新聞主題	發電機次暫態和暫態參數測量

 

摘要：發電機參數尤其是暫態電抗及次暫態時間常數的辨識易受環境噪音及功角測量精度的影響，往往出現不同試驗或重復試驗辨識所得參數相差很大的情況。為提高同步發電機暫態及次暫態參數辨識精度，提出了一種基于軌跡靈敏度的同步發電機參數辨識方法。首先確定了基于軌跡靈敏度的辨識數據區間選取方法，將量測的發電機參數的軌跡靈敏度作為指標，根據該指標的衰減程度，選取暫態及次暫態參數信息含量較大的量測數據作為辨識數據，以提高相應參數的辨識精度。

 

一、基本概念

 

      暫態為在轉子繞組起反作用時的在穩態以前的過渡狀態；次暫態為有阻尼繞組的發電機在短路瞬間時狀態。

1、次暫態電抗

X"_d、X"_q是發電機突然短路的瞬間，由短路電流的起始值所決定的定子電抗。暫態電抗X'_d、X'_q是由減掉超瞬變分量的短路電流分量的起始值所決定的定子電抗。

2、衰減時間常數

      T_a是定子電流直流分量衰減時間常數。表征康明斯發電機在額定轉速和一定電壓下運行，定子繞組突然短路時，短路電流中直流分量衰減快慢的時間參數。

3、縱軸暫態時間常數

      T'_d是定子繞組短路時縱軸暫態時間常數，表征康明斯發電機在額定轉速和一定電壓下運行，定子繞組突然短路。阻尼繞組開路。（或無阻尼作用時），定子電流中縱軸暫態分量衰減快慢的時間參數。

4、縱軸次暫態時間常數

      T"_d是定子繞組短路時縱軸次暫態時間常數，表征康明斯發電機在額定轉速和電壓下運行，轉子阻尼繞組（或阻尼回路）和勵磁繞組閉路，當定子繞組發生突然短路時，在阻尼作用下，定子電流中次暫態分量衰減快慢的時間參數。

5、縱軸暫態時間常數

      T'_do為定子繞組開路時縱軸暫態時間常數，系指發電機在額定轉速和額定電壓下運行，當運行條件發生突然變化時，由縱軸磁通所產生的開路定子電壓中暫態分量衰減快慢的時間參數。

 

二、三相突然短路法

 

      三相突然短路試驗是測量發電機X'_d、X"_d、T'_d、T"_d及T_a等參數較好的方法。一般情況下，現場只需測定發電機參數的不飽和值，這時發電機應在額定轉速n_N及空載定子電壓U＝（1／4）U下進行三相突然短路試驗。至于測定參數的飽和值，則應在額定電壓下進行三相突然短路試驗。由于該試驗將產生很大的電動力而危及設備安全，故不宜在現場進行，只能作為考核發電機機械強度的型式試驗項目。

      發電機三相突然短路試驗相關依據由于目前國內還沒有出臺針對發電機的產品標準，因此，只能在相關標準中尋找依據。根據GB 755―2000《旋轉電機定額和性能》，結合GB/T1029―2005《三相同步電機試驗方法》及GB/T 7064―2002《透平型同步發電機技術要求》標準，在結構及電磁、設計和計算的基礎上，對發電機三相突然短路基本試驗方法進行安全科學實驗。

1、試驗方法

（1）試驗前準備

① 仔細檢查被試電機的裝配、安裝質量是否良好。

② 短路開關的選用與調整。

      用作短路開關的接觸器或油開關的額定容量應能足夠承受電機的短路電流。試驗前應對開關觸頭進行調整，以確保三相同時合閘。三相觸頭之間的合閘時間差不0.05周期。以內）即認為已達到要求。

③ 分流器與電流互感器的選用。

      短路電流的測量必須使用分流器或電流互感器，推薦采用無感分流器。所選用的分流器額定電流值應大于大可能的短路電流值。采用電流互感器時，應使短路電流的大幅值仍在互感器特性曲線的線性部分。分流器和電流互感器應接在短路開關與中性點之間，中性點必須可靠接地。

④ 示波器的調整。

      拍攝三相短路電流的三個振子應選用同一規格。正式拍攝前應拍錄好三相電流標尺，調整好所有振子的零線位置，調整振子的偏移角度，使電流的波幅不振子允許的偏移角度及感光紙邊緣。調整完畢后振子回路不應再有任何變動。

⑤ 被試發電機的勵磁。

      被試發電機應由配套的直流勵磁機勵磁，直流勵磁機必須為他勵式。如果用其他直流電源供給勵磁，應使勵磁回路總電阻與原勵磁回路電阻的數值相當，以免影響勵磁回路的時間常數。

（2）試驗接線

      發電機突然短路試驗是為了考核發電機的抗短路故障能力，具體做法是在額定負載和1.05倍額定電壓下運行時，應能承受出線端任何形式的突然短路而不發生導致立即停機的有害變形。試驗時用外部方法將短路時相電流限制到不超過三相突然短路所產生的最大相電流值。除此之外，發電機突然短路試驗還要考核承受短路時防爆安全性能的保持能力。三相突然短路試驗接線原理圖如圖1所示。

