发电机特性试验和参数测量.docx

1、发电机特性试验和参数测量第十六章 发电机特性试验和参数测量第一节发电机空载特性试验 一、概述 发电机的空载运行工况，是指发电机处于额定转速，在励磁绕组中通入一定的励磁电流，而定子绕组中的电流为零时的运行状态。此时，励磁绕组中电流所产生的磁通可以分为气隙主磁通和漏磁通两部分。主磁通通过空气隙与定子绕组相交链，并在定子绕组中产生感应电势E。漏磁通仅与励磁绕组相交链。 在这种条件下，定子绕组的感应电势置与其端电压U相等，即UE。设IE表示励磁电流，W表示匝数，则IEW就代表励磁绕组中的安匝数。因为匝数W一定，则主磁通及其在定子绕组中的感应电势E就取决于励磁电流的大小和磁回路的饱和程度。在空载试验后，

2、取励磁电流为横坐标，取端电压为纵坐标，即可得到关系曲线Uf(IE)。 发电机在空载运行条件下其端电压和励磁电流的关系曲线Uf(IE)，称为发电机的空载特性曲线。空载特性曲线不仅表示了感应电势Z和励磁电流IE的关系，同时也表示了气隙主磁通和励磁电流IE的关系。 空载特性曲线常常用标么值来表示，即选定子额定电压UN为电压基准值，选空载试验时对应于定子额定电压的励磁电流IEO为电流基准值。 空载特性是发电机的最基本特性之一，由此可求出发电机的电压变化率U、同步电抗Xd；短路比及和负载特性等。在求取此特性的同时，还可以检查发电机三相电压的对称性和进行定子绕组匝间绝缘试验。 二、测量方法 (一)试验接线

3、发电机空载特性试验接线如图l6-l所示。 (二)试验步骤 (1)按图161在发电机转子回路和定子回路接入各种表计，包括定子电压表、频率表、在标准分流器(O.2级)上接测量励磁电流的毫伏表、在励磁回路上接的励磁电压表，将励磁电阻调至最大值位置。 (2)将电压调节器、强励装置退出运行，差动、过流、接地保护装置投入运行。 (3)启动原动机至额定转速且维持不变。 (4)电机在空载状态下，合上磁场开关，先慢慢调节励磁，使电压升至额定值，然后缓慢减少励磁，测下降曲线，在降压过程中可分10个点，分别记录各表计读数，直到电压降到零。再进行第二次升压，测上升曲线，也分l0个点读数，直至升到1.3UN，有匝间绝缘

4、的发电机，在1.3UN试验电压下应持续5min；随即将电压下降。 (5)励磁电流降至最小值后，断开磁场开关，发电机仍应保持额定转速，然后在定子绕组出线端的电压互感器二次侧测量电压，按变比计算定子残压值。也可用绝缘棒将足够量程的高内阻电压表直接搭到发电机出线上测量残压值。 (三)注意事项 (1)合上磁场开关后，应慢慢升压，当电压升至额定电压的20时，检查三相电压是否平衡，且巡视发电机等设备是否正常。 (2)在测取上升和下降曲线时，励磁电流大小只能沿一个方向调节，严禁中途反向。否则由于磁滞作用，将影响试验结果。 (3)调节励磁到一定数值，待表计指针稳定后进行读表，并要求所有表计同时读取。 (4)在

5、发电机出线上测量定子残压时，必须做好安全措施，例如磁场开关应在断开位置，测量人员要戴绝缘手套并利用绝缘棒测量定子残压值。所使用仪表应是多量程的高内阻交流电压表。 (5)试验时发现异常现象应立即停止试验，及时查明原因。 (四)试验结果分析 (1)将各仪表读数换算成实际值，其中定子电压应取三相电压的平均值。 (2)试验过程中转速应稳定，否则所测电压应按下式换算到额定转速之电压值U=Um (161)式中 Um实测电压，V； nN额定转速，rmin； nm实测转速，rmin。 (3)将整理的数据，绘制空载特性曲线。由于铁芯磁滞的影响，曲线上升支和下降支不是重合的，应取平均值，该平均值绘制的曲线即为空载

