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是發(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)

      T_a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T_a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(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）U_N作空載運(yùn)行。

② 在短路前記錄定子電壓U和勵磁電流I_E，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：

          

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）；

I_N——被試發(fā)電機(jī)的額定電流，A；

I_max——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。

 

圖1  發(fā)電機(jī)三相突然短路試驗(yàn)接線原理圖

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J_k∞，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。

 

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：

式中，U——短路前定子線電壓，V；

U_φN、I_φN——被試發(fā)電機(jī)的額定相電壓、相電流，V、A；

I_k∞——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)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(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。

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

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：

   

式中，I_k——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：

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(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。

 

圖7 發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)曲線圖

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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