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新闻主题	发电机的灭磁时间常数测定

 

摘要：一般情况下，发电机组厂家技术资料中给出的励磁绕组时间常数通常是指短路时间常数，它比实际灭磁时间常数要大，而灭磁系统性能试验所测定的是接入灭磁电阻后的实际发电机灭磁时间常数。该实验对同步发电机具有多方面的重要意义，它不仅是评估灭磁系统性能的核心指标，更是保障发电机安全、系统稳定及保护配合的关键环节。

一、灭磁时间常数的定义和测量目的

 

      同步发电机在运行中，如发生突然短路或断路器跳闸甩负荷后，即进入暂态过程。此时定子电压、电流都按一定的规律变化。反应定子电压和电流的转子回路磁链也将按同一规律变化。通过发电机灭磁时间常数试验可以来研究和分析这种暂态变化规律，可以求取励磁绕组的时间常数和阻尼绕组的时间常数，试验方法比较简单易行。由于发电机各绕组都不是孤立存在的，相互间有互感，在确定时间常数时应采用考虑了互感影响后的有效电感。

1、灭磁时间常数的定义

      当灭磁回路的总电阻（包括转子绕组自身电阻和灭磁电阻）为恒值时，转子电流从初始值开始，按指数规律衰减到其初始值的36.8%（即1/e）时所需要的时间。

（1）直接定义：指发电机转子励磁绕组的时间常数 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\prime </span>}}$。在灭磁过程中，它决定了磁场能量耗散的固有速度。

（2）物理意义：这个常数 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}$ 等于转子绕组的电感 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">L</span>}$ 除以灭磁回路的总电阻 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}$（即 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">L</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">/</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}$）。$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}$R越大，灭磁越快，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}$ 就越小。

2、灭磁时间常数的测量目的

      测定发电机的灭磁时间常数，主要目的是评估灭磁系统的性能，确保发电机在故障或停机时能快速、安全地消除磁场，从而保障设备与电网安全。简单来说，测定该常数就是检验灭磁系统的“刹车”性能是否合格。

（1）校验灭磁能力：确认灭磁系统能否在允许时间内将转子磁场能量耗散，防止转子绕组因过热而损坏。

（2）确保继电保护配合：为保护装置的动作时序提供依据。灭磁快慢会影响短路电流衰减速度，进而影响保护定值整定。

（3）判断灭磁开关与非线性电阻状态：通过实测时间常数与设计值对比，可判断灭磁开关触头是否烧蚀、非线性电阻（如SiC、ZnO）特性是否劣化。

（4）评估对电网稳定的影响：快速灭磁能减小发电机内电势衰减时间，有利于系统暂态稳定和电压恢复。

（5）指导运行与检修：作为预防性试验项目，若发现时间常数显著增大，提示需要检修或更换灭磁部件。

 

二、灭磁概念与计算公式

 

      在转子绕组切换至灭磁电阻的瞬间，根据磁链守恒原理，转子绕组中流过的电流等于原始状态（即灭磁前瞬间）时绕组中的电流I_E0。如果忽略发电机磁路饱和的影响，并在无阻尼绕组的条件下，此电流将按指数函数规律衰减至零，即

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span><span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">e</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}}$$​
      式中，T——灭磁时间常数；I_E0——在原始状态时转子绕组中的电流，A。

      转子绕组的灭磁过程对应于定子绕组是开路还是短路可分为两种情况，定子绕组开路时的灭磁时间常数T'₀为

T’₀ = L_E / R_E + R_M = T_E0 （R_E / R_E + R_M）

      式中  T_E0——转子绕组本身的时间常数；R_E——转子绕组的直流电阻，Ω；R_M——灭磁电阻，Ω；L_E——转子绕组本身的自电感，H。

      而T_E0 = L_E / R_E

      定子绕组短路时的灭磁时间常数T'_k为

 

T'_k = L_EK /  R_E + R_M

      式中的L_EK可根据图2中X_EK的等值电路图求得。

      图1和图2为定子绕组开路和短路条件下灭磁时间常数试验时从转子绕组看进去的电抗等值回路。

图1 发电机定子绕组电抗XE0等值回路图

图2 发电机定子绕组电抗XEK等值回路图

 

 

      根据图1和图2可得以下关系式

X_E0＝X_ad十X_Eσ

X_EK＝X_2σ十X_σ • X_ad／（X_σ十X_ad）

 

      式中，X_σ——定子绕组漏电抗；X_Eσ——转子绕组漏电抗；X_ad——纵轴电枢反应电抗

      根据发电机理论，发电机的纵轴同步电抗为X_d＝X_σ十X_ad，而发电机的暂态电抗为X'_d＝X_σ十X_Eσ • X_ad／（X_Eσ十X_ad），于是可得到

X_EK=X_E0（X'_d / X_d）

      由此可得

T'_k =  T'₀ （X'_d / X_d）

      从式得到，定子绕组开路时的灭磁时间常数比定子绕组短路时的灭磁时间常数要长。

      在灭磁后，定子电压和定子电流也将按转子电流一样的规律衰减。

1、在定子绕组开路的灭磁时间常数试验时

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\tau </span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span><span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\tau </span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">e</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\tau </span>}}$$