6、特性曲线。 (4)根据所得空载特性曲线与出厂数据和历年的数据进行比较。如所得曲线比历年数据降低得多，即说明转子绕组可能有匝问短路缺陷。 第二节 发电机短路特性试验 一、概述 发电机短路特性是指发电机的转速n为额定转速，电枢绕组的端电压为零时电枢电流和励磁电流的关系Ikf(IE)。 发电机三相对称稳定短路工况；是指发电机处于额定转速下，转子绕组通入一定的励磁电流，定子绕组的电压为零时的运行状态。短路试验时，定子电压U0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于一般发电机的电枢电阻远小于同步电抗，所以短路电流可认为是纯感性的，即90，于是电枢磁势基本上是一个纯去磁作用的纵轴磁势，即FaFad而Fa

7、q0。各磁势的相量图如图162所示。从图162可见，各磁势相量都在一条直线上，合成磁势是E十ad，其中E是转子电流产生的激磁磁势，利用空载特性即可由气隙合成磁势求得合成电势E。 由于U0，所以 +ra +jX jX (162)式中 ra发电机的定子电阻，; X发电机漏抗，。 可见，发电机短路时的合成电势只等于漏抗压降，所以对应的气隙合成磁通很小，其磁路处于不饱和状态。因此励磁电流变化时，合成电势和对应的短路电流将随之正比地变化，所以短路特性曲线是一条直线。 求取发电机的短路特性可以检查定子三相电流的对称性，并由短路特性曲线结合空载特性曲线来求取发电机的一些重要参数。 二、测量方法 (一)试验接

8、线发电机三相短路特性试验接线，如图163所示。 (二)试验步骤 (1)在发电机出线端，将三相对称性短路。按图163接好各种表计，如励磁电流表、励磁电压表、定子电流表等。将励磁电阻调至最大值位置； (2)投入过流保护装置，并接信号； (3)启动原动机升至额定转速并维持不变，合上磁场开关； (4)调节励磁，使定子电流达到额定值为止，以每隔定子额定电流的1520记录一次表计值； (5)调节励磁，使定子电流降至零，断开磁场开关。 (三)注意事项 (1)三相短路线应尽量装在接近发电机引出线端，且要在电流互感器外侧(如果发电机出口有断路器，不应经断路器接短路线，以免在试验中断路器突然断开，引起发电机过电压

9、损坏绝缘)。如果在发电机出线端不便装设短路线或要结合其它试验(如电压恢复法试验)，需将短路线装在主断路器外侧时，应将其跳闸回路熔丝取去，或将断路器操作机构锁住。 (2)三相短路线应采用不小于发电机出线截面的铜(铝)排，连接必须良好，防止由于连接不良引起过热损坏设备。 (3)调节励磁电流时应缓慢进行，当调到某一数值时，应待指针稳定后，再对各类表计同时读数。 (4)为校验试验的正确性，在调节励磁电流下降过程中，可按上升各点进行读数记录。 (5)在试验中，当定子电流升至1520额定值时，应检查三相电流的对称性。如果三相电流不平衡，应查明原因，必要时可降低励磁，断开磁场开关。 (四)试验结果分析 (1

10、)将各仪表读数换算至实际值，其中定子电流应取三相的平均值； (2)根据试验数据绘制短路特性曲线，该曲线应是通过坐标原点的一条直线；(3)将所得曲线与出厂数据或历年数据比较，若曲线有明显降低，则说明转子绕组可能有匝间短路。第三节 同步电抗测量 一、基本概念同步电抗是同步发电机的重要参数。以同步旋转的发电机定子绕组的稳态磁链所决定的电抗叫做同步电抗(Xd和Xq)。其中纵轴同步电抗Xd是相当于由定子电流所建立的磁场和发电机磁极轴线相重合的电抗(见图164，a)，横轴同步电抗Xq是相当于定子电流所建立的磁场垂直磁极轴线时的电抗(见图164，b)。 定子绕组的全部磁链是由漏磁链和电枢反应磁链所组成，因此

