康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	发电机次暂态和暂态参数测量

 

摘要：发电机参数尤其是暂态电抗及次暂态时间常数的辨识易受环境噪音及功角测量精度的影响，往往出现不同试验或重复试验辨识所得参数相差很大的情况。为提高同步发电机暂态及次暂态参数辨识精度，提出了一种基于轨迹灵敏度的同步发电机参数辨识方法。首先确定了基于轨迹灵敏度的辨识数据区间选取方法，将量测的发电机参数的轨迹灵敏度作为指标，根据该指标的衰减程度，选取暂态及次暂态参数信息含量较大的量测数据作为辨识数据，以提高相应参数的辨识精度。

 

一、基本概念

 

      暂态为在转子绕组起反作用时的在稳态以前的过渡状态；次暂态为有阻尼绕组的发电机在短路瞬间时状态。

1、次暂态电抗

X"_d、X"_q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X'_d、X'_q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。

2、衰减时间常数

      T_a是定子电流直流分量衰减时间常数。表征康明斯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。

3、纵轴暂态时间常数

      T'_d是定子绕组短路时纵轴暂态时间常数，表征康明斯发电机在额定转速和一定电压下运行，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。

4、纵轴次暂态时间常数

      T"_d是定子绕组短路时纵轴次暂态时间常数，表征康明斯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。

5、纵轴暂态时间常数

      T'_do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、三相突然短路法

 

      三相突然短路试验是测量发电机X'_d、X"_d、T'_d、T"_d及T_a等参数较好的方法。一般情况下，现场只需测定发电机参数的不饱和值，这时发电机应在额定转速n_N及空载定子电压U＝（1／4）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。

      发电机三相突然短路试验相关依据由于目前国内还没有出台针对发电机的产品标准，因此，只能在相关标准中寻找依据。根据GB 755―2000《旋转电机定额和性能》，结合GB/T1029―2005《三相同步电机试验方法》及GB/T 7064―2002《透平型同步发电机技术要求》标准，在结构及电磁、设计和计算的基础上，对发电机三相突然短路基本试验方法进行安全科学实验。

1、试验方法

（1）试验前准备

① 仔细检查被试电机的装配、安装质量是否良好。

② 短路开关的选用与调整。

      用作短路开关的接触器或油开关的额定容量应能足够承受电机的短路电流。试验前应对开关触头进行调整，以确保三相同时合闸。三相触头之间的合闸时间差不0.05周期。以内）即认为已达到要求。

③ 分流器与电流互感器的选用。

      短路电流的测量必须使用分流器或电流互感器，推荐采用无感分流器。所选用的分流器额定电流值应大于大可能的短路电流值。采用电流互感器时，应使短路电流的大幅值仍在互感器特性曲线的线性部分。分流器和电流互感器应接在短路开关与中性点之间，中性点必须可靠接地。

④ 示波器的调整。

      拍摄三相短路电流的三个振子应选用同一规格。正式拍摄前应拍录好三相电流标尺，调整好所有振子的零线位置，调整振子的偏移角度，使电流的波幅不振子允许的偏移角度及感光纸边缘。调整完毕后振子回路不应再有任何变动。

⑤ 被试发电机的励磁。

      被试发电机应由配套的直流励磁机励磁，直流励磁机必须为他励式。如果用其他直流电源供给励磁，应使励磁回路总电阻与原励磁回路电阻的数值相当，以免影响励磁回路的时间常数。

（2）试验接线

      发电机突然短路试验是为了考核发电机的抗短路故障能力，具体做法是在额定负载和1.05倍额定电压下运行时，应能承受出线端任何形式的突然短路而不发生导致立即停机的有害变形。试验时用外部方法将短路时相电流限制到不超过三相突然短路所产生的最大相电流值。除此之外，发电机突然短路试验还要考核承受短路时防爆安全性能的保持能力。三相突然短路试验接线原理图如图1所示。

（3）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（1／4）U_N作空载运行。

② 在短路前记录定子电压U和励磁电流I_E，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（A／mm）。

（4）试验要求

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0'之间。短路点0'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：

          

式中  U*——突然短路前空载定子电压标么值；

X"_d*——次暂态电抗的设计值或估计值（标么值）；

I_N——被试发电机的额定电流，A；

I_max——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2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。

 

图1  发电机三相突然短路试验接线原理图

图2  发电机三相突然短路电流波幅包络线

 

（2）将各相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2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（ΔI'_k）和次暂态分量（ΔI"_k）。

      从定子电流周期分量的变化曲线中减去稳态短路电流J_k∞，即得（ΔI'k十ΔI"k）电流曲线，将其绘于半对数坐标纸上（见图3），使（ΔI'_k十ΔI"_k）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ΔI'k0。

      在半对数坐标纸上，曲线（ΔI'_k十ΔI'_k）与直线ΔI'_k在同一瞬间的差值即为短路电流的次暂态分量ΔI"_k。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3），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ΔI"_k0。

 

图3  发电机三相突然短路次态和暂态电流变化曲线

 