      式中，U₀——灭磁试验开始时的定子电压，V；U_r——灭磁试验结束后的定子残压，V。

      当 t＝T'₀ 时

U_{（t-T’0）}=（U₀-U_r）e¹+U_r

       由于定子残压Ur一般很小，可以忽略不计，所以

  U_（t-T'0）＝U_0e^-1＝0.368U

      因此，定子绕组开路灭磁时间常数T'₀就等于发电机开路灭磁时，其定子电压从其起始值U₀降到0.368U₀时所需的时间。

2、定子绕组短路灭磁时间常数试验时$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">z</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span><span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">z</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">e</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">l</span>}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">z</span>}}$$

      式中，I₀——灭磁试验开始时的定子电流，A；I_r——灭磁试验结束时的定子电流，A。

      当t＝T'k时

Ⅰ_（t=T'k）＝（Ⅰ₀—Ⅰ_r）e^-1+Ⅰ_r

       忽略定子绕组残流时可得

Ⅰ_（t-T'k）＝Ⅰ₀℮^-1＝0.368Ⅰ₀

      因此，定子绕组短路灭磁时间常数T'_k就等于发电机短路灭磁时，其定子电流从起始值衰减到0.368倍所需的时间。

      如果发电机有阻尼绕组，将使磁场的衰减变慢，灭磁时间常数相应变大，具体的理论和数学分析比较复杂，这里不再赘述。但从试验来求取灭磁时间常数的方法是一样的。

      转子绕组上电压的衰减也具有同样的规律，即

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">j</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span><span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\times </span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">M</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">e</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}}$$

      由此可见，转子绕子上电压的最大值出现在灭磁开始瞬间，即为

U_EM = Ⅰ_E0 × R_E = U_E0（R_M / R_E）

U_E0 = Ⅰ_E0 × R_E

      式中, R_E——转子绕组直流电阻。

      此电压与灭磁电阻成正比，并等于灭磁前转子电压的R_M／R_E倍。灭磁电阻越大，转子绕组上的过电压越高，但过电压的衰减也越快。实际上的过电压比理论计算值小，因为自动灭磁开关触头之间产生的电弧限制了过电压的升高。经验证明，灭磁电阻的大小应为热状态转子绕组电阻的4～5倍。在现场可采用双臂电桥来测量其直流电阻。

 

三、灭磁时间常数测量

 

      测量灭磁时间常数一般与发电机空载、短路特性试验一起进行，可采用光线示波器或其他数字式录波装置进行测量。

1、定子绕组开路灭磁时间常数测量

（1）在发电机空载特性试验时，将定子电压、励磁电流和励磁电压等信号接入光线示波器。

（2）发电机空载试验结束，将定子电压保持在额定值，并记录定子电压，励磁电流和励磁电流稳态值作为基准。

（3）先磨动光线示波器，随后跳开灭磁开关，录取发电机定子电压、励磁电压和励磁电流的衰减波形。

（4）测量结束，可从示波图上量得定子绕组灭磁时间常数。具体就是确定定子电压从U_N衰减到0.368U_N所需的时间。

2、定子绕组短路灭磁常数测量

（1）在发电机短路试验时，将定子电流、励磁电流和励磁电压等信号接人光线示波器。

（2）发电机短路试验结束后，将定子电流保持在额定值，并记录定子电流、励磁电流和励磁电压稳态值作为基准。

（3）先启动光线示波器，随后跳开灭磁开关，录取发电机定子电流、励磁电流和励磁电压的衰减波形。

（4）测量结束可从示波图上量得定子绕组短路灭磁时间常数。具体就是确定定子电流从Ⅰ_N衰减到0.368Ⅰ_N所需的时间。

3、机端三相金属性短路

      负载额定下三相机端短路。当发电电动机运行在额定负载工况时，机端突然三相短路，由于为自并励励磁系统，故阳极电压也突然为0，然后延时0.1秒跳负荷开关（短路点在负荷开关内侧），同时联跳灭磁开关进行灭磁。

4、试验记录的整理

      在录取电压（电流）衰减波形后，可以用作图法来求取时间常数。按定子电压（或电流）的额定值作为基准，量取各时间间隔的定子电压（电流）值，将这些点画在坐标纸上，可得到一衰减曲线，如图4。

      在纵坐标上取0.368U_N（或0.368I_N）得到C点，过C点作平行于横坐标的直线，与所画曲线相交于A点，再经A点作垂线，与横坐标相交于B点，则OB所代表的时间就是所求的灭磁时间常数T₀（或T_K0）。

 

图3 三相交流发电机机端短路灭磁曲线图

图4 发电机定子绕组开路灭磁电压衰减曲线图

 

总结：

发电机的灭磁时间常数是描述发电机转子磁场（励磁绕组）在灭磁过程中电流衰减快慢的核心参数。而测定灭磁时间常数是对发电机“紧急制动系统”（灭磁系统）的一次效能检验，旨在确保故障时能“刹得住、烧不坏、稳得住、配得准”，是保障发电机本体安全、电网稳定运行以及保护正确配合不可或缺的预防性试验项目。

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