11、可以认为同步电抗等于定子漏电抗和电枢反应电抗之和。 定子漏电抗和转子位置无关，对纵、横轴向来说，漏电抗是相等的，因此 XdXad十Xs (163) Xq=Xaq十Xs (164)式中 Xad定子绕组纵轴电枢反应电抗，； Xaq定子绕组横轴电枢反应电抗，； Xs定子绕组漏电抗，。 凸极发电机的XadXaq，因而XdXq，隐极发电机Xad=Xaq，因而Xd=Xq。 同步电抗的数值受发电机主磁通饱和的影响较大，通常可认为漏电抗是恒定不变的，饱和引起同步电抗的变化主要是对电抠反应电抗的影响。对凸极发电机，由于在纵轴方向上磁通主要沿着由铁磁材料构成的磁路而闭合，而横轴磁通的很大一部分是通过空气隙而闭合，

12、所以饱和对纵轴同步电抗的影响较大，而对横轴同步电抗的影响较小。 对隐极发电机纵轴和横轴同步电抗的影响程度是相同的。 二、同步电抗的测量方法 (一)从空载、短路特性试验求取不饱和纵轴同步电抗Xd和短路比 1，测量方法 在测取空载特性时，由于磁路的饱和现象，当励磁电流增大时，空载特性曲线将向下弯曲。在测取短路特性时，磁路始终处于不饱和状态，因此图165中曲线l和曲线2所对应的饱和状态不同。为了求得同步电抗的不饱和值，可将空载特性的直线部分延长，如图165中的曲线3。同步电抗便是在有固定励磁电流时，曲线3与曲线2的坐标之比，即 Xd= (165)这样测得的同步电抗称为不饱和同步电抗。不论在横坐标上选

13、取哪一点进行计算，所求得的不饱和同步电抗均为恒值。Xd的标么值为Xd*= (166)式中 IEK短路试验时使短路电流为额定值的励磁电流 IE0对应定子额定电压从空载特性曲线直线部分延长线上确定的励磁电流； Un、IN定子额定电压、定子额定电流。 同步电抗与短路比有一定的关系。短路比是在空载时使空载电势为额定值时的励磁电流与短路时使短路电流为额定值时的励磁电流之比，用K代表。当磁路不饱和时K= = (167) 短路比是同步发电机的一个重要参数。我国制造的汽轮发电机的短路比一般在0.50.7之间，水轮发电机在l.01.4之间。 2，注意事项 (1)空载和短路特性曲线的测取方法见本章第一、二节。 (

14、2)受剩磁影响的空载特性曲线应进行校正。发电机空载运行时，由于转子磁极的剩磁，在定子绕组上感应的电压称为残压。若此电压较高时，会使空载特性曲线不通过坐标的原点，而与纵坐标相交。此时，应将空载特性曲线进行校正，如图166所示。将空载特性曲线1的直线部分延长交横坐标于K点，KO的绝对值即为校正量IE，将曲线1沿横轴方向水平右移IE，即在所有试验测得的励磁电流数值上加上IE，就得到通过坐标原点O的校正曲线2(实际作图时可将纵坐标往左移IE即可)。 (二)用小转差法测量纵、横轴同步电抗Xd和Xq 1，试验方法 小转差法是励磁绕组开路，转子以接近同步转速旋转(其转差率小于1)，在定子绕组上施加三相对称交

15、流低压电源(额定电压3kV以上的发电机，一般应接入220550V的电源)。此时由于转子结构不对称，电抗在纵轴，与横轴之间周期地变化，定子电流的最大与最小值基本上是在定子磁链与相应的纵、横轴向相重合时出现。当转子滑差极小时，认为定子电流是由同步电抗Xd和Xq所决定的。隐极式同步发电机中，因为XdXq，所以测量中UmaxUmin，ImaxImin。凸极式同步发电机中，因为XdXq，则在电枢磁势轴线与磁极轴线重合时，定子电流最小，而定子电压最大；在电枢磁势轴线与磁极轴线垂直时，定子电流最大，而定子电压最小。根据这一点，通常用下式求取同步电抗的非饱和值。 Xd= (168) Xq= (169) 用小转

