新聞主題	交流發(fā)電機(jī)的同步電抗測量

 

摘要：同步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，正序電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通與定子繞組漏磁通所確定的定位繞組的電抗，稱為同步電抗。簡單來說也就是發(fā)電機(jī)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法；用反向勵磁法求取同步電抗法；用低電壓低轉(zhuǎn)差法測量縱、橫軸同步電抗法。其試驗(yàn)?zāi)康氖菫榍蟪霭l(fā)電機(jī)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(fù)序電抗、零序電抗、定子漏電抗等數(shù)據(jù)。由于q軸同步電抗對發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和運(yùn)行性能有重要影響，可以通過增加線圈匝數(shù)和優(yōu)化絕緣介質(zhì)來提高，因此，發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗值的測量對于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。

 

一、電抗基本概念

 

      發(fā)電機(jī)q軸同步電抗是指發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，q軸方向上的電抗值。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。它通過旋轉(zhuǎn)磁場的方式產(chǎn)生電能，其中q軸是指與旋轉(zhuǎn)磁場垂直的軸線。發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗是發(fā)電機(jī)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(gòu)成

      在發(fā)電機(jī)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，它通過電流在線圈中產(chǎn)生磁場，從而儲存電能。在發(fā)電機(jī)中，電感主要由發(fā)電機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈組成。定子線圈是固定不動的線圈，而轉(zhuǎn)子線圈則隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)線圈之間的相對運(yùn)動產(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(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)隔開。在發(fā)電機(jī)中，電容主要由定子和轉(zhuǎn)子之間的絕緣介質(zhì)組成。當(dāng)電壓施加在電容上時(shí)，正負(fù)電荷會在導(dǎo)體上積累，從而儲存電能。

      發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)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(jī)的穩(wěn)定性，減小電力系統(tǒng)的振蕩。同時(shí)，q軸同步電抗還可以影響發(fā)電機(jī)的響應(yīng)速度和功率因數(shù)。為了提高發(fā)電機(jī)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(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈的匝數(shù)，從而增加電感的值。此外，還可以優(yōu)化絕緣介質(zhì)的選擇和設(shè)計(jì)，以增加電容的值。

2、各電抗間的關(guān)系

      同步發(fā)電機(jī)的各種電抗間關(guān)系通常包括：

（1） 電機(jī)電抗：指同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電感和轉(zhuǎn)子電容構(gòu)成的電機(jī)電抗，它的值取決于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工作頻率。

（2）定子電抗：指同步發(fā)電機(jī)定子線圈電感和定子線圈電容構(gòu)成的電抗，它的值取決于線圈結(jié)構(gòu)、磁導(dǎo)率和工作頻率。

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

（4）同軸電抗：由于同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同軸電抗也會存在且對電機(jī)的性能有一定影響。

 

 二、同步電抗的計(jì)算公式

 

      同步電抗是同步發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)。以同步旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)定子繞組的穩(wěn)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(dāng)于由定子電流所建立的磁場和發(fā)電機(jī)磁極軸線相重合的電抗（見圖1），橫軸同步電抗X_q是相當(dāng)于定子電流所建立的磁場垂直磁極軸線時(shí)的電抗（見圖1b）。

      定子繞組的全部磁鏈?zhǔn)怯陕┐沛満碗姌蟹磻?yīng)磁鏈所組成，因此可以認(rèn)為同步電抗等于定子漏電抗和電樞反應(yīng)電抗之和。

      定子漏電抗和轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，對縱、橫軸向來說，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(yīng)電抗，Ω；

      X_aq——定子繞組橫軸電樞反應(yīng)電抗，Ω；

      X_s——定子繞組漏電抗，Ω。

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

    同步電抗的數(shù)值受發(fā)電機(jī)主磁通飽和的影響較大，通?？烧J(rèn)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(yīng)電抗的影響。對凸極發(fā)電機(jī)，由于在縱軸方向上磁通主要沿著由鐵磁材料構(gòu)成的磁路而閉合，而橫軸磁通的很大一部分是通過空氣隙而閉合，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(jī)電樞磁場的直軸分量和交軸分量如圖2所示。

