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交流发电机的同步电抗测量 |
摘要：同步发电机在稳定同步转速运行时，正序电流产生的电枢反应磁通与定子绕组漏磁通所确定的定位绕组的电抗，称为同步电抗。简单来说也就是发电机在q轴方向上的电抗值，它由电感和电容组成。其中，测量同步电抗的方法有空载和短路特性曲线法；用反向励磁法求取同步电抗法；用低电压低转差法测量纵、横轴同步电抗法。其试验目的是为求出发电机的主要电抗值，包括直轴与交轴同步电抗、直轴与交轴瞬态电抗、直轴与交轴次瞬态电抗、负序电抗、零序电抗、定子漏电抗等数据。由于q轴同步电抗对发电机的稳定性和运行性能有重要影响，可以通过增加线圈匝数和优化绝缘介质来提高，因此，发电机的q轴同步电抗值的测量对于发电机的设计和运行具有重要意义。
一、电抗基本概念
发电机q轴同步电抗是指发电机在运行过程中，q轴方向上的电抗值。在电力系统中，发电机是一种将机械能转化为电能的设备。它通过旋转磁场的方式产生电能，其中q轴是指与旋转磁场垂直的轴线。发电机的q轴同步电抗是发电机在q轴方向上的电抗值。电抗是指电路中对交流电流产生阻碍作用的元件，它由电感和电容两部分组成。
1、电抗构成
在发电机中，q轴同步电抗主要由电感和电容组成。
（1）电感
电感是一种储存电能的元件，它通过电流在线圈中产生磁场，从而储存电能。在发电机中，电感主要由发电机的定子线圈和转子线圈组成。定子线圈是固定不动的线圈，而转子线圈则随着转子的旋转而旋转。这两个线圈之间的相对运动产生了电感。
（2）电容
电容是一种储存电能的元件，它由两个导体之间的绝缘介质隔开。在发电机中，电容主要由定子和转子之间的绝缘介质组成。当电压施加在电容上时，正负电荷会在导体上积累，从而储存电能。
发电机的q轴同步电抗对电力系统的稳定性和运行性能有重要影响。较大的q轴同步电抗可以提高发电机的稳定性，减小电力系统的振荡。同时，q轴同步电抗还可以影响发电机的响应速度和功率因数。为了提高发电机的q轴同步电抗，可以采取一些措施。例如，可以增加发电机的定子线圈和转子线圈的匝数，从而增加电感的值。此外，还可以优化绝缘介质的选择和设计，以增加电容的值。
2、各电抗间的关系
同步发电机的各种电抗间关系通常包括：
（1） 电机电抗：指同步发电机转子电感和转子电容构成的电机电抗，它的值取决于转子结构和工作频率。
（2）定子电抗：指同步发电机定子线圈电感和定子线圈电容构成的电抗，它的值取决于线圈结构、磁导率和工作频率。
（3） 均压线圈电抗：同步发电机还可以增加均压线圈来平衡电压，这些线圈产生的电感和电容也构成了一定的电抗。
（4）同轴电抗：由于同步发电机的内部结构，同轴电抗也会存在且对电机的性能有一定影响。
二、同步电抗的计算公式
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1），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1b）。
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
Xd＝Xad十Xs....................................（16—3)
Xq=Xaq十Xs.................................... （16—4)
式中 Xad——定子绕组纵轴电枢反应电抗，Ω；
Xaq——定子绕组横轴电枢反应电抗，Ω；
Xs——定子绕组漏电抗，Ω。
凸极发电机的Xad＞Xaq，因而Xd＞Xq，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，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。
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图1 发电机同步电抗磁通分布图 |
图2 发电机电枢磁场的直轴分量和交轴分量 |
二、同步电抗的测量方法
1、空载、短路特性试验
（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3中空载曲线和短路曲线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2中的空载特性曲线直线部分的延长。同步电抗便是在有固定励磁电流时，空载特性曲线直线部分的延长与短路特性曲线的坐标之比，即
Xd = U0 /ⅠN
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
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 =ⅠE0 /ⅠEK =Ⅰ/ Xd
短路比是同步发电机的一个重要参数。
（2）注意事项
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4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ΔⅠE，将曲线1沿横轴方向水平右移ΔⅠE，即在所有试验测得的励磁电流数值上加上ΔⅠE，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ΔⅠE即可）。
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图3 发电机空载和短路特性曲线图 |
图4 发电机空载特性校正 |
2、小转差法
（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流低压电源（额定电压3kV以上的发电机，一般应接入220～550V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Xd≈Xq，所以测量中Umax≈Umin，Ⅰmax≈Ⅰmin。凸极式同步发电机中，因为Xd＞Xq，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 = Umax /Ⅰmin
用小转差法测量Xd、Xq的试验接线如图5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2％UN～15％UN）；
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6）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。
（3）参数Xd、Xq的计算
当转子电压为零和最大时，由图5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 = Umax / √3Ⅰmin
Xd = Umax* / Ⅰmin*
Xq= Umax / √3Ⅰmin
Xq = Umax* / Ⅰmin*
在所摄录的波形图（即图6）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2％～5％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。 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5～8V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。
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图4 发电机同步电抗试验接线图 |
图5 发电机定子电压电流和转子电压的波形图 |
3、闪光灯法
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δ0，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δl，同时测量定子线电压U、定子电流I和功率因数角φ，则纵轴同步电抗饱和值可按下式计算
上述移相器前后两次测量角度差（δ1-δ0）就是发电机在额定工况下的功角。
4、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。
（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δ和功率因数角φ，试验比较复杂，其测量结果的精度也受δ和φ角测量准确度的影响。
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