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发电机突然短路试验的步骤和计算公式 |
摘要：康明斯公司在本文说明短路试验的基本概念，也就是在发电机出口处人为制造短路，然后测量相关参数。接下来，作用有哪些呢？比如验证保护装置的动作是否正常，测试发电机在短路状态下的耐受能力，还有确定一些电气参数，比如短路电流、阻抗等。在突然短路试验中，应根据三相同步发电机突然短路的数学公式分析，观察突然短路时定子绕组以及励磁绕组的瞬间电流。试验时，首先调节同步电机输出电压等于额定电压380V，并记录此时发电机的转速、电压、定子电流、励磁电流以及校正直流测功机的电枢电流。
一、试验目的
通过下述这些分析，可以全面评估发电机在短路条件下的性能，确保其在实际运行中的安全性和可靠性。
1、短路电流分析
（1）峰值电流：记录短路瞬间的最大电流值，评估其是否在设计允许范围内。
（2）稳态电流：测量短路后的稳态电流，判断是否符合预期。
2、电压响应
（1）电压跌落：观察短路时电压的下降幅度，确认是否在可接受范围内。
（2）恢复时间：记录电压恢复到正常水平的时间，评估系统的恢复能力。
3、机械应力
（1）机械冲击：检查短路对发电机机械结构的冲击，确保没有损坏。
（2）振动分析：评估短路引起的振动是否在安全范围内。
4、热效应
（1）温升：测量短路期间的温度变化，确保未超过允许值。
（2）热稳定性：评估发电机在短路后的热稳定性，确认无过热或损坏。
5、保护系统性能
（1）保护装置动作：检查保护装置是否及时动作，确保其可靠性。
（2）动作时间：记录保护装置的动作时间，评估其响应速度。
6、绝缘性能
（1）绝缘检查：试验后检查绝缘系统，确认无击穿或损坏。
（2）绝缘电阻：测量绝缘电阻，确保符合标准。
7、系统稳定性
稳定性评估：评估短路对系统稳定性的影响，确保系统能快速恢复。
8、结论与建议
（1）试验结果：总结试验结果，确认发电机在短路条件下的表现。
（2）改进建议：如有问题，提出改进建议，如调整保护装置或优化设计。
9、安全评估
安全性确认：确认试验过程中无安全隐患，设备运行安全。
10、合规性
标准符合性：确认试验结果符合相关标准和规范。
二、试验条件
发电机突然短路试验是评估发电机在短路故障下的暂态性能、电气参数和机械强度的关键测试。为确保试验的有效性和安全性，需满足以下条件：
1、安全条件
（1）设备状态检查：
① 发电机机械结构（转子、定子、轴承）完好，无松动或损伤。
② 冷却系统（水冷/空冷）正常运行，防止过热。
③ 短路点（如短路开关或铜排）连接可靠，避免电弧或接触不良。
（2）人员防护：
① 试验区域设置隔离措施，禁止无关人员进入。
② 操作人员穿戴绝缘防护装备，熟悉应急预案（如紧急停机流程）。
2、电气条件
（1）运行状态：
① 发电机处于额定工况：额定电压、频率、转速及励磁电流。
② 短路类型按需选择：三相短路（最严苛）、两相短路或单相接地短路。
（2）短路时间控制：
持续时间通常为几秒至几十秒，需精确控制（通过快速断路器或短路开关），防止绕组过热或绝缘损坏。
（3）励磁系统：
保持励磁系统稳定，确保短路瞬间励磁电流可控。
3、测量与监控条件
（1）关键参数监测：
① 使用电流互感器（CT）和电压互感器（PT）实时采集电流、电压波形。
② 高速记录仪或暂态录波器记录短路瞬间的电流峰值（如瞬态短路电流′′I′′、稳态短路电流Ik）。
（2）附加监测项：
① 温度监测：红外测温仪或埋置式传感器监测绕组、铁芯温度。
② 振动监测：加速度传感器检测转子振动是否异常。
③ 磁场监测：记录励磁电流和磁场变化，分析动态响应。
4、试验前准备
（1）试验方案：
① 明确试验目的（如验证设计参数、校验保护装置动作时间）。
② 制定详细步骤，包括短路触发方式（如远程控制）、数据采集点及安全联锁逻辑。
（2）系统隔离：
① 断开与电网的连接（若为独立试验），避免对电网造成冲击。
② 确认保护装置（如差动保护、过流保护）已暂时屏蔽或调整定值，防止误动作。
（3）环境要求：
① 试验场地通风良好，避免有害气体或粉尘聚集。
② 清除易燃物，配备灭火设备。
5、特殊注意事项
（1）机械应力评估：
短路时巨大的电磁力可能导致定子绕组变形或转子位移，需提前评估结构强度。
（2）绝缘耐受能力：
检查绕组绝缘状态（如介损试验、局部放电测试），确保能承受短路冲击。
（3）仿真验证：
通过电磁暂态仿真（如EMTP、PSCAD）预测短路电流和暂态响应，优化试验方案。
6、合规性要求
（1）标准依据：
遵循国际/国家标准（如IEC 60034、GB/T 755）或行业规范。
（2）审批流程：
获得企业安全部门或监管机构批准，确保试验符合安全规程。
（3）试验后检查
① 立即检查发电机绕组、连接件、绝缘等是否存在损伤。
② 分析试验数据，验证短路电流衰减特性、时间常数等参数是否符合设计要求。
三、试验步骤
短路试验前，柴油发电机组空载运行。将转速调整到额定值，电压调整到技术条件规定的数值，无规定时，按额定电压的95％调整。
1、试验设备、试验方法和注意事项