    對隱極發(fā)電機(jī)縱軸和橫軸同步電抗的影響程度是相同的。

 

圖1 發(fā)電機(jī)同步電抗磁通分布圖

圖2  發(fā)電機(jī)電樞磁場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(yàn)

（1）測量方法

      在測取空載特性時(shí)，由于磁路的飽和現(xiàn)象，當(dāng)勵磁電流增大時(shí)，空載特性曲線將向下彎曲。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中空載曲線和短路曲線所對應(yīng)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部分延長，如圖2中的空載特性曲線直線部分的延長。同步電抗便是在有固定勵磁電流時(shí)，空載特性曲線直線部分的延長與短路特性曲線的坐標(biāo)之比，即

X_d = U₀ /Ⅰ_N

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

      X_d的標(biāo)么值為

式中  Ⅰ_EK——短路試驗(yàn)時(shí)使短路電流為額定值的勵磁電流…

      Ⅰ_E0——對應(yīng)定子額定電壓從空載特性曲線直線部分延長線上確定的勵磁電流；

      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(dāng)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(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。

（2）注意事項(xiàng)

      受剩磁影響的空載特性曲線應(yīng)進(jìn)行校正。

      發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極的剩磁，在定子繞組上感應(yīng)的電壓稱為殘壓。若此電壓較高時(shí)，會使空載特性曲線不通過坐標(biāo)的原點(diǎn)，而與縱坐標(biāo)相交。此時(shí)，應(yīng)將空載特性曲線進(jìn)行校正，如圖4所示。將空載特性曲線1的直線部分延長交橫坐標(biāo)于K點(diǎn)，K_O的絕對值即為校正量ΔⅠ_E，將曲線1沿橫軸方向水平右移ΔⅠ_E，即在所有試驗(yàn)測得的勵磁電流數(shù)值上加上ΔⅠ_E，就得到通過坐標(biāo)原點(diǎn)O的校正曲線2（實(shí)際作圖時(shí)可將縱坐標(biāo)往左移ΔⅠ_E即可）。

 

圖3  發(fā)電機(jī)空載和短路特性曲線圖

圖4  發(fā)電機(jī)空載特性校正

 

2、小轉(zhuǎn)差法

（1）試驗(yàn)方法

    小轉(zhuǎn)差法是勵磁繞組開路，轉(zhuǎn)子以接近同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（其轉(zhuǎn)差率小于1％），在定子繞組上施加三相對稱交流低壓電源（額定電壓3kV以上的發(fā)電機(jī)，一般應(yīng)接入220～550V的電源）。此時(shí)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不對稱，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(yīng)的縱、橫軸向相重合時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子滑差極小時(shí)，認(rèn)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(jī)中，因?yàn)閄_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(jī)中，因?yàn)閄_d＞X_q，則在電樞磁勢軸線與磁極軸線重合時(shí)，定子電流最小，而定子電壓最大；在電樞磁勢軸線與磁極軸線垂直時(shí)，定子電流最大，而定子電壓最小。根據(jù)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(zhuǎn)差法測量X_d、X_q的試驗(yàn)接線如圖5所示。

（2）試驗(yàn)步驟

① 按接線圖將電壓、電流表及光線示波器接入回路中；

② 將勵磁繞組開關(guān)Q1短路，將被試發(fā)電機(jī)驅(qū)動到與同步轉(zhuǎn)速非常接近的轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)差率在1％左右的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；

③ 測定繞組剩磁電壓數(shù)值；

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

⑤ 斷開轉(zhuǎn)子繞組的短路開關(guān)Q1，合上電壓表開關(guān)Q3；

⑥ 待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，啟動光線示波器，拍攝轉(zhuǎn)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（見圖6）與此同時(shí)，讀下各表的數(shù)值。

