新聞主題	發(fā)電機次暫態(tài)和暫態(tài)參數測量

 

摘要：發(fā)電機參數尤其是暫態(tài)電抗及次暫態(tài)時(shí)間常數的辨識易受環(huán)境噪音及功角測量精度的影響，往往出現不同試驗或重復試驗辨識所得參數相差很大的情況。為提高同步發(fā)電機暫態(tài)及次暫態(tài)參數辨識精度，提出了一種基于軌跡靈敏度的同步發(fā)電機參數辨識方法。首先確定了基于軌跡靈敏度的辨識數據區間選取方法，將量測的發(fā)電機參數的軌跡靈敏度作為指標，根據該指標的衰減程度，選取暫態(tài)及次暫態(tài)參數信息含量較大的量測數據作為辨識數據，以提高相應參數的辨識精度。

 

一、基本概念

 

      暫態(tài)為在轉子繞組起反作用時(shí)的在穩態(tài)以前的過(guò)渡狀態(tài)；次暫態(tài)為有阻尼繞組的發(fā)電機在短路瞬間時(shí)狀態(tài)。

1、次暫態(tài)電抗

X"_d、X"_q是發(fā)電機突然短路的瞬間，由短路電流的起始值所決定的定子電抗。暫態(tài)電抗X'_d、X'_q是由減掉超瞬變分量的短路電流分量的起始值所決定的定子電抗。

2、衰減時(shí)間常數

      T_a是定子電流直流分量衰減時(shí)間常數。表征康明斯發(fā)電機在額定轉速和一定電壓下運行，定子繞組突然短路時(shí)，短路電流中直流分量衰減快慢的時(shí)間參數。

3、縱軸暫態(tài)時(shí)間常數

      T'_d是定子繞組短路時(shí)縱軸暫態(tài)時(shí)間常數，表征康明斯發(fā)電機在額定轉速和一定電壓下運行，定子繞組突然短路。阻尼繞組開(kāi)路。（或無(wú)阻尼作用時(shí)），定子電流中縱軸暫態(tài)分量衰減快慢的時(shí)間參數。

4、縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數

      T"_d是定子繞組短路時(shí)縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數，表征康明斯發(fā)電機在額定轉速和電壓下運行，轉子阻尼繞組（或阻尼回路）和勵磁繞組閉路，當定子繞組發(fā)生突然短路時(shí)，在阻尼作用下，定子電流中次暫態(tài)分量衰減快慢的時(shí)間參數。

5、縱軸暫態(tài)時(shí)間常數

      T'_do為定子繞組開(kāi)路時(shí)縱軸暫態(tài)時(shí)間常數，系指發(fā)電機在額定轉速和額定電壓下運行，當運行條件發(fā)生突然變化時(shí)，由縱軸磁通所產(chǎn)生的開(kāi)路定子電壓中暫態(tài)分量衰減快慢的時(shí)間參數。

 

二、三相突然短路法

 

      三相突然短路試驗是測量發(fā)電機X'_d、X"_d、T'_d、T"_d及T_a等參數較好的方法。一般情況下，現場(chǎng)只需測定發(fā)電機參數的不飽和值，這時(shí)發(fā)電機應在額定轉速n_N及空載定子電壓U＝（1／4）U下進(jìn)行三相突然短路試驗。至于測定參數的飽和值，則應在額定電壓下進(jìn)行三相突然短路試驗。由于該試驗將產(chǎn)生很大的電動(dòng)力而危及設備安全，故不宜在現場(chǎng)進(jìn)行，只能作為考核發(fā)電機機械強度的型式試驗項目。

      發(fā)電機三相突然短路試驗相關(guān)依據由于目前國內還沒(méi)有出臺針對發(fā)電機的產(chǎn)品標準，因此，只能在相關(guān)標準中尋找依據。根據GB 755―2000《旋轉電機定額和性能》，結合GB/T1029―2005《三相同步電機試驗方法》及GB/T 7064―2002《透平型同步發(fā)電機技術(shù)要求》標準，在結構及電磁、設計和計算的基礎上，對發(fā)電機三相突然短路基本試驗方法進(jìn)行安全科學(xué)實(shí)驗。

