发电机特性试验和参数测量

第十六章发电机特性试验和参数测量第一节发电机空载特性试验一、概述发电机的空载运行工况，是指发电机处于额定转速，在励磁绕组中通入一定的励磁电流，而定子绕组中的电流为零时的运行状态。

此时，励磁绕组中电流所产生的磁通可以分为气隙主磁通和漏磁通两部分。

主磁通通过空气隙与定子绕组相交链，并在定子绕组中产生感应电势E。

漏磁通仅与励磁绕组相交链。

在这种条件下，定子绕组的感应电势置与其端电压U相等，即U＝E。

设I E表示励磁电流，W表示匝数，则I E W就代表励磁绕组中的安匝数。

因为匝数W一定，则主磁通φ及其在定子绕组中的感应电势E就取决于励磁电流的大小和磁回路的饱和程度。

在空载试验后，取励磁电流为横坐标，取端电压为纵坐标，即可得到关系曲线U＝f(I E)。

发电机在空载运行条件下其端电压和励磁电流的关系曲线U＝f(I E)，称为发电机的空载特性曲线。

空载特性曲线不仅表示了感应电势Z和励磁电流．I E的关系，同时也表示了气隙主磁通φ和励磁电流I E的关系。

空载特性曲线常常用标么值来表示，即选定子额定电压U N为电压基准值，选空载试验时对应于定子额定电压的励磁电流I EO为电流基准值。

空载特性是发电机的最基本特性之一，由此可求出发电机的电压变化率ΔU％、同步电抗X d；短路比及和负载特性等。

在求取此特性的同时，还可以检查发电机三相电压的对称性和进行定子绕组匝间绝缘试验。

二、测量方法(一)试验接线发电机空载特性试验接线如图l6-l所示。

(二)试验步骤(1)按图16—1在发电机转子回路和定子回路接入各种表计，包括定子电压表、频率表、在标准分流器(O.2级)上接测量励磁电流的毫伏表、在励磁回路上接的励磁电压表，将励磁电阻调至最大值位置。

(2)将电压调节器、强励装置退出运行，差动、过流、接地保护装置投入运行。

(3)启动原动机至额定转速且维持不变。

(4)电机在空载状态下，合上磁场开关，先慢慢调节励磁，使电压升至额定值，然后缓慢减少励磁，测下降曲线，在降压过程中可分10个点，分别记录各表计读数，直到电压降到零。

再进行第二次升压，测上升曲线，也分l0个点读数，直至升到1.3U N ，有匝间绝缘的发电机，在1.3U N 试验电压下应持续5min ；随即将电压下降。

(5)励磁电流降至最小值后，断开磁场开关，发电机仍应保持额定转速，然后在定子绕组出线端的电压互感器二次侧测量电压，按变比计算定子残压值。

也可用绝缘棒将足够量程的高内阻电压表直接搭到发电机出线上测量残压值。

(三)注意事项(1)合上磁场开关后，应慢慢升压，当电压升至额定电压的20％时，检查三相电压是否平衡，且巡视发电机等设备是否正常。

(2)在测取上升和下降曲线时，励磁电流大小只能沿一个方向调节，严禁中途反向。

否则由于磁滞作用，将影响试验结果。

(3)调节励磁到一定数值，待表计指针稳定后进行读表，并要求所有表计同时读取。

(4)在发电机出线上测量定子残压时，必须做好安全措施，例如磁场开关应在断开位置，测量人员要戴绝缘手套并利用绝缘棒测量定子残压值。

所使用仪表应是多量程的高内阻交流电压表。

(5)试验时发现异常现象应立即停止试验，及时查明原因。

(四)试验结果分析(1)将各仪表读数换算成实际值，其中定子电压应取三相电压的平均值。

(2)试验过程中转速应稳定，否则所测电压应按下式换算到额定转速之电压值U=U m M N n n (16—1)式中 U m ——实测电压，V ；n N ——额定转速，r ／min ；n m ——实测转速，r ／min 。