（1）试验前，须仔细检查被试发电机装配和安装质量，如电枢绕组端部绑扎是否牢固、转子紧固螺钉是否旋紧、发电机与安装基础是否可靠等。另外，还应测量发电机绕组对机壳和相互间（可能时）的绝缘电阻并应合格，测试示意图如图1所示。
（2）用于短路的开关一般使用三相交流接触器，其额定电流应在被试发电机额定电枢电流的2倍以上，并由远程电路控制。短路开关与发电机出线端的连接引线应尽可能短，并有足够的截面积（接线如图2所示）。各连接点不允许存在松动或接触不良现象。另外，要求三对触点合、断时的时间差不应大于15°（电角度）。
（3）为了确保试验人员的安全，在进行短路试验时，不允许任何人留在被试发电机、短路开关及引线附近。
（4）试验时，被试发电机应经过运行，达到或接近热状态。
（5）如无其他规定，断路前，被试发电机处在空载而励磁（应为他励）相应于1.05倍额定电压的运行状态。短路开关突然合上，历时3s后打开。
2、测取三相短路电流的有关要求
（1）在有要求时，应测取短路时的电枢电流。此时，应事先在电枢绕组与短路开关的接线中串联电流互感器或分流器（建议采用后者），它们采集的短路电流信号输人给多线录波器或专用记录装置。
（2）试验前，应将录波器或专用记录装置的记录波形进行电流比例的调定，使短路时的三相电流波形处于较合适的幅度和位置。记录短路电流波形的过程中，要考虑三相开关的延时性，并严禁发电机励磁电流回路跳闸。通过量取记录的短路电流波形幅值，与试验前定标的波形相比较，得出三相短路电流值。突然短路试验后，被试发电机应不产生有害变形，并能承受正常的耐电压试验。
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图1 测量发电机绕组绝缘电阻测量原理图 |
图2 发电机突然短路实验接线图 |
四、计算数据
根据电机学可知定子电流一般应为周期分量、非周期分量和2次谐波等三个分量之和。若忽略2次谐波，则有：
根据上述相电流的表达式，可以确定瞬变分量电流、超瞬变分量电流以及非周期分量电流的分离方法和步骤如下：
1、画出突然短路的电流波形图
三相同步发电机在空载额定电压下三相同步发电机突然短路时定子绕组的电流波形。
2、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3所示。如果起始几个电流波峰之间的时间间隔不相等，则应按实际量得的时间间隔绘制。
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图3 突然短路的电流波形图 |
图4 发电机突然短路电枢电流波形图 |
3、将各项电流的周期分量与非周期分量分开
两瞬时包络线的距离的中点的连线（即图3中虚线所示），为非周期分量电流衰减曲线。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，再求出三相电流周期分量的平均值。
在同步电机的定子短路电流中由于含有非周期分量，致使短路后第一周期内出现很大的电流瞬时值。非周期电流越大，最大瞬时值也越大，其最大电流波形如图5所示。短路电流最大可能的瞬时值，称为短路冲击电流，它是验算电力设备承受最大电动力的重要数据。
4、瞬变分量（△i‘K）和超瞬变分量（△i‘‘K）
如图6所示，从电枢电流周期分量中减去稳态短路电流IK（∞），即得电流曲线（△i‘K+△i‘‘K），将其绘于半对数坐标纸上，将（△i‘K+△i‘‘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瞬变分量的初始值△i‘K(0)。在半对数坐标纸上，曲线（△i‘K+△i‘‘K）与直线△i‘K在同一瞬间的差值即为短路电流的超瞬变分量△i‘‘K。把超瞬变电流分量与时间的关系也画在半对数坐标纸上，并将其延伸到纵坐标轴，则交点即为超瞬变分量电流的起始值△i‘‘K(0)。
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图5 发电机非周期分量最大时的短路电流波形 |
图6 发电机瞬变分量分析图 |
5、确定时间常数T'd、T"d及Ta
（1）电枢绕组短路时的直轴瞬变时间常数T'd是电枢电流瞬变周期分量自初始值△i‘K(0)衰减到0.368△i‘K(0)时所需要的时间。
（2）电枢绕组短路时的直轴超瞬变时间常数T"d是电枢电流超瞬变分量自初始值△i‘‘K(0)衰减到0.368△i‘‘K(0)时所需要的时间。
（3）电枢绕组短路时的非周期分量时间常数Ta是电枢电流非周期分量Ia1自初始值衰减到0.368初始值时所需的时间。
总结：
发电机突然短路试验的目的主要在于掌握超导体闭合回路磁链守恒原则；熟悉三相突然短路的物理分析，短路电流及时间常数的计算。同时需要了解瞬变电抗和超瞬变电抗及其测定方法，观察三相同步发电机在空载状态下突然短路时定子绕组以及励磁绕组通过的瞬间电流波形。通过测定突然短路电流，来检查保护装置（主要是具有过流保护的发电机输出用空气开关）动作的可靠性。在试验工程中，要严格满足本文所述条件，可确保发电机突然短路试验安全、准确地验证设备在极端故障下的性能，为设备设计和保护策略提供关键数据支撑。
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