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發(fā)電機(jī)次暫態(tài)和暫態(tài)電抗、時(shí)間常識參數(shù)測量
發(fā)布時(shí)間:2023-11-11 02:40:05  ▏閱讀:

 

新聞主題

發(fā)電機(jī)次暫態(tài)和暫態(tài)參數(shù)測量

 

摘要:發(fā)電機(jī)參數(shù)尤其是暫態(tài)電抗及次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)的辨識易受環(huán)境噪音及功角測量精度的影響,往往出現(xiàn)不同試驗(yàn)或重復(fù)試驗(yàn)辨識所得參數(shù)相差很大的情況。為提高同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)及次暫態(tài)參數(shù)辨識精度,提出了一種基于軌跡靈敏度的同步發(fā)電機(jī)參數(shù)辨識方法。首先確定了基于軌跡靈敏度的辨識數(shù)據(jù)區(qū)間選取方法,將量測的發(fā)電機(jī)參數(shù)的軌跡靈敏度作為指標(biāo),根據(jù)該指標(biāo)的衰減程度,選取暫態(tài)及次暫態(tài)參數(shù)信息含量較大的量測數(shù)據(jù)作為辨識數(shù)據(jù),以提高相應(yīng)參數(shù)的辨識精度。

 

一、基本概念

 

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

1、次暫態(tài)電抗

X"d、X"q發(fā)電機(jī)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(shù)

      Ta是定子電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)。表征康明斯發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和一定電壓下運(yùn)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(shù)。

3、縱軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù)

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

4、縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)

      T"d是定子繞組短路時(shí)縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數(shù),表征康明斯發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和電壓下運(yùn)行,轉(zhuǎn)子阻尼繞組(或阻尼回路)和勵磁繞組閉路,當(dāng)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(shù)。

5、縱軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù)

      T'do為定子繞組開路時(shí)縱軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù),系指發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和額定電壓下運(yùn)行,當(dāng)運(yùn)行條件發(fā)生突然變化時(shí),由縱軸磁通所產(chǎn)生的開路定子電壓中暫態(tài)分量衰減快慢的時(shí)間參數(shù)。

 

二、三相突然短路法

 

      三相突然短路試驗(yàn)是測量發(fā)電機(jī)X'd、X"d、T'd、T"d及Ta等參數(shù)較好的方法。一般情況下,現(xiàn)場只需測定發(fā)電機(jī)參數(shù)的不飽和值,這時(shí)發(fā)電機(jī)應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速nN及空載定子電壓U=(1/4)U下進(jìn)行三相突然短路試驗(yàn)。至于測定參數(shù)的飽和值,則應(yīng)在額定電壓下進(jìn)行三相突然短路試驗(yàn)。由于該試驗(yàn)將產(chǎn)生很大的電動力而危及設(shè)備安全,故不宜在現(xiàn)場進(jìn)行,只能作為考核發(fā)電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的型式試驗(yàn)項(xiàng)目。

      發(fā)電機(jī)三相突然短路試驗(yàn)相關(guān)依據(jù)由于目前國內(nèi)還沒有出臺針對發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),因此,只能在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中尋找依據(jù)。根據(jù)GB 755―2000《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》,結(jié)合GB/T1029―2005《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》及GB/T 7064―2002《透平型同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn),在結(jié)構(gòu)及電磁、設(shè)計(jì)和計(jì)算的基礎(chǔ)上,對發(fā)電機(jī)三相突然短路基本試驗(yàn)方法進(jìn)行安全科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1、試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)前準(zhǔn)備

