发电机的负序电抗测量法

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发电机的负序电抗测量法

发布时间：2019-04-15 17:06:04 ▏阅读：次

新闻主题	发电机的负序电抗测量法

摘要：测量同步发电机负序电抗的目的在于评估发电机对不平衡负载的耐受能力，并据此确定其长期允许的负序电流值，这直接关系到发电机的安全运行和寿命。负序电抗的测量方法通常包括两相稳态短路法和反向同步旋转法两种的成熟试验。无论采用哪种方法，都务必严格遵循JB/T 8445-1996《三相同步发电机负序电流承受能力试验方法》，这是确保测试规范性的重要前提。

一、基本概念

在同步发电机正向同步旋转，励磁绕组短接，定子绕组端头加上一组对称的负序电压，使定子绕组中流过负序电流时，同步发电机所表现的电抗就称为负序电抗。负序电抗的标么值大致为：柴油发电机负序电抗的平均值为0.155；装有阻尼绕组的发电机负序电抗的平均值为0.24；没有阻尼绕组的发电机负序电抗的平均值为0.42。

1、负序电抗的数值范围

当发电机定子绕组中流过负序基频电流时，该电流产生的负序旋转磁场与同步旋转磁场正好相反。因此，负序电流产生的负序旋转磁场同转子之间相对转速为二倍的同步转速。负序电抗的大小取决于负序旋转磁场所遇到的磁阻。由于发电机转子d轴、q轴的不对称性，负序磁场所遇到的磁阻也不相同，但是通常负序电抗的数值范围在Xa~Xq之间。

2、负序电抗的定义

由于在定子上既有一系列的偶次谐波（由i_ap生）。又有一系列的奇次谐波（由I₁_k-派生），因此负序电抗的准确定义应是定子绕组上的总的负序电压的有效值与定子绕组上总的负序电流的有效值之比，也即：

$X^{-} = \frac{V^{-}}{I^{-}}$

$$ $= \frac{{(V_{1 k^{-}})}^{2} + {(V_{2 k^{-}})}^{2} + {(V_{3 k^{-}})}^{2} + \dots}{{(I_{1 k^{-}})}^{2} + {(I_{2 k^{-}})}^{2} + {(I_{3 k^{-}})}^{2} + \dots}$

由于高次谐波尽管存在，但是数值很小，并且高次谐波的次数越高，其数值也就越小，况且不易测量，在工程上一般忽略不计。因此，负序电抗的定义为：

$X = \frac{发电机定子的基频负序电压 V_{{lk}^{-}}}{发电机定子的基频负序电流 I_{{lk}^{-}}}$ $= \frac{V_{{lk}^{-}}}{I_{{lk}^{- }}}$

二、测量负序电抗的目的

1、防止转子过热损坏

当系统出现不平衡（如单相负载、断线）时，定子电流中的负序分量会产生一个以同步转速反向旋转的磁场。这个磁场会在转子表面、槽楔、阻尼绕组等部件中感应出2倍工频（100Hz）的涡流，引起严重的局部过热。特别是大型汽轮发电机，其转子采用整体钢锻件，负序电流产生的涡流可能迅速导致转子护环、槽楔等部件高温损坏。测量负序电抗可以定量计算负序电流的影响，设定安全允许值，防止烧损。

2、为继电保护整定提供依据

发电机的不平衡保护（如负序过流保护）需要根据发电机的负序电抗值来整定。准确的负序电抗参数，能确保保护装置在发生不对称故障时可靠动作（切除故障），而在允许的不平衡负荷运行时可靠不误动。例如，反时限负序过流保护的动作特性就是基于发电机承受负序电流的能力（I₂^2 t常数）来设计的，而负序电抗是计算该能力的基础之一。

3、验证电机设计与制造工艺

负序电抗的实测值与设计值对比，可以检验：

（1）阻尼绕组设计是否有效（无阻尼绕组的凸极机负序电抗较大）。

（2）转子结构（如汽轮机的锻件材料、槽楔结构）能否有效抑制负序磁场。

（3）制造工艺（如转子拉杆、槽楔的接触电阻）是否良好。过大的负序电抗可能暗示转子存在缺陷，如阻尼条断裂或接触不良。

4、用于电力系统分析计算

在系统发生不对称短路（单相接地、两相短路）或分析非全相运行时，负序电抗是构成复合序网的关键参数。它直接影响：

（1）故障电流的计算精度。

（2）母线残压的评估。

（3）系统稳定性分析（负序电流产生的反向转矩会削弱发电机有效转矩）。

5、判断发电机负序电流承受能力

根据标准（如GB/T 7064、IEEE C50.13），发电机必须能承受一定的稳态负序电流（通常为额定电流的8%-10%）。通过测量负序电抗，结合损耗计算，可以判断发电机是否满足标准要求，特别是对老旧机组或改造后的机组进行性能校核。