16、差法测量Xd、Xq的试验接线如图167所示。 2，试验步骤 (1)按接线图将电压、电流表及光线示波器接入回路中； (2)将励磁绕组开关Q1短路，将被试发电机驱动到与同步转速非常接近的转速，即转差率在1左右的转速下运行； (3)测定绕组剩磁电压数值； (4)合上开关Q2，在定子绕组上通入与转子旋转方向相同相序的额定频率的三相对称低电压(约2UN15UN)； (5)断开转子绕组的短路开关Q1，合上电压表开关Q3； (6)待转速稳定后，启动光线示波器，拍摄转子绕组电压uE为零时及最大时的定子绕组电压us和电流值is(见图168)与此同时，读下各表的数值。 (7)测试完毕后，合上Q1，断开Q2和Q3。

17、 3参数Xd、Xq的计算 当转子电压为零和最大时，由图168中波形图上的定子电压Umax、Umin与定子电流Imax、Imin，计算出纵、横轴同步电抗Xd、Xq及其标么值Xd* 、Xq* Xd= (16一10) Xd*= (16一11) Xq= (16一12) Xq*= (1613) 在所摄录的波形图(即图168)中，如果Imin与Umax、Imax与Umin在时间上不相同 时，则上述式中的Umax(Umin)可采用与Imin(Imax)相对应的电压值代替。 4注意事项 (1)试验时应将被试发电，机驱动到与同步转速非常接近的转速，使转差率尽量小，以尽可能地减小由于发电机的瞬变状态及仪表惯性对试

18、验结果的影响。如果用仪表测量更应注意这一点，否则交流仪表的指针追随不上测量值的变化，使试验计算的Xd值和Xq值有较大的误差。 (2)在拍摄波形和读表时，励磁绕组应保持开路，以免在它的内部感应出对磁通起阻尼作用的电流。但在定子绕组接入电源或从电源断开时，励磁绕组应该直接短路或经放电电阻短路，以免由于瞬变过程在励磁绕组中引起过电压，损坏励磁绕组。 (3)在定子绕组上，外施额定频率的低电压，其数值不应过高，以免将发电机拖入同步，一般约为25的额定值，最多不超过15额定电压。 (4)如果有较高的剩磁电压，应外施较高的电压，否则试验结果将有较大的误差。因为剩磁对各磁极交替产生去磁和助磁的作用，使定子电流

19、最大值和最小值，出现大小不；的两个数值，而且两个数值均非真值。试验时，若发电机残压U达到试验电源电压的1030，则测量的同步电抗应按下式计算 Xd= (1614) Xq= (1615)式中，Umaxl、Umax2、Uminl、Umin2、Imaxl、Imax2、Iminl、Imin2分别为相邻两个定子电压、定子电流的最大、最小值；U为线间残压。 为了消除残压对测量结果的影响，试验前应将发电机的剩磁尽量减小，使残压降到最低。常用的方法(见图167)是用容量足够的蓄电池E，经开关Q4与转子绕组励磁电压的极性相反连接，将Q1、Q2、Q3开关全断开，使发电机空转，合上蓄电池的开关Q4，由定子电压表观察

20、定子残压，若逐渐降低，则表明E去磁的方向正确。一般将残压降至58V即可。 (5)当定子电流开断时，或当转差率瞬时增大时，在励磁绕组两端可能产生很高的电压，为此应注意开关的断开次序，开关Q1仅在外加电源投入，并测量时方可断开，在Q1断开后才能合上开关Q3以防烧坏电压表，在断开电源时，要先合上Q1，断开Q3，然后再断开电源开关Q2。 (6)有阻尼的发电机不应采用转差法来测同步电抗。 (7)为使试验结果准确，拍好定标曲线后，所有示波器的接线，可变电阻和振子等均不能随意变动。 (三)用闪光灯法测量隐极发电机纵轴同步电抗饱和值Xd 试验前在被试发电机转轴和轴承交接处，分别在转轴和轴承盖上划一道白线，将移

