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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(Xd和Xq)。其中縱軸同步電抗Xd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Xq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
Xd=Xad十Xs....................................(16—3)
Xq=Xaq十Xs.................................... (16—4)
式中 Xad——定子繞組縱軸電樞反應(yīng)電抗,Ω;
Xaq——定子繞組橫軸電樞反應(yīng)電抗,Ω;
Xs——定子繞組漏電抗,Ω。
凸極發(fā)電機(jī)的Xad>Xaq,因而Xd>Xq,隱極發(fā)電機(jī)Xad=Xaq,因而Xd=Xq。
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。
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
Xd = U0 /ⅠN
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。
Xd的標(biāo)么值為
式中 ⅠEK——短路試驗(yàn)時(shí)使短路電流為額定值的勵磁電流…
ⅠE0——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;
UN、ⅠN——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 =ⅠE0 /ⅠEK =Ⅰ/ Xd
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),KO的絕對值即為校正量ΔⅠE,將曲線1沿橫軸方向水平右移ΔⅠE,即在所有試驗(yàn)測得的勵磁電流數(shù)值上加上ΔⅠE,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ΔⅠE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Xd和Xq所決定的。隱極式同步發(fā)電機(jī)中,因?yàn)閄d≈Xq,所以測量中Umax≈Umin,Ⅰmax≈Ⅰmin。凸極式同步發(fā)電機(jī)中,因?yàn)閄d>Xq,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。
Xd = Umax /Ⅰmin
用小轉(zhuǎn)差法測量Xd、Xq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%UN~15%UN);
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uE為零時(shí)及最大時(shí)的定子繞組電壓us和電流值is(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)Xd、Xq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Umax、Umin與定子電流Ⅰmax、Ⅰmin,計(jì)算出縱、橫軸同步電抗Xd、Xq及其標(biāo)么值Xd* 、Xq*。
Xd = Umax / √3Ⅰmin
Xd = Umax* / Ⅰmin*
Xq= Umax / √3Ⅰmin
Xq = Umax* / Ⅰmin*
在所攝錄的波形圖(即圖6)中,如果Ⅰmin與Umax、Ⅰmax與Umin在時(shí)間上不相同時(shí),則上述式中的Umax(Umin)可采用與Ⅰmin(Ⅰmax)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Xd值和Xq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
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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