（3）試驗步驟

① 將同步發電機拖動到額定轉速，先將發電機的定子電壓調節到（1／4）U_N作空載運行。

② 在短路前記錄定子電壓U和勵磁電流I_E，起動示波器開始錄波，隨即合上開關Q將定子繞組突然短接，攝錄定子電壓、三相定子電流及勵磁電流波形。

③ 記錄短路時定子電流及勵磁電流的穩態值，并根據示波器攝錄的電流波形，確定電流波形的比例尺（A／mm）。

（4）試驗要求

① 被試發電機應由配套的勵磁機供給勵磁且勵磁機必須為他勵。

② 攝錄短路電流波形時宜采用無感分流器，分流器的額定電流應大于被試發電機定子額定電流值。為確保人身和儀器安全，應把分流器接在短路開關Q與短路點0'之間。短路點0'必須可靠接地，使振子在短路前不會處于高電壓。定子回路所有的接點接觸必須良好和可靠，連接導線應有足夠的截面，且越短越好。

③ 突然短路時用的三相開關（如接觸器或斷路器）應認真檢查或調整好，使三相盡可能同時合閘。

④ 試驗時先在三相穩態短路下，將三相電流送至示波器振子，調節光點的偏轉幅度，使三相突然短路時電流波形有適當的幅值，且在可能發生的最大電流時的波幅不超過振子允許的偏轉值及感光紙的邊緣。

      三相突然短路電流最大值可按下式估算：

          

式中  U*——突然短路前空載定子電壓標么值；

X"_d*——次暫態電抗的設計值或估計值（標么值）；

I_N——被試發電機的額定電流，A；

I_max——三相突然短路電流最大值，A。

2、數據處理

（1）畫出三相突然短路電流波幅的包絡線。

      將所攝錄電流波形的各個波峰值繪制在坐標紙上，然后用平滑的曲線連接起來，就得到一相電流波形的上下兩條包絡線，如圖2所示。如果起始幾個電流波峰之間的時間間隔不等，則應按實際量得的時間間隔繪制。

 

圖1  發電機三相突然短路試驗接線原理圖

圖2  發電機三相突然短路電流波幅包絡線

 

（2）將各相電流的周期分量與非周期分量分開。

      取任一瞬間上、下兩包絡線的縱坐標，兩者代數和一半為該瞬間電流的非周期分量（即直流分量），如圖2中的虛線所示。兩者代數差的一半（即虛線至包絡線的距離）為該瞬間電流的周期分量，再求出三相短路電流周期分量各瞬間的算術平均值。即為三相短路時，定子電流周期分量的變化曲線。

 （3）求暫態分量（ΔI'_k）和次暫態分量（ΔI"_k）。

      從定子電流周期分量的變化曲線中減去穩態短路電流J_k∞，即得（ΔI'k十ΔI"k）電流曲線，將其繪于半對數坐標紙上（見圖3），使（ΔI'_k十ΔI"_k）曲線后半部的直線部分延伸到縱坐標上，其交點即為短路電流暫態分量的初始值ΔI'k0。

      在半對數坐標紙上，曲線（ΔI'_k十ΔI'_k）與直線ΔI'_k在同一瞬間的差值即為短路電流的次暫態分量ΔI"_k。把次暫態電流分量與時間的關系也繪在半對數坐標紙上（見圖3），并將其延伸到縱坐標軸，則交點即為次暫態分量電流的初始值ΔI"_k0。

 

圖3  發電機三相突然短路次態和暫態電流變化曲線

 

（4）計算縱軸暫態電抗X'_d和次暫態電抗X"_d

      公式為：

式中，U——短路前定子線電壓，V；

U_φN、I_φN——被試發電機的額定相電壓、相電流，V、A；

I_k∞——穩態短路電流，A；

 ΔI'_k0、ΔI"_k0——暫態電流、次暫態電流初始值，A。

（5）確定時間常數T'd、T"d及Ta。

① 定子繞組短路時的縱軸暫態時間常數T'_d是定子電流暫態分量自初始值ΔI"_k0衰減到0.368ΔI'_k0時所需的時間。

② 定子繞組短路時的縱軸次暫態時間常數T"_d是定子電流次暫態分量自初始值ΔI"_k0。衰減到0.368ΔI"_k0時所需的時間。

③ 定子繞組短路時的非周期分量時間常數T_a是定子電流非周期分量自初始值衰減到0.368初始值時所需的時間。

 

三、電壓恢復法試驗

 

1、試驗方法

將三相定子繞組短路，再將被試發電機拖動到額定轉速，然后增加勵磁電流，使其相當于空載特性曲線直線部分的某一電壓（通常不高于0.7倍額定電壓）時的勵磁電流。 

記下此時定子繞組的短路電流Ik。然后將短路的三相繞組同時斷開，用示波器攝錄任一相電流及任一線電壓的波形。當電壓恢復到穩態值U∞后，讀表記下電壓數值，以確定空載電壓波形的比例尺（V／mm）。試驗時對勵磁回路的要求與三相突然短路試驗中的規定相同。