(3)将整理的数据，绘制空载特性曲线。

由于铁芯磁滞的影响，曲线上升支和下降支不是重合的，应取平均值，该平均值绘制的曲线即为空载特性曲线。

(4)根据所得空载特性曲线与出厂数据和历年的数据进行比较。

如所得曲线比历年数据降低得多，即说明转子绕组可能有匝问短路缺陷。

第二节 发电机短路特性试验一、概述发电机短路特性是指发电机的转速n 为额定转速，电枢绕组的端电压为零时电枢电流和励磁电流的关系I k ＝f(I E )。

发电机三相对称稳定短路工况；是指发电机处于额定转速下，转子绕组通入一定的励磁电流，定子绕组的电压为零时的运行状态。

短路试验时，定子电压U＝0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。

由于一般发电机的电枢电阻远小于同步电抗，所以短路电流可认为是纯感性的，即φ≈90°，于是电枢磁势基本上是一个纯去磁作用的纵轴磁势，即F a＝F ad而F aq＝0。

各磁势的相量图如图16—2所示。

从图16—2可见，各磁势相量都在一条直线上，合成磁势是•Fδ＝•F E十•F ad，其中•F E是转子电流产生的激磁磁势，利用空载特性即可由气隙合成磁势求得合成电势Eδ。

由于U＝0，所以•Eδ＝•U+•I r a+j•I Xδ≈ j•I Xδ(16—2)式中 r a——发电机的定子电阻，Ω;Xδ——发电机漏抗，Ω。

可见，发电机短路时的合成电势只等于漏抗压降，所以对应的气隙合成磁通很小，其磁路处于不饱和状态。

因此励磁电流变化时，合成电势和对应的短路电流将随之正比地变化，所以短路特性曲线是一条直线。

求取发电机的短路特性可以检查定子三相电流的对称性，并由短路特性曲线结合空载特性曲线来求取发电机的一些重要参数。

二、测量方法(一)试验接线发电机三相短路特性试验接线，如图16—3所示。

(二)试验步骤(1)在发电机出线端，将三相对称性短路。

按图16—3接好各种表计，如励磁电流表、励磁电压表、定子电流表等。

将励磁电阻调至最大值位置；(2)投入过流保护装置，并接信号；(3)启动原动机升至额定转速并维持不变，合上磁场开关；(4)调节励磁，使定子电流达到额定值为止，以每隔定子额定电流的15％～20％记录一次表计值；(5)调节励磁，使定子电流降至零，断开磁场开关。

(三)注意事项(1)三相短路线应尽量装在接近发电机引出线端，且要在电流互感器外侧(如果发电机出口有断路器，不应经断路器接短路线，以免在试验中断路器突然断开，引起发电机过电压损坏绝缘)。

如果在发电机出线端不便装设短路线或要结合其它试验(如电压恢复法试验)，需将短路线装在主断路器外侧时，应将其跳闸回路熔丝取去，或将断路器操作机构锁住。

(2)三相短路线应采用不小于发电机出线截面的铜(铝)排，连接必须良好，防止由于连接不良引起过热损坏设备。

(3)调节励磁电流时应缓慢进行，当调到某一数值时，应待指针稳定后，再对各类表计同时读数。

(4)为校验试验的正确性，在调节励磁电流下降过程中，可按上升各点进行读数记录。

(5)在试验中，当定子电流升至15％～20％额定值时，应检查三相电流的对称性。

如果三相电流不平衡，应查明原因，必要时可降低励磁，断开磁场开关。

(四)试验结果分析(1)将各仪表读数换算至实际值，其中定子电流应取三相的平均值；(2)根据试验数据绘制短路特性曲线，该曲线应是通过坐标原点的一条直线；(3)将所得曲线与出厂数据或历年数据比较，若曲线有明显降低，则说明转子绕组可能有匝间短路。

