發(fā)電機(jī)的同步電抗檢測(cè)

摘要：同步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定同步速度運(yùn)行時(shí)，正序電流發(fā)生的電樞反應(yīng)磁通與定子繞組漏磁通所確定的定位繞組的電抗，稱為同步電抗。簡(jiǎn)易來(lái)說(shuō)檢測(cè)同步電抗的方法有空載和短路特性曲線法；用反向勵(lì)磁法求取同步電抗法；用低電壓低轉(zhuǎn)差法檢測(cè)縱、橫軸同步電抗法。其試驗(yàn)?zāi)康氖菫榍蟪霭l(fā)電機(jī)的具體電抗值，包括直軸與交軸同步電抗、直軸與交軸瞬間電抗、直軸與交軸次瞬間電抗、負(fù)序電抗、零序電抗、定子漏電抗等參數(shù)。由于q軸同步電抗對(duì)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和運(yùn)轉(zhuǎn)性能有重要影響，可以通過(guò)增加線圈匝數(shù)和優(yōu)化絕緣介質(zhì)來(lái)提升，因此，發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗值的測(cè)定對(duì)于發(fā)電機(jī)的規(guī)劃和運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。

      發(fā)電機(jī)q軸同步電抗是指發(fā)電機(jī)在運(yùn)行程序中，q軸方向上的電抗值。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝備。它通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方式發(fā)生電能，其中q軸是指與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)垂直的軸線。發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗是發(fā)電機(jī)在q軸方向上的電抗值。電抗是指電路中對(duì)交流電流發(fā)生阻礙功能的元件，它由電感和電容兩部分構(gòu)造。

      在發(fā)電機(jī)中，q軸同步電抗主要由電感和電容構(gòu)成。

電感是一種儲(chǔ)存電能的元件，它通過(guò)電流在線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而儲(chǔ)存電能。在發(fā)電機(jī)中，電感主要由發(fā)電機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈構(gòu)成。定子線圈是固定不動(dòng)的線圈，而轉(zhuǎn)子線圈則隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了電感。

電容是一種儲(chǔ)存電能的元件，它由兩個(gè)導(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)隔開(kāi)。在發(fā)電機(jī)中，電容具體由定子和轉(zhuǎn)子之間的絕緣介質(zhì)構(gòu)成。當(dāng)電壓施加在電容上時(shí)，正負(fù)電荷會(huì)在導(dǎo)體上積累，從而儲(chǔ)存電能。

      發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗對(duì)電力裝置的穩(wěn)定性和運(yùn)轉(zhuǎn)性能有重要影響。較大的q軸同步電抗可以提高發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性，減少電力裝置的振蕩。同時(shí)，q軸同步電抗還可以危害發(fā)電機(jī)的響應(yīng)速度和容量因數(shù)。為了提升發(fā)電機(jī)的q軸同步電抗，可以采取一些方法。例如，可以增加發(fā)電機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈的匝數(shù)，從而增加電感的值。此外，還可以優(yōu)化絕緣介質(zhì)的選定和設(shè)計(jì)，以增加電容的值。

（1） 電機(jī)電抗：指同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電感和轉(zhuǎn)子電容組成的電機(jī)電抗，它的值取決于轉(zhuǎn)子構(gòu)造和作業(yè)頻率。

（2）定子電抗：指同步發(fā)電機(jī)定子線圈電感和定子線圈電容組成的電抗，它的值取決于線圈構(gòu)造、磁導(dǎo)率和工作頻率。

（3） 均壓線圈電抗：同步發(fā)電機(jī)還可以增加均壓線圈來(lái)平衡電壓，這些線圈發(fā)生的電感和電容也組成了一定的電抗。

      同步電抗是同步發(fā)電機(jī)的重要數(shù)據(jù)。以同步旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)定子繞組的穩(wěn)態(tài)磁鏈所決定的電抗叫做同步電抗（Xd和Xq）。其中縱軸同步電抗Xd是相當(dāng)于由定子電流所建立的磁場(chǎng)和發(fā)電機(jī)磁極軸線），橫軸同步電抗Xq是相當(dāng)于定子電流所建立的磁場(chǎng)垂直磁極軸線b）。

