)部分延長(cháng)，如圖2中的空載特性曲線(xiàn)直線(xiàn)部分的延長(cháng)。同步電抗便是在有固定勵磁電流時(shí)，空載特性曲線(xiàn)直線(xiàn)部分的延長(cháng)與短路特性曲線(xiàn)的坐標之比，即

X_d = U₀ /Ⅰ_N

      這樣測得的同步電抗稱(chēng)為不飽和同步電抗。不論在橫坐標上選取哪一點(diǎn)進(jìn)行計算，所求得的不飽和同步電抗均為恒值。

      X_d的標么值為

式中  Ⅰ_EK——短路試驗時(shí)使短路電流為額定值的勵磁電流…

      Ⅰ_E0——對應定子額定電壓從空載特性曲線(xiàn)直線(xiàn)部分延長(cháng)線(xiàn)上確定的勵磁電流；

      U_N、Ⅰ_N——定子額定電壓、定子額定電流。

    同步電抗與短路比有一定的關(guān)系。短路比是在空載時(shí)使空載電勢為額定值時(shí)的勵磁電流與短路時(shí)使短路電流為額定值時(shí)的勵磁電流之比，用K代表。當磁路不飽和時(shí)

K =Ⅰ_E0 /Ⅰ_EK =Ⅰ/ X_d

    短路比是同步發(fā)電機的一個(gè)重要參數。

（2）注意事項

      受剩磁影響的空載特性曲線(xiàn)應進(jìn)行校正。

      發(fā)電機空載運行時(shí)，由于轉子磁極的剩磁，在定子繞組上感應的電壓稱(chēng)為殘壓。若此電壓較高時(shí)，會(huì )使空載特性曲線(xiàn)不通過(guò)坐標的原點(diǎn)，而與縱坐標相交。此時(shí)，應將空載特性曲線(xiàn)進(jìn)行校正，如圖4所示。將空載特性曲線(xiàn)1的直線(xiàn)部分延長(cháng)交橫坐標于K點(diǎn)，K_O的絕對值即為校正量ΔⅠ_E，將曲線(xiàn)1沿橫軸方向水平右移ΔⅠ_E，即在所有試驗測得的勵磁電流數值上加上ΔⅠ_E，就得到通過(guò)坐標原點(diǎn)O的校正曲線(xiàn)2（實(shí)際作圖時(shí)可將縱坐標往左移ΔⅠ_E即可）。

 

圖3  發(fā)電機空載和短路特性曲線(xiàn)圖

圖4  發(fā)電機空載特性校正

 

2、小轉差法

（1）試驗方法

    小轉差法是勵磁繞組開(kāi)路，轉子以接近同步轉速旋轉（其轉差率小于1％），在定子繞組上施加三相對稱(chēng)交流低壓電源（額定電壓3kV以上的發(fā)電機，一般應接入220～550V的電源）。此時(shí)由于轉子結構不對稱(chēng)，電抗在縱軸，與橫軸之間周期地變化，定子電流的最大與最小值基本上是在定子磁鏈與相應的縱、橫軸向相重合時(shí)出現。當轉子滑差極小時(shí)，認為定子電流是由同步電抗X_d和X_q所決定的。隱極式同步發(fā)電機中，因為X_d≈X_q，所以測量中U_max≈U_min，Ⅰ_max≈Ⅰ_min。凸極式同步發(fā)電機中，因為X_d＞X_q，則在電樞磁勢軸線(xiàn)與磁極軸線(xiàn)重合時(shí)，定子電流最小，而定子電壓最大；在電樞磁勢軸線(xiàn)與磁極軸線(xiàn)垂直時(shí)，定子電流最大，而定子電壓最小。根據這一點(diǎn)，通常用下式求取同步電抗的非飽和值。

X_d = U_max /Ⅰ_min                            

      用小轉差法測量X_d、X_q的試驗接線(xiàn)如圖5所示。

（2）試驗步驟

① 按接線(xiàn)圖將電壓、電流表及光線(xiàn)示波器接入回路中；

② 將勵磁繞組開(kāi)關(guān)Q1短路，將被試發(fā)電機驅動(dòng)到與同步轉速非常接近的轉速，即轉差率在1％左右的轉速下運行；

③ 測定繞組剩磁電壓數值；

④ 合上開(kāi)關(guān)Q2，在定子繞組上通入與轉子旋轉方向相同相序的額定頻率的三相對稱(chēng)低電壓（約2％U_N～15％U_N）；

⑤ 斷開(kāi)轉子繞組的短路開(kāi)關(guān)Q1，合上電壓表開(kāi)關(guān)Q3；

⑥ 待轉速穩定后，啟動(dòng)光線(xiàn)示波器，拍攝轉子繞組電壓u_E為零時(shí)及最大時(shí)的定子繞組電壓u_s和電流值i_s（見(jiàn)圖6）與此同時(shí)，讀下各表的數值。

⑦ 測試完畢后，合上Q1，斷開(kāi)Q2和Q3。

（3）參數X_d、X_q的計算

    當轉子電壓為零和最大時(shí)，由圖5中波形圖上的定子電壓U_max、U_min與定子電流Ⅰ_max、Ⅰ_min，計算出縱、橫軸同步電抗X_d、X_q及其標么值X_d* 、X_q*。