1、試驗方法

（1）試驗前準備

① 仔細檢查被試電機的裝配、安裝質(zhì)量是否良好。

② 短路開(kāi)關(guān)的選用與調整。

      用作短路開(kāi)關(guān)的接觸器或油開(kāi)關(guān)的額定容量應能足夠承受電機的短路電流。試驗前應對開(kāi)關(guān)觸頭進(jìn)行調整，以確保三相同時(shí)合閘。三相觸頭之間的合閘時(shí)間差不0.05周期。以?xún)龋┘凑J為已達到要求。

③ 分流器與電流互感器的選用。

      短路電流的測量必須使用分流器或電流互感器，推薦采用無(wú)感分流器。所選用的分流器額定電流值應大于大可能的短路電流值。采用電流互感器時(shí)，應使短路電流的大幅值仍在互感器特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分。分流器和電流互感器應接在短路開(kāi)關(guān)與中性點(diǎn)之間，中性點(diǎn)必須可靠接地。

④ 示波器的調整。

      拍攝三相短路電流的三個(gè)振子應選用同一規格。正式拍攝前應拍錄好三相電流標尺，調整好所有振子的零線(xiàn)位置，調整振子的偏移角度，使電流的波幅不振子允許的偏移角度及感光紙邊緣。調整完畢后振子回路不應再有任何變動(dòng)。

⑤ 被試發(fā)電機的勵磁。

      被試發(fā)電機應由配套的直流勵磁機勵磁，直流勵磁機必須為他勵式。如果用其他直流電源供給勵磁，應使勵磁回路總電阻與原勵磁回路電阻的數值相當，以免影響勵磁回路的時(shí)間常數。

（2）試驗接線(xiàn)

      發(fā)電機突然短路試驗是為了考核發(fā)電機的抗短路故障能力，具體做法是在額定負載和1.05倍額定電壓下運行時(shí)，應能承受出線(xiàn)端任何形式的突然短路而不發(fā)生導致立即停機的有害變形。試驗時(shí)用外部方法將短路時(shí)相電流限制到不超過(guò)三相突然短路所產(chǎn)生的最大相電流值。除此之外，發(fā)電機突然短路試驗還要考核承受短路時(shí)防爆安全性能的保持能力。三相突然短路試驗接線(xiàn)原理圖如圖1所示。

（3）試驗步驟

① 將同步發(fā)電機拖動(dòng)到額定轉速，先將發(fā)電機的定子電壓調節到（1／4）U_N作空載運行。

② 在短路前記錄定子電壓U和勵磁電流I_E，起動(dòng)示波器開(kāi)始錄波，隨即合上開(kāi)關(guān)Q將定子繞組突然短接，攝錄定子電壓、三相定子電流及勵磁電流波形。

③ 記錄短路時(shí)定子電流及勵磁電流的穩態(tài)值，并根據示波器攝錄的電流波形，確定電流波形的比例尺（A／mm）。

（4）試驗要求

① 被試發(fā)電機應由配套的勵磁機供給勵磁且勵磁機必須為他勵。

② 攝錄短路電流波形時(shí)宜采用無(wú)感分流器，分流器的額定電流應大于被試發(fā)電機定子額定電流值。為確保人身和儀器安全，應把分流器接在短路開(kāi)關(guān)Q與短路點(diǎn)0'之間。短路點(diǎn)0'必須可靠接地，使振子在短路前不會(huì )處于高電壓。定子回路所有的接點(diǎn)接觸必須良好和可靠，連接導線(xiàn)應有足夠的截面，且越短越好。