6、辅助诊断转子故障

如果实测负序电抗与出厂值或同类型机组偏差超过10%-15%，往往提示：

（1）阻尼绕组有开焊、断裂。

（2）转子槽楔松动或接触不良。

（3）励磁绕组匝间短路（虽然主要用RSO或阻抗法测，但负序电抗变化也有参考意义）。

7、为调相运行或特殊工况提供数据

发电机在进相运行或作为调相机运行时，系统不平衡度可能增加。准确的负序电抗有助于评估转子在此类工况下的热承受能力。

三、负序电抗X₂的测量方法

1、两相稳定短路测量法

两相稳定短路接线如图1所示。先将定子绕组两相稳定短路，把被试发电机拖动到额定转速。调节励磁电流，使定子电流达到0.15IN左右，迅速测量两相短路电流Ik2、短路相与开路相之间的电压U以及对应于Ik2、U的功率O，则负序阻抗和负序电抗。用这种测试方法无需外部电源，故较为简单方便，且具有足够的精确度。但对于无阻尼的凸极同步发电机来说，由于不对称稳态短路时电压和电流的波形畸变较明显，需计及它们的影响。

（1）测量注意事项：由于负序电流导致转子发热，试验时短路电流应限制在0.15IN以内，试验时间不宜超过5min，如试验未完成。则应降低励磁电流，待发电机冷却一段时间后，方可重新进行试验。

（2）试验前检查：试验前须检查励磁机励磁变阻器是否在最大位置，合上励磁开关时的电压是否可能使发电机的短路电流超过0.15IN值。若超过0.15IN值，则须在励磁机励磁绕组回路中串接附加电阻。

2、反向同步旋转测定法

反向同步旋转试验接线如图2所示。

试验时转速要求准确地保持同步转速，如果被试发电机的剩磁电压超过电源电压值的30％，则试验前应将转子去磁。为了避免励磁绕组产生过高的电压，试验前应将转子绕组短路。然后将被试发电机拖到同步转速，并在定子绕组上外施额定频率、三相对称的低电压，外施电压相序应使定子磁场的旋转方向与转子的旋转方向相反。

调节外施电压，使定子电流为0.15IN左右，测取线电压U、线电流I和输入功率P0，负序电抗X₂按下式计算：

$X_{2} = \sqrt{Z_{2}^{2} - R_{2}^{2}}$ $X_{2 ⋆} = \sqrt{Z_{2 ⋆}^{2} - R_{2 ⋆}^{2}}$

式中 I——三相定子电流的平均值，A；

U——三相外施电压的平均值，V；

P——输入总功率，W。

3、用X"d、X"q计算X₂值

定子负序电流所建立的磁场，在转子回路里感应两倍额定频率的电流，因此负序电流磁场实际上是沿着相当于次暂态电抗的磁路而闭合。负序电抗X₂是随着时间在X"d和X"q之间变化着，因此在作简化分析时，就可近似地用纵轴和横轴超瞬变电抗的平均值来作为负序电抗X₂。

4、试验方法比较

用X"d、X"q计算X₂，简单安全，测量精度高，一次试验可获得两种参数，但需外施电源。两相稳定短路法，不需外部电源，较为简单，且具有足够的精确度，但对于无阻尼的凸极同步发电机，由于受同步磁场高次谐波的影响，易引起误差，故需进行校正。

发电机两相稳定短路试验接线图.png

图1 发电机两相稳定短路试验接线图

发电机反向同步旋转试验接线图.png

图2 发电机反向同步旋转试验接线图

总结：

测量发电机负序电抗就是为了给发电机“划红线”——确定它能承受多大、多久的不平衡电流，避免转子被负序电流烧坏。这是保障发电机安全运行、避免恶性事故的关键预防性试验之一。在实际工程中，如果发现某台发电机的负序电抗明显大于设计值（例如超过20%），通常需要立即检查转子阻尼系统、槽楔紧固情况，并严格限制其带不平衡负载运行。

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