      定子繞組的全部磁鏈?zhǔn)怯陕┐沛満碗姌蟹磻?yīng)磁鏈所組成，因此可以認(rèn)為同步電抗等于定子漏電抗和電樞反應(yīng)電抗之和。

      定子漏電抗和轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)，對(duì)縱、橫軸向來(lái)說(shuō)，漏電抗是相等的，因此

      Xaq——定子繞組橫軸電樞反應(yīng)電抗，Ω；

      Xs——定子繞組漏電抗，Ω。

    凸極發(fā)電機(jī)的Xad＞Xaq，因而Xd＞Xq，隱極發(fā)電機(jī)Xad=Xaq，因而Xd=Xq。

    同步電抗的數(shù)值受發(fā)電機(jī)主磁通飽和的影響較大，一般可認(rèn)為漏電抗是恒定不變的，飽和引起同步電抗的變化主要是對(duì)電摳反應(yīng)電抗的影響。對(duì)凸極發(fā)電機(jī)，由于在縱軸方向上磁通具體沿著由鐵磁材料構(gòu)造的磁路而閉合，而橫軸磁通的很大一部分是通過(guò)空氣隙而閉合，故而飽和對(duì)縱軸同步電抗的危害較大，而對(duì)橫軸同步電抗的危害較小。 發(fā)電機(jī)電樞磁場(chǎng)的直軸分量和交軸分量如圖2所示。

    對(duì)隱極發(fā)電機(jī)縱軸和橫軸同步電抗的影響程度是相同的。

      在測(cè)取空載特性時(shí)，因?yàn)榇怕返娘柡同F(xiàn)狀，當(dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí)，空載特點(diǎn)曲線將向下彎曲。在測(cè)取短路特性時(shí)，磁路始終處于不飽和狀態(tài)，因此圖3中空載曲線和短路曲線所對(duì)應(yīng)的飽和狀態(tài)不同。為了求得同步電抗的不飽和值，可將空載特征的直線中的空載特點(diǎn)曲線直線部分的延遲。同步電抗便是在有固定勵(lì)磁電流時(shí)，空載特點(diǎn)曲線直線部分的增長(zhǎng)與短路特征曲線的坐標(biāo)之比，即

      這樣測(cè)得的同步電抗稱為不飽和同步電抗。不論在橫坐標(biāo)上選用哪一點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，所求得的不飽和同步電抗均為恒值。

      ⅠE0——對(duì)應(yīng)定子額定電壓從空載特征曲線直線部分延長(zhǎng)線上確定的勵(lì)磁電流；

      UN、ⅠN——定子額定電壓、定子額定電流。

    同步電抗與短路比有一定的關(guān)系。短路比是在空載時(shí)使空載電勢(shì)為額定值時(shí)的勵(lì)磁電流與短路時(shí)使短路電流為額定值時(shí)的勵(lì)磁電流之比，用K代表。當(dāng)磁路不飽和時(shí)

    短路比是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。

      發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極的剩磁，在定子繞組上感應(yīng)的電壓稱為殘壓。若此電壓較高時(shí)，會(huì)使空載特征曲線不通過(guò)坐標(biāo)的原點(diǎn)，而與縱坐標(biāo)相交。此時(shí)，應(yīng)將空載特點(diǎn)曲線所示。將空載特性曲線的直線部分延遲交橫坐標(biāo)于K點(diǎn)，KO的絕對(duì)值即為調(diào)校量ΔⅠE，將曲線沿橫軸方向水平右移ΔⅠE，即在所有試驗(yàn)測(cè)得的勵(lì)磁電流數(shù)值上加上ΔⅠE，就得到通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O的校正曲線（實(shí)際作圖時(shí)可將縱坐標(biāo)往左移ΔⅠE即可）。