（4）计算纵轴暂态电抗X'_d和次暂态电抗X"_d

      公式为：

式中，U——短路前定子线电压，V；

U_φN、I_φN——被试发电机的额定相电压、相电流，V、A；

I_k∞——稳态短路电流，A；

 ΔI'_k0、ΔI"_k0——暂态电流、次暂态电流初始值，A。

（5）确定时间常数T'd、T"d及Ta。

① 定子绕组短路时的纵轴暂态时间常数T'_d是定子电流暂态分量自初始值ΔI"_k0衰减到0.368ΔI'_k0时所需的时间。

② 定子绕组短路时的纵轴次暂态时间常数T"_d是定子电流次暂态分量自初始值ΔI"_k0。衰减到0.368ΔI"_k0时所需的时间。

③ 定子绕组短路时的非周期分量时间常数T_a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。

 

三、电压恢复法试验

 

1、试验方法

将三相定子绕组短路，再将被试发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0.7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（V／mm）。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。

2、数据处理

（1）电压波形

       画出恢复电压波形的包络线。瞬态恢复电压波形可以表现为振荡和非振荡的多种不同的形式。当电压波接近单频阻尼振荡波时，包络线由两个连续的线段组成。包络线应尽可能接近地反映瞬态恢复电压的实际形状。这里叙述的方法在大多数实际情况下可以足够近似地达到这一目的。下列方法用作绘制构成预期瞬态恢复电压曲线包络线的线段：

① 第一个线段通过原点O，与曲线相切而不与其相交。

      在曲线的起始部分凹面向左的情况下，切点经常是在第一峰值的附近（见图5，OA段）；如果象指数情况下那样，凹面向右情况下，则切点在原点（见图6，OA段）。

② 第二线段是在曲线最高峰值处与其相切的水平线（见图5和图6，AG段）。

③ 于是，得到了两参数包络线O、A、C。

图5 发电机恢复电压初始位置凹面向左的参考线图

图6 发电机恢复电压指数型TRV的参考线图

 

（2）电压恢复曲线

      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7）。此曲线为暂态电压分量ΔU'与次暂态电压分量ΔU"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ΔU"0。曲线ΔU'十ΔU"与曲线ΔU'之间的差值即为次暂态电压分量ΔU"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ΔU"₀。

（3）暂态电抗的计算公式

      纵轴暂态电抗X'_d及纵轴次暂态电抗X"_d的计算：

   

式中，I_k——在断开短路前瞬间测得的定子电流，A；

U∞——稳态电压，V；

ΔU'₀、ΔU"₀₀——暂态电压分量与次暂态电压分量初始值，V。

（4）求取时间常数

① 定子绕组开路时纵轴暂态时间常数T'_d0是暂态电压分量从初始值ΔU'₀衰减到0.368ΔU'₀时所需的时间。

② 定子绕组开路时纵轴次暂态时间常数T"_d0是次暂态电压分量从初始值ΔU"0衰减到O.368ΔU"₀时所需的时间。

      在求得T'_d0、T"_d0后，可按下列关系式求取定子绕组短路时的纵轴暂态时间常数T'_d及次暂态时间常数T"_d：

式中，X_d——直轴同步电抗的不饱和值，Ω。

（5）示波图

       在电压恢复法试验中，（U∞一ΔU'₀—ΔU"₀）、（U∞一ΔU'₀）以及两者的差值与稳态电压U∞相比都是较小的，因而在示波图加工及计算中容易引起误差。为此，有些文献建议，除了拍摄上述的电压恢复曲线外，用记录纸以较快的速度（不小于0.44m／s）再拍摄一张电压复曲线起始部分的示波图。示波图上的电压比例尺可如此选择，使短路被切断的初瞬，电压（U∞—ΔU'₀—ΔU"₀）的幅度约为振子光点允许偏转值的一半。由于稳态电压U∞超过（U∞—ΔU'₀一ΔU"₀）好几倍，因此振子光点在到达其允许的最大偏转度前，应通过继电器等装置将振子回路自动断开或用限幅器加以保护，以免损坏振子。

      在普通坐标纸上（或在直接拍摄的感光纸上）画出电压恢复曲线的波幅包络线，如图8所示。包络线与t＝O时的纵坐标相交于a点，oa＝U∞一ΔU'₀一ΔU"₀。将曲线尾部的直线部分延伸，使其与纵坐标轴相交于b点，ob＝U∞—ΔU'₀，于是可根据公式计算出X'_d及X"_d，并从图6中求得T"_d0。

 

图7 发电机电压恢复曲线图

图8  发电机电压恢复曲线起始部分

 

3、电压恢复法试验的优点

（1）试验过程中，发电机不会受到不正常的机械和电的冲击作用，因而允许重复进行数次试验。以获得可靠的结果；

（2）电压恢复法不需要种类繁多的辅助设备，如无感分流器等，因此现场容易进行；

（3）通常只需拍摄一个线电压的恢复曲线，示波图的加工量较小。

4、电压恢复法的缺点

① 不能求出三相突然短路电流非周期分量的时间常数Ta；

② 由换算来确定时间常数T'd及T"d的准确性较差。

 

总结：

      发电机试验是评估发电机电气性能的重要方法。通过电压恢复法和三相突然短路法试验，可以获得发电机的电抗及时间常数等参数，从而评估发电机的电阻、电抗、电导等性能指标。交流同步发电机试验的目的是评估发电机的电气性能、识别故障和缺陷、评估负荷能力以及优化运行参数。通过合理的试验方法和分析，可以保证发电机的正常运行，提高柴油发电机组的可靠性和稳定性。

 

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