2、數據處理

（1）電壓波形

       畫出恢復電壓波形的包絡線。瞬態恢復電壓波形可以表現為振蕩和非振蕩的多種不同的形式。當電壓波接近單頻阻尼振蕩波時，包絡線由兩個連續的線段組成。包絡線應盡可能接近地反映瞬態恢復電壓的實際形狀。這里敘述的方法在大多數實際情況下可以足夠近似地達到這一目的。下列方法用作繪制構成預期瞬態恢復電壓曲線包絡線的線段：

① 第一個線段通過原點O，與曲線相切而不與其相交。

      在曲線的起始部分凹面向左的情況下，切點經常是在第一峰值的附近（見圖5，OA段）；如果象指數情況下那樣，凹面向右情況下，則切點在原點（見圖6，OA段）。

② 第二線段是在曲線最高峰值處與其相切的水平線（見圖5和圖6，AG段）。

③ 于是，得到了兩參數包絡線O、A、C。

圖5 發電機恢復電壓初始位置凹面向左的參考線圖

圖6 發電機恢復電壓指數型TRV的參考線圖

 

（2）電壓恢復曲線

      將穩態電壓U∞與恢復電壓包絡線之間的電壓差值對時間的關系繪于半對數坐標紙上（見圖7）。此曲線為暫態電壓分量ΔU'與次暫態電壓分量ΔU"之和。將該曲線的直線部分延長，與縱坐標的交點即為暫態電壓分量的初始值ΔU"0。曲線ΔU'十ΔU"與曲線ΔU'之間的差值即為次暫態電壓分量ΔU"曲線，將其繪于同一坐標紙上，它與縱坐標軸的交點即是次暫態電壓分量的初始值ΔU"₀。

（3）暫態電抗的計算公式

      縱軸暫態電抗X'_d及縱軸次暫態電抗X"_d的計算：

   

式中，I_k——在斷開短路前瞬間測得的定子電流，A；

U∞——穩態電壓，V；

ΔU'₀、ΔU"₀₀——暫態電壓分量與次暫態電壓分量初始值，V。

（4）求取時間常數

① 定子繞組開路時縱軸暫態時間常數T'_d0是暫態電壓分量從初始值ΔU'₀衰減到0.368ΔU'₀時所需的時間。

② 定子繞組開路時縱軸次暫態時間常數T"_d0是次暫態電壓分量從初始值ΔU"0衰減到O.368ΔU"₀時所需的時間。

      在求得T'_d0、T"_d0后，可按下列關系式求取定子繞組短路時的縱軸暫態時間常數T'_d及次暫態時間常數T"_d：

式中，X_d——直軸同步電抗的不飽和值，Ω。

（5）示波圖

       在電壓恢復法試驗中，（U∞一ΔU'₀—ΔU"₀）、（U∞一ΔU'₀）以及兩者的差值與穩態電壓U∞相比都是較小的，因而在示波圖加工及計算中容易引起誤差。為此，有些文獻建議，除了拍攝上述的電壓恢復曲線外，用記錄紙以較快的速度（不小于0.44m／s）再拍攝一張電壓復曲線起始部分的示波圖。示波圖上的電壓比例尺可如此選擇，使短路被切斷的初瞬，電壓（U∞—ΔU'₀—ΔU"₀）的幅度約為振子光點允許偏轉值的一半。由于穩態電壓U∞超過（U∞—ΔU'₀一ΔU"₀）好幾倍，因此振子光點在到達其允許的最大偏轉度前，應通過繼電器等裝置將振子回路自動斷開或用限幅器加以保護，以免損壞振子。

      在普通坐標紙上（或在直接拍攝的感光紙上）畫出電壓恢復曲線的波幅包絡線，如圖8所示。包絡線與t＝O時的縱坐標相交于a點，oa＝U∞一ΔU'₀一ΔU"₀。將曲線尾部的直線部分延伸，使其與縱坐標軸相交于b點，ob＝U∞—ΔU'₀，于是可根據公式計算出X'_d及X"_d，并從圖6中求得T"_d0。

 

圖7 發電機電壓恢復曲線圖

圖8  發電機電壓恢復曲線起始部分

 

3、電壓恢復法試驗的優點

（1）試驗過程中，發電機不會受到不正常的機械和電的沖擊作用，因而允許重復進行數次試驗。以獲得可靠的結果；

（2）電壓恢復法不需要種類繁多的輔助設備，如無感分流器等，因此現場容易進行；

（3）通常只需拍攝一個線電壓的恢復曲線，示波圖的加工量較小。

4、電壓恢復法的缺點

① 不能求出三相突然短路電流非周期分量的時間常數Ta；

② 由換算來確定時間常數T'd及T"d的準確性較差。

 

總結：

      發電機試驗是評估發電機電氣性能的重要方法。通過電壓恢復法和三相突然短路法試驗，可以獲得發電機的電抗及時間常數等參數，從而評估發電機的電阻、電抗、電導等性能指標。交流同步發電機試驗的目的是評估發電機的電氣性能、識別故障和缺陷、評估負荷能力以及優化運行參數。通過合理的試驗方法和分析，可以保證發電機的正常運行，提高柴油發電機組的可靠性和穩定性。

 

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