① 仔細(xì)檢查被試電機(jī)的裝配、安裝質(zhì)量是否良好。

② 短路開關(guān)的選用與調(diào)整。

      用作短路開關(guān)的接觸器或油開關(guān)的額定容量應(yīng)能足夠承受電機(jī)的短路電流。試驗(yàn)前應(yīng)對開關(guān)觸頭進(jìn)行調(diào)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。以內(nèi))即認(rèn)為已達(dá)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,推薦采用無感分流器。所選用的分流器額定電流值應(yīng)大于大可能的短路電流值。采用電流互感器時(shí),應(yīng)使短路電流的大幅值仍在互感器特性曲線的線性部分。分流器和電流互感器應(yīng)接在短路開關(guān)與中性點(diǎn)之間,中性點(diǎn)必須可靠接地。

④ 示波器的調(diào)整。

      拍攝三相短路電流的三個振子應(yīng)選用同一規(guī)格。正式拍攝前應(yīng)拍錄好三相電流標(biāo)尺,調(diào)整好所有振子的零線位置,調(diào)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(diào)整完畢后振子回路不應(yīng)再有任何變動。

⑤ 被試發(fā)電機(jī)的勵磁。

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

(2)試驗(yàn)接線

      發(fā)電機(jī)突然短路試驗(yàn)是為了考核發(fā)電機(jī)的抗短路故障能力,具體做法是在額定負(fù)載和1.05倍額定電壓下運(yùn)行時(shí),應(yīng)能承受出線端任何形式的突然短路而不發(fā)生導(dǎo)致立即停機(jī)的有害變形。試驗(yàn)時(shí)用外部方法將短路時(shí)相電流限制到不超過三相突然短路所產(chǎn)生的最大相電流值。除此之外,發(fā)電機(jī)突然短路試驗(yàn)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(yàn)接線原理圖如圖1所示。

(3)試驗(yàn)步驟

① 將同步發(fā)電機(jī)拖動到額定轉(zhuǎn)速,先將發(fā)電機(jī)的定子電壓調(diào)節(jié)到(1/4)UN作空載運(yùn)行。

② 在短路前記錄定子電壓U和勵磁電流IE,起動示波器開始錄波,隨即合上開關(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(wěn)態(tài)值,并根據(jù)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(yàn)要求

① 被試發(fā)電機(jī)應(yīng)由配套的勵磁機(jī)供給勵磁且勵磁機(jī)必須為他勵。

② 攝錄短路電流波形時(shí)宜采用無感分流器,分流器的額定電流應(yīng)大于被試發(fā)電機(jī)定子額定電流值。為確保人身和儀器安全,應(yīng)把分流器接在短路開關(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(dǎo)線應(yīng)有足夠的截面,且越短越好。

③ 突然短路時(shí)用的三相開關(guān)(如接觸器或斷路器)應(yīng)認(rèn)真檢查或調(diào)整好,使三相盡可能同時(shí)合閘。

④ 試驗(yàn)時(shí)先在三相穩(wěn)態(tài)短路下,將三相電流送至示波器振子,調(diào)節(jié)光點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)幅度,使三相突然短路時(shí)電流波形有適當(dāng)?shù)姆担以诳赡馨l(fā)生的最大電流時(shí)的波幅不超過振子允許的偏轉(zhuǎn)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:

發(fā)電機(jī)三相突然短路電流最大值公式.png          

式中  U*——突然短路前空載定子電壓標(biāo)么值;

X"d*——次暫態(tài)電抗的設(shè)計(jì)值或估計(jì)值(標(biāo)么值);

IN——被試發(fā)電機(jī)的額定電流,A;

Imax——三相突然短路電流最大值,A。

2、數(shù)據(jù)處理

(1)畫出三相突然短路電流波幅的包絡(luò)線。

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

 

發(fā)電機(jī)三相突然短路試驗(yàn)接線原理圖.png

 圖1  發(fā)電機(jī)三相突然短路試驗(yàn)接線原理圖

發(fā)電機(jī)三相突然短路電流波幅包絡(luò)線.png

圖2  發(fā)電機(jī)三相突然短路電流波幅包絡(luò)線

 