    小轉(zhuǎn)差法是勵(lì)磁繞組開(kāi)路，轉(zhuǎn)子以接近同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（其轉(zhuǎn)差率小于1％），在定子繞組上施加三相對(duì)稱交流低壓電源（額定電壓3kV以上的發(fā)電機(jī)，通常應(yīng)接入220～550V的電源）。此時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)子構(gòu)成不對(duì)稱，電抗在縱軸，與橫軸之間周期地變化，定子電流的較大與較小值基本上是在定子磁鏈與相應(yīng)的縱、橫軸向相重合時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子滑差極小時(shí)，認(rèn)為定子電流是由同步電抗Xd和Xq

d≈Xq，于是檢測(cè)中Umax≈Umin，Ⅰmax≈Ⅰmin。凸極式同步發(fā)電機(jī)中，由于Xd＞Xq，則在電樞磁勢(shì)軸線與磁極軸線重合時(shí)，定子電流較小，而定子電壓較大；在電樞磁勢(shì)軸線與磁極軸線垂直時(shí)，定子電流較大，而定子電壓較小。根據(jù)這一點(diǎn)，一般用下式求取同步電抗的非飽和值。Xd =U

max/Ⅰmin                                 用小轉(zhuǎn)差法測(cè)定Xd、Xq

② 將勵(lì)磁繞組開(kāi)關(guān)Q1短路，將被試發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)到與同步速度非常接近的速度，即轉(zhuǎn)差率在1％左右的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)；

Ⅰmin，計(jì)算出縱、橫軸同步電抗Xd、Xq及其標(biāo)么值Xd* 、Xq*。Xd =Umax  / √3Ⅰ

     在所攝錄的波形圖（即圖6）中，如果Ⅰmin與Umax

Ⅰmax與Umin在時(shí)間上不相同時(shí)，則上述式中的Umax（Umin）可采用與Ⅰmin（Ⅰmax）相對(duì)應(yīng)的電壓值代替。（4）關(guān)注要點(diǎn)① 試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將被試發(fā)電，機(jī)驅(qū)動(dòng)到與同步速度非常接近的速度，使轉(zhuǎn)差率盡量小，以盡可能地減輕由于發(fā)電機(jī)的瞬變狀態(tài)及儀表慣性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。如果用儀表測(cè)量更應(yīng)注意這一點(diǎn)，否則交流儀表的指針追隨不上測(cè)量值的變化，使試驗(yàn)計(jì)算的Xd

② 在拍攝波形和讀表時(shí)，勵(lì)磁繞組應(yīng)保持開(kāi)路，以免在它的內(nèi)部感應(yīng)出對(duì)磁通起阻尼功用的電流。但在定子繞組接入電源或從電源斷開(kāi)時(shí)，勵(lì)磁繞組該當(dāng)直接短路或經(jīng)放電電阻短路，以免因?yàn)樗沧儾襟E在勵(lì)磁繞組中致使過(guò)電壓，損壞勵(lì)磁繞組。③ 

 為了處理殘壓對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前應(yīng)將發(fā)電機(jī)的剩磁盡量降低，使殘壓降到較低。常用的程序是用容量足夠的電瓶E，經(jīng)開(kāi)關(guān)Q4與轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓的極性相反連接，將Q1、Q2、Q3開(kāi)關(guān)全斷開(kāi)，使發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)，合上電瓶的開(kāi)關(guān)Q4，由定子電壓表觀察定子殘壓，若逐漸降低，則表明E去磁的方向正確。通常將殘壓降至5～8V即可。

當(dāng)定子電流開(kāi)斷時(shí)，或當(dāng)轉(zhuǎn)差率瞬時(shí)增大時(shí)，在勵(lì)磁繞組兩端可能產(chǎn)生很高的電壓，為此應(yīng)注意開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)次序，開(kāi)關(guān)Q1僅在外加電源投入，并測(cè)量時(shí)方可斷開(kāi)，在Q1斷開(kāi)后才能合上開(kāi)關(guān)Q3以防燒壞電壓表，在斷開(kāi)電源時(shí)，要先合上Q1，斷開(kāi)Q3，然后再斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)Q2。⑥ 

      試驗(yàn)時(shí)被試發(fā)電機(jī)與市電并聯(lián)運(yùn)行。將發(fā)電機(jī)負(fù)荷降至零，用閃光燈照到白線處，調(diào)節(jié)移相器的移相角度δ0，使轉(zhuǎn)軸上白線與軸承蓋上白線對(duì)齊。然后逐漸增加發(fā)電機(jī)負(fù)荷使其在額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)再調(diào)節(jié)移相器，使轉(zhuǎn)軸上白線與軸承蓋上白線重新對(duì)齊。記錄移相器上角度δl，同時(shí)測(cè)定定子線電壓U、定子電流I和容量因數(shù)角φ，則縱軸同步電抗飽和值可按下式計(jì)算

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