③ 突然短路時(shí)用的三相開(kāi)關(guān)（如接觸器或斷路器）應認真檢查或調整好，使三相盡可能同時(shí)合閘。

④ 試驗時(shí)先在三相穩態(tài)短路下，將三相電流送至示波器振子，調節光點(diǎn)的偏轉幅度，使三相突然短路時(shí)電流波形有適當的幅值，且在可能發(fā)生的最大電流時(shí)的波幅不超過(guò)振子允許的偏轉值及感光紙的邊緣。

      三相突然短路電流最大值可按下式估算：

          

式中  U*——突然短路前空載定子電壓標么值；

X"_d*——次暫態(tài)電抗的設計值或估計值（標么值）；

I_N——被試發(fā)電機的額定電流，A；

I_max——三相突然短路電流最大值，A。

2、數據處理

（1）畫(huà)出三相突然短路電流波幅的包絡(luò )線(xiàn)。

      將所攝錄電流波形的各個(gè)波峰值繪制在坐標紙上，然后用平滑的曲線(xiàn)連接起來(lái)，就得到一相電流波形的上下兩條包絡(luò )線(xiàn)，如圖2所示。如果起始幾個(gè)電流波峰之間的時(shí)間間隔不等，則應按實(shí)際量得的時(shí)間間隔繪制。

 

圖1  發(fā)電機三相突然短路試驗接線(xiàn)原理圖

圖2  發(fā)電機三相突然短路電流波幅包絡(luò )線(xiàn)

 

（2）將各相電流的周期分量與非周期分量分開(kāi)。

      取任一瞬間上、下兩包絡(luò )線(xiàn)的縱坐標，兩者代數和一半為該瞬間電流的非周期分量（即直流分量），如圖2中的虛線(xiàn)所示。兩者代數差的一半（即虛線(xiàn)至包絡(luò )線(xiàn)的距離）為該瞬間電流的周期分量，再求出三相短路電流周期分量各瞬間的算術(shù)平均值。即為三相短路時(shí)，定子電流周期分量的變化曲線(xiàn)。

 （3）求暫態(tài)分量（ΔI'_k）和次暫態(tài)分量（ΔI"_k）。

      從定子電流周期分量的變化曲線(xiàn)中減去穩態(tài)短路電流J_k∞，即得（ΔI'k十ΔI"k）電流曲線(xiàn)，將其繪于半對數坐標紙上（見(jiàn)圖3），使（ΔI'_k十ΔI"_k）曲線(xiàn)后半部的直線(xiàn)部分延伸到縱坐標上，其交點(diǎn)即為短路電流暫態(tài)分量的初始值ΔI'k0。

      在半對數坐標紙上，曲線(xiàn)（ΔI'_k十ΔI'_k）與直線(xiàn)ΔI'_k在同一瞬間的差值即為短路電流的次暫態(tài)分量ΔI"_k。把次暫態(tài)電流分量與時(shí)間的關(guān)系也繪在半對數坐標紙上（見(jiàn)圖3），并將其延伸到縱坐標軸，則交點(diǎn)即為次暫態(tài)分量電流的初始值ΔI"_k0。

 

圖3  發(fā)電機三相突然短路次態(tài)和暫態(tài)電流變化曲線(xiàn)

 

（4）計算縱軸暫態(tài)電抗X'_d和次暫態(tài)電抗X"_d

      公式為：

式中，U——短路前定子線(xiàn)電壓，V；

U_φN、I_φN——被試發(fā)電機的額定相電壓、相電流，V、A；

I_k∞——穩態(tài)短路電流，A；

 ΔI'_k0、ΔI"_k0——暫態(tài)電流、次暫態(tài)電流初始值，A。

（5）確定時(shí)間常數T'd、T"d及Ta。

① 定子繞組短路時(shí)的縱軸暫態(tài)時(shí)間常數T'_d是定子電流暫態(tài)分量自初始值ΔI"_k0衰減到0.368ΔI'_k0時(shí)所需的時(shí)間。

② 定子繞組短路時(shí)的縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數T"_d是定子電流次暫態(tài)分量自初始值ΔI"_k0。衰減到0.368ΔI"_k0時(shí)所需的時(shí)間。