第三节同步电抗测量一、基本概念同步电抗是同步发电机的重要参数。

以同步旋转的发电机定子绕组的稳态磁链所决定的电抗叫做同步电抗(X d和X q)。

其中纵轴同步电抗X d是相当于由定子电流所建立的磁场和发电机磁极轴线相重合的电抗(见图16—4，a)，横轴同步电抗X q是相当于定子电流所建立的磁场垂直磁极轴线时的电抗(见图16—4，b)。

定子绕组的全部磁链是由漏磁链和电枢反应磁链所组成，因此可以认为同步电抗等于定子漏电抗和电枢反应电抗之和。

定子漏电抗和转子位置无关，对纵、横轴向来说，漏电抗是相等的，因此X d＝X ad十X s (16—3)X q =X aq 十X s (16—4)式中 X ad ——定子绕组纵轴电枢反应电抗，Ω；X aq ——定子绕组横轴电枢反应电抗，Ω；X s ——定子绕组漏电抗，Ω。

凸极发电机的X ad ＞X aq ，因而X d ＞X q ，隐极发电机X ad ==X aq ，因而X d ==X q 。

同步电抗的数值受发电机主磁通饱和的影响较大，通常可认为漏电抗是恒定不变的，饱和引起同步电抗的变化主要是对电抠反应电抗的影响。

对凸极发电机，由于在纵轴方向上磁通主要沿着由铁磁材料构成的磁路而闭合，而横轴磁通的很大一部分是通过空气隙而闭合，所以饱和对纵轴同步电抗的影响较大，而对横轴同步电抗的影响较小。

对隐极发电机纵轴和横轴同步电抗的影响程度是相同的。

二、同步电抗的测量方法(一)从空载、短路特性试验求取不饱和纵轴同步电抗X d 和短路比1，测量方法在测取空载特性时，由于磁路的饱和现象，当励磁电流增大时，空载特性曲线将向下弯曲。

在测取短路特性时，磁路始终处于不饱和状态，因此图16—5中曲线l 和曲线2所对应的饱和状态不同。

为了求得同步电抗的不饱和值，可将空载特性的直线部分延长，如图16—5中的曲线3。

同步电抗便是在有固定励磁电流时，曲线3与曲线2的坐标之比，即X d =N I U 0 (16—5) 这样测得的同步电抗称为不饱和同步电抗。

不论在横坐标上选取哪一点进行计算，所求得的不饱和同步电抗均为恒值。

X d 的标么值为X d*=NN d I U X =N d N U X I =0E EK I I (16—6) 式中 I EK ——短路试验时使短路电流为额定值的励磁电流…I E0——对应定子额定电压从空载特性曲线直线部分延长线上确定的励磁电流； Un 、I N ——定子额定电压、定子额定电流。

同步电抗与短路比有一定的关系。

短路比是在空载时使空载电势为额定值时的励磁电流与短路时使短路电流为额定值时的励磁电流之比，用K 代表。

当磁路不饱和时K=EK E I I 0 =dX 1 (16—7) 短路比是同步发电机的一个重要参数。

我国制造的汽轮发电机的短路比一般在0.5～0.7之间，水轮发电机在l.0～1.4之间。

2，注意事项(1)空载和短路特性曲线的测取方法见本章第一、二节。

(2)受剩磁影响的空载特性曲线应进行校正。

发电机空载运行时，由于转子磁极的剩磁，在定子绕组上感应的电压称为残压。

若此电压较高时，会使空载特性曲线不通过坐标的原点，而与纵坐标相交。

此时，应将空载特性曲线进行校正，如图16—6所示。

将空载特性曲线1的直线部分延长交横坐标于K 点，K O 的绝对值即为校正量ΔI E ，将曲线1沿横轴方向水平右移ΔI E ，即在所有试验测得的励磁电流数值上加上ΔI E ，就得到通过坐标原点O 的校正曲线2(实际作图时可将纵坐标往左移ΔI E 即可)。

(二)用小转差法测量纵、横轴同步电抗X d 和X q1，试验方法小转差法是励磁绕组开路，转子以接近同步转速旋转(其转差率小于1％)，在定子绕组上施加三相对称交流低压电源(额定电压3kV 以上的发电机，一般应接入220～550V 的电源)。