21、相器接至被试发电机定子绕组出线端上电压互感器二次侧，移相器输出端接一闪光灯。 试验时被试发电机与电网并列运行。将发电机负载降至零，用闪光灯照到白线处，调节移相器的移相角度0，使转轴上白线与轴承盖上白线对齐。然后逐渐增加发电机负载使其在额定工况运行，此时再调节移相器，使转轴上白线与轴承盖上白线重新对齐。记录移相器上角度l，同时测皇定子线电压U、定子电流I和功率因数角，则纵轴同步电抗饱和值可按下式计算 Xd=tg(+-)cos-sin上述移相器前后两次测量角度差(l-0)就是发电机在额定工况下的功角。 (四)试验方法比较 (1)利用空载、短路特性测定纵轴同步电抗Xd，较为简单，且所得结果也较准确。

22、 (2)小转差法较为简单，但在测量过程中易产生较大误差。(3)闪光灯法仅适用于隐极发电机，在测量过程中需测量功角和功率因数角，试验比较复杂，其测量结果的精度也受和角测量准确度的影响。第四节 发电机次暂态和暂态参数测量 一、基本概念 次暂态电抗Xd、Xq是发电机突然短路的瞬间，由短路电流的起始值所决定的定子电抗。暂态电抗Xd、Xq是由减掉超瞬变分量的短路电流分量的起始值所决定的定子电抗。 Ta是定子电流直流分量衰减时间常数。表征发电机在额定转速和一定电压下运行，定子绕组突然短路时，短路电流中直流分量衰减快慢的时间参数。 Td是定子绕组短路时纵轴暂态时间常数，表征发电机在额定转速和一定电压下运行，

23、定子绕组突然短路。阻尼绕组开路。(或无阻尼作用时)，定子电流中纵轴暂态分量衰减快慢的时间参数。 Td是定子绕组短路时纵轴次暂态时间常数，表征发电机在额定转速和电压下运行，转子阻尼绕组(或阻尼回路)和励磁绕组闭路，当定子绕组发生突然短路时，在阻尼作用下，定子电流中次暂态分量衰减快慢的时间参数。 Td0为定子绕组开路时纵轴暂态时间常数，系指发电机在额定转速和额定电压下运行，当运行条件发生突然变化时，由纵轴磁通所产生的开路定子电压中暂态分量衰减快慢的时间参数。 二、测量方法 (一)三相突然短路法 三相突然短路试验是测量发电机Xd、Xd、Td、Td及Ta等参数较好的方法。一般情况下，现场只需测定发电机

24、参数的不饱和值，这时发电机应在额定转速nN及空载定子电压U(14)U下进行三相突然短路试验。至于测定参数的饱和值，则应在额定电压下进行三相突然短路试验。由于该试验将产生很大的电动力而危及设备安全，故不宜在现场进行，只能作为考核发电机机械强度的型式试验项目。 1试验方法 (1)试验接线。 三相突然短路试验接线原理图如图169所示。 (2)试验步骤。 1)将同步发电机拖动到额定转速，先将发电机的定子电压调节到(14)UN作空载运行。 2)在短路前记录定子电压U和励磁电流IE，起动示波器开始录波，随即合上开关Q将定子绕组突然短接，摄录定子电压、三相定子电流及励磁电流波形。 3)记录短路时定子电流及励

25、磁电流的稳态值，并根据示波器摄录的电流波形，确定电流波形的比例尺(Amm)。 (3)试验要求及注意事项。 1)被试发电机应由配套的励磁机供给励磁且励磁机必须为他励。 2)摄录短路电流波形时宜采用无感分流器，分流器的额定电流应大于被试发电机定子额定电流值。为确保人身和仪器安全，应把分流器接在短路开关Q与短路点O之间。短路点O必须可靠接地，使振子在短路前不会处于高电压。定子回路所有的接点接触必须良好和可靠，连接导线应有足够的截面，且越短越好。 3)突然短路时用的三相开关(如接触器或断路器)应认真检查或调整好，使三相尽可能同时合闸。 4)试验时先在三相稳态短路下，将三相电流送至示波器振子，调节光点的