(2)將各相電流的周期分量與非周期分量分開。

      取任一瞬間上、下兩包絡(luò)線的縱坐標(biāo),兩者代數(shù)和一半為該瞬間電流的非周期分量(即直流分量),如圖2中的虛線所示。兩者代數(shù)差的一半(即虛線至包絡(luò)線的距離)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。

 (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中減去穩(wěn)態(tài)短路電流Jk∞,即得(ΔI'k十ΔI"k)電流曲線,將其繪于半對數(shù)坐標(biāo)紙上(見圖3),使(ΔI'k十ΔI"k)曲線后半部的直線部分延伸到縱坐標(biāo)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(shù)坐標(biāo)紙上,曲線(ΔI'k十ΔI'k)與直線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(shù)坐標(biāo)紙上(見圖3),并將其延伸到縱坐標(biāo)軸,則交點(diǎn)即為次暫態(tài)分量電流的初始值ΔI"k0。

 

發(fā)電機(jī)三相突然短路次態(tài)和暫態(tài)電流變化曲線.png

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

 

(4)計(jì)算縱軸暫態(tài)電抗X'd和次暫態(tài)電抗X"d

      公式為:

康明斯發(fā)電機(jī)電抗計(jì)算公式.png

康明斯發(fā)電機(jī)線電壓計(jì)算公式.png

式中,U——短路前定子線電壓,V;

UφN、IφN——被試發(fā)電機(jī)的額定相電壓、相電流,V、A;

Ik∞——穩(wěn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)Ta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(fù)法試驗(yàn)

 

1、試驗(yàn)方法

將三相定子繞組短路,再將被試發(fā)電機(jī)拖動到額定轉(zhuǎn)速,然后增加勵磁電流,使其相當(dāng)于空載特性曲線直線部分的某一電壓(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,用示波器攝錄任一相電流及任一線電壓的波形。當(dāng)電壓恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值U∞后,讀表記下電壓數(shù)值,以確定空載電壓波形的比例尺(V/mm)。試驗(yàn)時(shí)對勵磁回路的要求與三相突然短路試驗(yàn)中的規(guī)定相同。

2、數(shù)據(jù)處理

(1)電壓波形

       畫出恢復(fù)電壓波形的包絡(luò)線。瞬態(tài)恢復(fù)電壓波形可以表現(xiàn)為振蕩和非振蕩的多種不同的形式。當(dāng)電壓波接近單頻阻尼振蕩波時(shí),包絡(luò)線由兩個連續(xù)的線段組成。包絡(luò)線應(yīng)盡可能接近地反映瞬態(tài)恢復(fù)電壓的實(shí)際形狀。這里敘述的方法在大多數(shù)實(shí)際情況下可以足夠近似地達(dá)到這一目的。下列方法用作繪制構(gòu)成預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓曲線包絡(luò)線的線段:

① 第一個線段通過原點(diǎn)O,與曲線相切而不與其相交。

      在曲線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(見圖5,OA段);如果象指數(shù)情況下那樣,凹面向右情況下,則切點(diǎn)在原點(diǎn)(見圖6,OA段)。

② 第二線段是在曲線最高峰值處與其相切的水平線(見圖5和圖6,AG段)。

③ 于是,得到了兩參數(shù)包絡(luò)線O、A、C。

發(fā)電機(jī)恢復(fù)電壓初始位置凹面向左的參考線圖.png

圖5 發(fā)電機(jī)恢復(fù)電壓初始位置凹面向左的參考線圖

發(fā)電機(jī)恢復(fù)電壓指數(shù)型TRV的參考線圖.png

圖6 發(fā)電機(jī)恢復(fù)電壓指數(shù)型TRV的參考線圖

 