⑦ 測試完畢后，合上Q1，斷開Q2和Q3。

（3）參數(shù)X_d、X_q的計(jì)算

    當(dāng)轉(zhuǎn)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(jì)算出縱、橫軸同步電抗X_d、X_q及其標(biāo)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(yīng)的電壓值代替。

（4）注意事項(xiàng)

① 試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將被試發(fā)電，機(jī)驅(qū)動到與同步轉(zhuǎn)速非常接近的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)差率盡量小，以盡可能地減小由于發(fā)電機(jī)的瞬變狀態(tài)及儀表慣性對試驗(yàn)結(jié)果的影響。如果用儀表測量更應(yīng)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(yàn)計(jì)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(yīng)保持開路，以免在它的內(nèi)部感應(yīng)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時(shí)，勵磁繞組應(yīng)該直接短路或經(jīng)放電電阻短路，以免由于瞬變過程在勵磁繞組中引起過電壓，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(shù)值不應(yīng)過高，以免將發(fā)電機(jī)拖入同步，一般約為2％～5％的額定值，最多不超過15％額定電壓。

④ 如果有較高的剩磁電壓，應(yīng)外施較高的電壓，否則試驗(yàn)結(jié)果將有較大的誤差。因?yàn)槭４艑Ω鞔艠O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(xiàn)大小不；的兩個(gè)數(shù)值，而且兩個(gè)數(shù)值均非真值。 為了消除殘壓對測量結(jié)果的影響，試驗(yàn)前應(yīng)將發(fā)電機(jī)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)開關(guān)Q4與轉(zhuǎn)子繞組勵磁電壓的極性相反連接，將Q1、Q2、Q3開關(guān)全斷開，使發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)，合上蓄電池的開關(guān)Q4，由定子電壓表觀察定子殘壓，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(dāng)定子電流開斷時(shí)，或當(dāng)轉(zhuǎn)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(yīng)注意開關(guān)的斷開次序，開關(guān)Q1僅在外加電源投入，并測量時(shí)方可斷開，在Q1斷開后才能合上開關(guān)Q3以防燒壞電壓表，在斷開電源時(shí)，要先合上Q1，斷開Q3，然后再斷開電源開關(guān)Q2。

⑥ 有阻尼的發(fā)電機(jī)不應(yīng)采用轉(zhuǎn)差法來測同步電抗。

⑦ 為使試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，拍好定標(biāo)曲線后，所有示波器的接線，可變電阻和振子等均不能隨意變動。

 

圖4 發(fā)電機(jī)同步電抗試驗(yàn)接線圖

圖5  發(fā)電機(jī)定子電壓電流和轉(zhuǎn)子電壓的波形圖

 

3、閃光燈法

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

      試驗(yàn)時(shí)被試發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并列運(yùn)行。將發(fā)電機(jī)負(fù)載降至零，用閃光燈照到白線處，調(diào)節(jié)移相器的移相角度δ0，使轉(zhuǎn)軸上白線與軸承蓋上白線對齊。然后逐漸增加發(fā)電機(jī)負(fù)載使其在額定工況運(yùn)行，此時(shí)再調(diào)節(jié)移相器，使轉(zhuǎn)軸上白線與軸承蓋上白線重新對齊。記錄移相器上角度δl，同時(shí)測量定子線電壓U、定子電流I和功率因數(shù)角φ，則縱軸同步電抗飽和值可按下式計(jì)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(jī)在額定工況下的功角。

4、試驗(yàn)方法比較

（1）利用空載、短路特性測定縱軸同步電抗Xd，較為簡單，且所得結(jié)果也較準(zhǔn)確。

（2）小轉(zhuǎn)差法較為簡單，但在測量過程中易產(chǎn)生較大誤差。

（3）閃光燈法僅適用于隱極發(fā)電機(jī)，在測量過程中需測量功角δ和功率因數(shù)角φ，試驗(yàn)比較復(fù)雜，其測量結(jié)果的精度也受δ和φ角測量準(zhǔn)確度的影響。

 

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