26、偏转幅度，使三相突然短路时电流波形有适当的幅值，且在可能发生的最大电流时的波幅不超过振子允许的偏转值及感光纸的边缘。 三相突然短路电流最大值可按下式估算Imax=IN (1616)式中 U*突然短路前空载定子电压标么值； Xd*次暂态电抗的设计值或估计值(标么值)； IN被试发电机的额定电流，A； Imax三相突然短路电流最大值，A。 2，数据处理 (1)画出三相突然短路电流波幅的包络线。将所摄录电流波形的各个波峰值绘制在坐标纸上，然后用平滑的曲线连接起来，就得到一相电流波形的上下两条包络线，如图16lO所示。如果起始几个电流波峰之间的时间间隔不等，则应按实际量得的时间间隔绘制。 (2)将各相

27、电流的周期分量与非周期分量分开。取任一瞬间上、下两包络线的纵坐标，两者代数和一半为该瞬间电流的非周期分量(即直流分量)，如图1610中的虚线所示。两者代数差的一半(即虚线至包络线的距离)为该瞬间电流的周期分量，再求出三相短路电流周期分量各瞬间的算术平均值。即为三相短路时，定子电流周期分量的变化曲线。 (3)求暂态分量(Ik)和次暂态分量(Ik)。从定子电流周期分量的变化曲线中减去稳态短路电流Jk，即得(Ik十Ik)电流曲线，将其绘于半对数坐标纸上(见图1611)，使(Ik十Ik)曲线后半部的直线部分延伸到纵坐标上，其交点即为短路电流暂态分量的初始值Ik0。 在半对数坐标纸上，曲线(Ik十Ik)

28、与直线Ik在同一瞬间的差值即为短路电流的次暂态分量Ik。把次暂态电流分量与时间的关系也绘在半对数坐标纸上(见图l611)，并将其延伸到纵坐标轴，则交点即为次暂态分量电流的初始值Ik0。(4)计算纵轴暂态电抗Xd和次暂态电抗Xd公式为 (1617) (1618)上两式中 U短路前定子线电压，V； UN、IN被试发电机的额定相电压、相电流，V、A； Ik稳态短路电流，A； Ik0、Ik0暂态电流、次暂态电流初始值，A。 (5)确定时间常数Td、Td及Ta。 定子绕组短路时的纵轴暂态时间常数Td是定子电流暂态分量自初始值Ik0衰减到0.368Ik0时所需的时间。 定子绕组短路时的纵轴次暂态时间常数T

29、d是定子电流次暂态分量自初始值Ik0。衰减到0.368Ik0时所需的时间。 定子绕组短路时的非周期分量时间常数Ta是定子电流非周期分量自初始值衰减到0.368初始值时所需的时间。(二)电压恢复法试验1，试验方法将三相定子绕组短路，再将被试电机拖动到额定转速，然后增加励磁电流，使其相当于空载特性曲线直线部分的某一电压(通常不高于O.7倍额定电压)时的励磁电流。 记下此时定子绕组的短路电流Ik。然后将短路的三相绕组同时断开，用示波器摄录任一相电流及任一线电压的波形。当电压恢复到稳态值U后，读表记下电压数值，以确定空载电压波形的比例尺(Vmm)。试验时对励磁回路的要求与三相突然短路试验中的规定相同。

30、 2数据处理 (1)画出恢复电压波形的包络线(见图16 12)。 (2)将稳态电压U与恢复电压包络线之间的电压差值对时间的关系绘于半对数坐标纸上(见图1613)。此曲线为暂态电压分量U与次暂态电压分量U之和。将该曲线的直线部分延长，与纵坐标的交点即为暂态电压分量的初始值U0。曲线U十U与曲线U之间的差值即为次暂态电压分量U曲线，将其绘于同一坐标纸上，它与纵坐标轴的交点即是次暂态电压分量的初始值U0。 (3)纵轴暂态电抗Xd及纵轴次暂态电抗Xd的计算 Xd= () (1619) X”d= (1620)式中 Ik在断开短路前瞬间测得的定子电流，A； U稳态电压，V；U0、U00暂态电压分量与次暂态电压分量初始值，V。 (4)求取了Td0和Td0。 定子绕组开路时纵轴暂态时间常数Td0是暂态电压分量从初始值U0衰减到0.368U0时所需的时间。 定子绕组开路时纵轴次暂态时间常数Td0是次暂态电压分量从初始值U0衰减到O.368U0时所需的时间。 (5)计算Td和Td0 在求得Td0、