③ 定子繞組短路時(shí)的非周期分量時(shí)間常數T_a是定子電流非周期分量自初始值衰減到0.368初始值時(shí)所需的時(shí)間。

 

三、電壓恢復法試驗

 

1、試驗方法

將三相定子繞組短路，再將被試發(fā)電機拖動(dòng)到額定轉速，然后增加勵磁電流，使其相當于空載特性曲線(xiàn)直線(xiàn)部分的某一電壓（通常不高于0.7倍額定電壓）時(shí)的勵磁電流。 

記下此時(shí)定子繞組的短路電流Ik。然后將短路的三相繞組同時(shí)斷開(kāi)，用示波器攝錄任一相電流及任一線(xiàn)電壓的波形。當電壓恢復到穩態(tài)值U∞后，讀表記下電壓數值，以確定空載電壓波形的比例尺（V／mm）。試驗時(shí)對勵磁回路的要求與三相突然短路試驗中的規定相同。

2、數據處理

（1）電壓波形

       畫(huà)出恢復電壓波形的包絡(luò )線(xiàn)。瞬態(tài)恢復電壓波形可以表現為振蕩和非振蕩的多種不同的形式。當電壓波接近單頻阻尼振蕩波時(shí)，包絡(luò )線(xiàn)由兩個(gè)連續的線(xiàn)段組成。包絡(luò )線(xiàn)應盡可能接近地反映瞬態(tài)恢復電壓的實(shí)際形狀。這里敘述的方法在大多數實(shí)際情況下可以足夠近似地達到這一目的。下列方法用作繪制構成預期瞬態(tài)恢復電壓曲線(xiàn)包絡(luò )線(xiàn)的線(xiàn)段：

① 第一個(gè)線(xiàn)段通過(guò)原點(diǎn)O，與曲線(xiàn)相切而不與其相交。

      在曲線(xiàn)的起始部分凹面向左的情況下，切點(diǎn)經(jīng)常是在第一峰值的附近（見(jiàn)圖5，OA段）；如果象指數情況下那樣，凹面向右情況下，則切點(diǎn)在原點(diǎn)（見(jiàn)圖6，OA段）。

② 第二線(xiàn)段是在曲線(xiàn)最高峰值處與其相切的水平線(xiàn)（見(jiàn)圖5和圖6，AG段）。

③ 于是，得到了兩參數包絡(luò )線(xiàn)O、A、C。

圖5 發(fā)電機恢復電壓初始位置凹面向左的參考線(xiàn)圖

圖6 發(fā)電機恢復電壓指數型TRV的參考線(xiàn)圖

 

（2）電壓恢復曲線(xiàn)

      將穩態(tài)電壓U∞與恢復電壓包絡(luò )線(xiàn)之間的電壓差值對時(shí)間的關(guān)系繪于半對數坐標紙上（見(jiàn)圖7）。此曲線(xiàn)為暫態(tài)電壓分量ΔU'與次暫態(tài)電壓分量ΔU"之和。將該曲線(xiàn)的直線(xiàn)部分延長(cháng)，與縱坐標的交點(diǎn)即為暫態(tài)電壓分量的初始值ΔU"0。曲線(xiàn)ΔU'十ΔU"與曲線(xiàn)ΔU'之間的差值即為次暫態(tài)電壓分量ΔU"曲線(xiàn)，將其繪于同一坐標紙上，它與縱坐標軸的交點(diǎn)即是次暫態(tài)電壓分量的初始值ΔU"₀。

（3）暫態(tài)電抗的計算公式

      縱軸暫態(tài)電抗X'_d及縱軸次暫態(tài)電抗X"_d的計算：

   

式中，I_k——在斷開(kāi)短路前瞬間測得的定子電流，A；

U∞——穩態(tài)電壓，V；

ΔU'₀、ΔU"₀₀——暫態(tài)電壓分量與次暫態(tài)電壓分量初始值，V。

（4）求取時(shí)間常數

① 定子繞組開(kāi)路時(shí)縱軸暫態(tài)時(shí)間常數T'_d0是暫態(tài)電壓分量從初始值ΔU'₀衰減到0.368ΔU'₀時(shí)所需的時(shí)間。

