新聞主題	交流發電機的同步電抗測量

 

摘要：同步發電機在穩定同步轉速運行時，正序電流產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，稱為同步電抗。簡單來說也就是發電機在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、直軸與交軸瞬態電抗、直軸與交軸次瞬態電抗、負序電抗、零序電抗、定子漏電抗等數據。由于q軸同步電抗對發電機的穩定性和運行性能有重要影響，可以通過增加線圈匝數和優化絕緣介質來提高，因此，發電機的q軸同步電抗值的測量對于發電機的設計和運行具有重要意義。

 

一、電抗基本概念

 

      發電機q軸同步電抗是指發電機在運行過程中，q軸方向上的電抗值。在電力系統中，發電機是一種將機械能轉化為電能的設備。它通過旋轉磁場的方式產生電能，其中q軸是指與旋轉磁場垂直的軸線。發電機的q軸同步電抗是發電機在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，它通過電流在線圈中產生磁場，從而儲存電能。在發電機中，電感主要由發電機的定子線圈和轉子線圈組成。定子線圈是固定不動的線圈，而轉子線圈則隨著轉子的旋轉而旋轉。這兩個線圈之間的相對運動產生了電感。

（2）電容

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

      發電機的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電機的穩定性，減小電力系統的振蕩。同時，q軸同步電抗還可以影響發電機的響應速度和功率因數。為了提高發電機的q軸同步電抗，可以采取一些措施。例如，可以增加發電機的定子線圈和轉子線圈的匝數，從而增加電感的值。此外，還可以優化絕緣介質的選擇和設計，以增加電容的值。

2、各電抗間的關系

      同步發電機的各種電抗間關系通常包括：

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

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

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

 

 二、同步電抗的計算公式

 

      同步電抗是同步發電機的重要參數。以同步旋轉的發電機定子繞組的穩態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和發電機磁極軸線相重合的電抗（見圖1），橫軸同步電抗X_q是相當于定子電流所建立的磁場垂直磁極軸線時的電抗（見圖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關，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。

    凸極發電機的X_ad＞X_aq，因而X_d＞X_q，隱極發電機X_ad=X_aq，因而X_d=X_q。

    同步電抗的數值受發電機主磁通飽和的影響較大，通常可認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。對凸極發電機，由于在縱軸方向上磁通主要沿著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。 發電機電樞磁場的直軸分量和交軸分量如圖2所示。

    對隱極發電機縱軸和橫軸同步電抗的影響程度是相同的。

 

圖1 發電機同步電抗磁通分布圖

圖2  發電機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

（1）測量方法

      在測取空載特性時，由于磁路的飽和現象，當勵磁電流增大時，空載特性曲線將向下彎曲。在測取短路特性時，磁路始終處于不飽和狀態，因此圖3中空載曲線和短路曲線所對應的飽和狀態不同。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，空載特性曲線直線部分的延長與短路特性曲線的坐標之比，即

X_d = U₀ /Ⅰ_N

      這樣測得的同步電抗稱為不飽和同步電抗。不論在橫坐標上選取哪一點進行計算，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系。短路比是在空載時使空載電勢為額定值時的勵磁電流與短路時使短路電流為額定值時的勵磁電流之比，用K代表。當磁路不飽和時

K =Ⅰ_E0 /Ⅰ_EK =Ⅰ/ X_d

    短路比是同步發電機的一個重要參數。

（2）注意事項

      受剩磁影響的空載特性曲線應進行校正。

      發電機空載運行時，由于轉子磁極的剩磁，在定子繞組上感應的電壓稱為殘壓。若此電壓較高時，會使空載特性曲線不通過坐標的原點，而與縱坐標相交。此時，應將空載特性曲線進行校正，如圖4所示。將空載特性曲線1的直線部分延長交橫坐標于K點，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，即在所有試驗測得的勵磁電流數值上加上ΔⅠ_E，就得到通過坐標原點O的校正曲線2（實際作圖時可將縱坐標往左移ΔⅠ_E即可）。

 

圖3  發電機空載和短路特性曲線圖

圖4  發電機空載特性校正

 

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交流低壓電源（額定電壓3kV以上的發電機，一般應接入220～550V的電源）。此時由于轉子結構不對稱，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的縱、橫軸向相重合時出現。當轉子滑差極小時，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。凸極式同步發電機中，因為X_d＞X_q，則在電樞磁勢軸線與磁極軸線重合時，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，定子電流最大，而定子電壓最小。根據這一點，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的試驗接線如圖5所示。

（2）試驗步驟

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Q1短路，將被試發電機驅動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 合上開關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低電壓（約2％U_N～15％U_N）；

⑤ 斷開轉子繞組的短路開關Q1，合上電壓表開關Q3；

⑥ 待轉速穩定后，啟動光線示波器，拍攝轉子繞組電壓u_E為零時及最大時的定子繞組電壓u_s和電流值i_s（見圖6）與此同時，讀下各表的數值。

⑦ 測試完畢后，合上Q1，斷開Q2和Q3。

（3）參數X_d、X_q的計算

    當轉子電壓為零和最大時，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在時間上不相同時，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 試驗時應將被試發電，機驅動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電機的瞬變狀態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，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，勵磁繞組應保持開路，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時，勵磁繞組應該直接短路或經放電電阻短路，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，其數值不應過高，以免將發電機拖入同步，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；的兩個數值，而且兩個數值均非真值。 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，經開關Q4與轉子繞組勵磁電壓的極性相反連接，將Q1、Q2、Q3開關全斷開，使發電機空轉，合上蓄電池的開關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 當定子電流開斷時，或當轉差率瞬時增大時，在勵磁繞組兩端可能產生很高的電壓，為此應注意開關的斷開次序，開關Q1僅在外加電源投入，并測量時方可斷開，在Q1斷開后才能合上開關Q3以防燒壞電壓表，在斷開電源時，要先合上Q1，斷開Q3，然后再斷開電源開關Q2。

⑥ 有阻尼的發電機不應采用轉差法來測同步電抗。

⑦ 為使試驗結果準確，拍好定標曲線后，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 發電機同步電抗試驗接線圖

圖5  發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，將移相器接至被試發電機定子繞組出線端上電壓互感器二次側，移相器輸出端接一閃光燈。

      試驗時被試發電機與電網并列運行。將發電機負載降至零，用閃光燈照到白線處，調節移相器的移相角度δ0，使轉軸上白線與軸承蓋上白線對齊。然后逐漸增加發電機負載使其在額定工況運行，此時再調節移相器，使轉軸上白線與軸承蓋上白線重新對齊。記錄移相器上角度δl，同時測量定子線電壓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，較為簡單，且所得結果也較準確。

（2）小轉差法較為簡單，但在測量過程中易產生較大誤差。

（3）閃光燈法僅適用于隱極發電機，在測量過程中需測量功角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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