(2)電壓恢復(fù)曲線

      將穩(wěn)態(tài)電壓U∞與恢復(fù)電壓包絡(luò)線之間的電壓差值對時(shí)間的關(guān)系繪于半對數(shù)坐標(biāo)紙上(見圖7)。此曲線為暫態(tài)電壓分量ΔU'與次暫態(tài)電壓分量ΔU"之和。將該曲線的直線部分延長,與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為暫態(tài)電壓分量的初始值ΔU"0。曲線ΔU'十ΔU"與曲線ΔU'之間的差值即為次暫態(tài)電壓分量ΔU"曲線,將其繪于同一坐標(biāo)紙上,它與縱坐標(biāo)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(jì)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(jì)算:

發(fā)電機(jī)同步電抗計(jì)算公式.png   

式中,Ik——在斷開短路前瞬間測得的定子電流,A;

U∞——穩(wěn)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(shù)

① 定子繞組開路時(shí)縱軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù)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 定子繞組開路時(shí)縱軸次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)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(shù)T'd及次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)T"d

發(fā)電機(jī)定子繞組短路時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式.png

式中,Xd——直軸同步電抗的不飽和值,Ω。

(5)示波圖

       在電壓恢復(fù)法試驗(yàn)中,(U∞一ΔU'0—ΔU"0)、(U∞一ΔU'0)以及兩者的差值與穩(wěn)態(tài)電壓U∞相比都是較小的,因而在示波圖加工及計(jì)算中容易引起誤差。為此,有些文獻(xiàn)建議,除了拍攝上述的電壓恢復(fù)曲線外,用記錄紙以較快的速度(不小于0.44m/s)再拍攝一張電壓復(fù)曲線起始部分的示波圖。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(zhuǎn)值的一半。由于穩(wěn)態(tài)電壓U∞超過(U∞—ΔU'0一ΔU"0)好幾倍,因此振子光點(diǎn)在到達(dá)其允許的最大偏轉(zhuǎn)度前,應(yīng)通過繼電器等裝置將振子回路自動斷開或用限幅器加以保護(hù),以免損壞振子。

      在普通坐標(biāo)紙上(或在直接拍攝的感光紙上)畫出電壓恢復(fù)曲線的波幅包絡(luò)線,如圖8所示。包絡(luò)線與t=O時(shí)的縱坐標(biāo)相交于a點(diǎn),oa=U∞一ΔU'0一ΔU"0。將曲線尾部的直線部分延伸,使其與縱坐標(biāo)軸相交于b點(diǎn),ob=U∞—ΔU'0,于是可根據(jù)公式計(jì)算出X'd及X"d,并從圖6中求得T"d0。

 

發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)曲線圖.png

圖7 發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)曲線圖

發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)曲線起始部分.png

圖8  發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)曲線起始部分

 

3、電壓恢復(fù)法試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)試驗(yàn)過程中,發(fā)電機(jī)不會受到不正常的機(jī)械和電的沖擊作用,因而允許重復(fù)進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn)。以獲得可靠的結(jié)果;

(2)電壓恢復(fù)法不需要種類繁多的輔助設(shè)備,如無感分流器等,因此現(xiàn)場容易進(jìn)行;

(3)通常只需拍攝一個線電壓的恢復(fù)曲線,示波圖的加工量較小。

4、電壓恢復(fù)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(shù)Ta;

② 由換算來確定時(shí)間常數(shù)T'd及T"d的準(zhǔn)確性較差。

 

總結(jié):

      發(fā)電機(jī)試驗(yàn)是評估發(fā)電機(jī)電氣性能的重要方法。通過電壓恢復(fù)法和三相突然短路法試驗(yàn),可以獲得發(fā)電機(jī)的電抗及時(shí)間常數(shù)等參數(shù),從而評估發(fā)電機(jī)的電阻、電抗、電導(dǎo)等性能指標(biāo)。交流同步發(fā)電機(jī)試驗(yàn)的目的是評估發(fā)電機(jī)的電氣性能、識別故障和缺陷、評估負(fù)荷能力以及優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。通過合理的試驗(yàn)方法和分析,可以保證發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行,提高柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性。

 


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