② 定子繞組開(kāi)路時(shí)縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數T"_d0是次暫態(tài)電壓分量從初始值ΔU"0衰減到O.368ΔU"₀時(shí)所需的時(shí)間。

      在求得T'_d0、T"_d0后，可按下列關(guān)系式求取定子繞組短路時(shí)的縱軸暫態(tài)時(shí)間常數T'_d及次暫態(tài)時(shí)間常數T"_d：

式中，X_d——直軸同步電抗的不飽和值，Ω。

（5）示波圖

       在電壓恢復法試驗中，（U∞一ΔU'₀—ΔU"₀）、（U∞一ΔU'₀）以及兩者的差值與穩態(tài)電壓U∞相比都是較小的，因而在示波圖加工及計算中容易引起誤差。為此，有些文獻建議，除了拍攝上述的電壓恢復曲線(xiàn)外，用記錄紙以較快的速度（不小于0.44m／s）再拍攝一張電壓復曲線(xiàn)起始部分的示波圖。示波圖上的電壓比例尺可如此選擇，使短路被切斷的初瞬，電壓（U∞—ΔU'₀—ΔU"₀）的幅度約為振子光點(diǎn)允許偏轉值的一半。由于穩態(tài)電壓U∞超過(guò)（U∞—ΔU'₀一ΔU"₀）好幾倍，因此振子光點(diǎn)在到達其允許的最大偏轉度前，應通過(guò)繼電器等裝置將振子回路自動(dòng)斷開(kāi)或用限幅器加以保護，以免損壞振子。

      在普通坐標紙上（或在直接拍攝的感光紙上）畫(huà)出電壓恢復曲線(xiàn)的波幅包絡(luò )線(xiàn)，如圖8所示。包絡(luò )線(xiàn)與t＝O時(shí)的縱坐標相交于a點(diǎn)，oa＝U∞一ΔU'₀一ΔU"₀。將曲線(xiàn)尾部的直線(xiàn)部分延伸，使其與縱坐標軸相交于b點(diǎn)，ob＝U∞—ΔU'₀，于是可根據公式計算出X'_d及X"_d，并從圖6中求得T"_d0。

 

圖7 發(fā)電機電壓恢復曲線(xiàn)圖

圖8  發(fā)電機電壓恢復曲線(xiàn)起始部分

 

3、電壓恢復法試驗的優(yōu)點(diǎn)

（1）試驗過(guò)程中，發(fā)電機不會(huì )受到不正常的機械和電的沖擊作用，因而允許重復進(jìn)行數次試驗。以獲得可靠的結果；

（2）電壓恢復法不需要種類(lèi)繁多的輔助設備，如無(wú)感分流器等，因此現場(chǎng)容易進(jìn)行；

（3）通常只需拍攝一個(gè)線(xiàn)電壓的恢復曲線(xiàn)，示波圖的加工量較小。

4、電壓恢復法的缺點(diǎn)

① 不能求出三相突然短路電流非周期分量的時(shí)間常數Ta；

② 由換算來(lái)確定時(shí)間常數T'd及T"d的準確性較差。

 

總結：

      發(fā)電機試驗是評估發(fā)電機電氣性能的重要方法。通過(guò)電壓恢復法和三相突然短路法試驗，可以獲得發(fā)電機的電抗及時(shí)間常數等參數，從而評估發(fā)電機的電阻、電抗、電導等性能指標。交流同步發(fā)電機試驗的目的是評估發(fā)電機的電氣性能、識別故障和缺陷、評估負荷能力以及優(yōu)化運行參數。通過(guò)合理的試驗方法和分析，可以保證發(fā)電機的正常運行，提高柴油發(fā)電機組的可靠性和穩定性。

 

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