X_d = U_max  / √3Ⅰ_min

X_d = U_max*  / Ⅰ_min*

X_q= U_max  / √3Ⅰ_min 

X_q = U_max*  / Ⅰ_min*

     在所攝錄的波形圖（即圖6）中，如果Ⅰ_min與U_max、Ⅰ_max與U_min在時(shí)間上不相同時(shí)，則上述式中的U_max（U_min）可采用與Ⅰ_min（Ⅰ_max）相對應的電壓值代替。

（4）注意事項

① 試驗時(shí)應將被試發(fā)電，機驅動(dòng)到與同步轉速非常接近的轉速，使轉差率盡量小，以盡可能地減小由于發(fā)電機的瞬變狀態(tài)及儀表慣性對試驗結果的影響。如果用儀表測量更應注意這一點(diǎn)，否則交流儀表的指針追隨不上測量值的變化，使試驗計算的X_d值和X_q值有較大的誤差。

② 在拍攝波形和讀表時(shí)，勵磁繞組應保持開(kāi)路，以免在它的內部感應出對磁通起阻尼作用的電流。但在定子繞組接入電源或從電源斷開(kāi)時(shí)，勵磁繞組應該直接短路或經(jīng)放電電阻短路，以免由于瞬變過(guò)程在勵磁繞組中引起過(guò)電壓，損壞勵磁繞組。

③ 在定子繞組上，外施額定頻率的低電壓，其數值不應過(guò)高，以免將發(fā)電機拖入同步，一般約為2％～5％的額定值，最多不超過(guò)15％額定電壓。

④ 如果有較高的剩磁電壓，應外施較高的電壓，否則試驗結果將有較大的誤差。因為剩磁對各磁極交替產(chǎn)生去磁和助磁的作用，使定子電流最大值和最小值，出現大小不；的兩個(gè)數值，而且兩個(gè)數值均非真值。 為了消除殘壓對測量結果的影響，試驗前應將發(fā)電機的剩磁盡量減小，使殘壓降到最低。常用的方法是用容量足夠的蓄電池E，經(jīng)開(kāi)關(guān)Q4與轉子繞組勵磁電壓的極性相反連接，將Q1、Q2、Q3開(kāi)關(guān)全斷開(kāi)，使發(fā)電機空轉，合上蓄電池的開(kāi)關(guān)Q4，由定子電壓表觀(guān)察定子殘壓，若逐漸降低，則表明E去磁的方向正確。一般將殘壓降至5～8V即可。

⑤ 當定子電流開(kāi)斷時(shí)，或當轉差率瞬時(shí)增大時(shí)，在勵磁繞組兩端可能產(chǎn)生很高的電壓，為此應注意開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)次序，開(kāi)關(guān)Q1僅在外加電源投入，并測量時(shí)方可斷開(kāi)，在Q1斷開(kāi)后才能合上開(kāi)關(guān)Q3以防燒壞電壓表，在斷開(kāi)電源時(shí)，要先合上Q1，斷開(kāi)Q3，然后再斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)Q2。

⑥ 有阻尼的發(fā)電機不應采用轉差法來(lái)測同步電抗。

⑦ 為使試驗結果準確，拍好定標曲線(xiàn)后，所有示波器的接線(xiàn)，可變電阻和振子等均不能隨意變動(dòng)。

 

圖4 發(fā)電機同步電抗試驗接線(xiàn)圖

圖5  發(fā)電機定子電壓電流和轉子電壓的波形圖

 

3、閃光燈法

      試驗前在被試發(fā)電機轉軸和軸承交接處，分別在轉軸和軸承蓋上劃一道白線(xiàn)，將移相器接至被試發(fā)電機定子繞組出線(xiàn)端上電壓互感器二次側，移相器輸出端接一閃光燈。

      試驗時(shí)被試發(fā)電機與電網(wǎng)并列運行。將發(fā)電機負載降至零，用閃光燈照到白線(xiàn)處，調節移相器的移相角度δ0，使轉軸上白線(xiàn)與軸承蓋上白線(xiàn)對齊。然后逐漸增加發(fā)電機負載使其在額定工況運行，此時(shí)再調節移相器，使轉軸上白線(xiàn)與軸承蓋上白線(xiàn)重新對齊。記錄移相器上角度δl，同時(shí)測量定子線(xiàn)電壓U、定子電流I和功率因數角φ，則縱軸同步電抗飽和值可按下式計算

                 X_d=U / √3Ⅰ[（φ+δ_１-δ₀）cosφ - sinφ ]

      上述移相器前后兩次測量角度差（δ₁-δ₀）就是發(fā)電機在額定工況下的功角。

4、試驗方法比較

（1）利用空載、短路特性測定縱軸同步電抗Xd，較為簡(jiǎn)單，且所得結果也較準確。

（2）小轉差法較為簡(jiǎn)單，但在測量過(guò)程中易產(chǎn)生較大誤差。

（3）閃光燈法僅適用于隱極發(fā)電機，在測量過(guò)程中需測量功角δ和功率因數角φ，試驗比較復雜，其測量結果的精度也受δ和φ角測量準確度的影響。

 

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