发电机的同步电抗检测

摘要：同步发电机在稳定同步速度运行时，正序电流发生的电枢反应磁通与定子绕组漏磁通所确定的定位绕组的电抗，称为同步电抗。简易来说检测同步电抗的方法有空载和短路特性曲线法；用反向励磁法求取同步电抗法；用低电压低转差法检测纵、横轴同步电抗法。其试验目的是为求出发电机的具体电抗值，包括直轴与交轴同步电抗、直轴与交轴瞬间电抗、直轴与交轴次瞬间电抗、负序电抗、零序电抗、定子漏电抗等参数。由于q轴同步电抗对发电机的稳定性和运转性能有重要影响，可以通过增加线圈匝数和优化绝缘介质来提升，因此，发电机的q轴同步电抗值的测定对于发电机的规划和运转具有重要意义。

      发电机q轴同步电抗是指发电机在运行程序中，q轴方向上的电抗值。在电力系统中，发电机是一种将机械能转化为电能的装备。它通过旋转磁场的方式发生电能，其中q轴是指与旋转磁场垂直的轴线。发电机的q轴同步电抗是发电机在q轴方向上的电抗值。电抗是指电路中对交流电流发生阻碍功能的元件，它由电感和电容两部分构造。

      在发电机中，q轴同步电抗主要由电感和电容构成。

电感是一种储存电能的元件，它通过电流在线圈中产生磁场，从而储存电能。在发电机中，电感主要由发电机的定子线圈和转子线圈构成。定子线圈是固定不动的线圈，而转子线圈则随着转子的旋转而旋转。这两个线圈之间的相对运动产生了电感。

电容是一种储存电能的元件，它由两个导体之间的绝缘介质隔开。在发电机中，电容具体由定子和转子之间的绝缘介质构成。当电压施加在电容上时，正负电荷会在导体上积累，从而储存电能。

      发电机的q轴同步电抗对电力装置的稳定性和运转性能有重要影响。较大的q轴同步电抗可以提高发电机的稳定性，减少电力装置的振荡。同时，q轴同步电抗还可以危害发电机的响应速度和容量因数。为了提升发电机的q轴同步电抗，可以采取一些方法。例如，可以增加发电机的定子线圈和转子线圈的匝数，从而增加电感的值。此外，还可以优化绝缘介质的选定和设计，以增加电容的值。

（1） 电机电抗：指同步发电机转子电感和转子电容组成的电机电抗，它的值取决于转子构造和作业频率。

（2）定子电抗：指同步发电机定子线圈电感和定子线圈电容组成的电抗，它的值取决于线圈构造、磁导率和工作频率。

（3） 均压线圈电抗：同步发电机还可以增加均压线圈来平衡电压，这些线圈发生的电感和电容也组成了一定的电抗。

      同步电抗是同步发电机的重要数据。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（Xd和Xq）。其中纵轴同步电抗Xd是相当于由定子电流所建立的磁场和发电机磁极轴线），横轴同步电抗Xq是相当于定子电流所建立的磁场垂直磁极轴线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

      Xaq——定子绕组横轴电枢反应电抗，Ω；

      Xs——定子绕组漏电抗，Ω。

    凸极发电机的Xad＞Xaq，因而Xd＞Xq，隐极发电机Xad=Xaq，因而Xd=Xq。

    同步电抗的数值受发电机主磁通饱和的影响较大，一般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具体沿着由铁磁材料构造的磁路而闭合，而横轴磁通的很大一部分是通过空气隙而闭合，故而饱和对纵轴同步电抗的危害较大，而对横轴同步电抗的危害较小。 发电机电枢磁场的直轴分量和交轴分量如图2所示。

    对隐极发电机纵轴和横轴同步电抗的影响程度是相同的。

      在测取空载特性时，因为磁路的饱和现状，当励磁电流增大时，空载特点曲线将向下弯曲。在测取短路特性时，磁路始终处于不饱和状态，因此图3中空载曲线和短路曲线所对应的饱和状态不同。为了求得同步电抗的不饱和值，可将空载特征的直线中的空载特点曲线直线部分的延迟。同步电抗便是在有固定励磁电流时，空载特点曲线直线部分的增长与短路特征曲线的坐标之比，即

      这样测得的同步电抗称为不饱和同步电抗。不论在横坐标上选用哪一点进行计算，所求得的不饱和同步电抗均为恒值。

      ⅠE0——对应定子额定电压从空载特征曲线直线部分延长线上确定的励磁电流；

      UN、ⅠN——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

    短路比是同步发电机的一个重要参数。

      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，会使空载特征曲线不通过坐标的原点，而与纵坐标相交。此时，应将空载特点曲线所示。将空载特性曲线的直线部分延迟交横坐标于K点，KO的绝对值即为调校量ΔⅠE，将曲线沿横轴方向水平右移ΔⅠE，即在所有试验测得的励磁电流数值上加上ΔⅠE，就得到通过坐标原点O的校正曲线（实际作图时可将纵坐标往左移ΔⅠE即可）。

    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，通常应接入220～550V的电源）。此时因为转子构成不对称，电抗在纵轴，与横轴之间周期地变化，定子电流的较大与较小值基本上是在定子磁链与相应的纵、横轴向相重合时产生。当转子滑差极小时，认为定子电流是由同步电抗Xd和Xq

d≈Xq，于是检测中Umax≈Umin，Ⅰmax≈Ⅰmin。凸极式同步发电机中，由于Xd＞Xq，则在电枢磁势轴线与磁极轴线重合时，定子电流较小，而定子电压较大；在电枢磁势轴线与磁极轴线垂直时，定子电流较大，而定子电压较小。根据这一点，一般用下式求取同步电抗的非饱和值。Xd =U

max/Ⅰmin                                 用小转差法测定Xd、Xq

② 将励磁绕组开关Q1短路，将被试发电机驱动到与同步速度非常接近的速度，即转差率在1％左右的转速下运转；

Ⅰmin，计算出纵、横轴同步电抗Xd、Xq及其标么值Xd* 、Xq*。Xd =Umax  / √3Ⅰ

     在所摄录的波形图（即图6）中，如果Ⅰmin与Umax

Ⅰmax与Umin在时间上不相同时，则上述式中的Umax（Umin）可采用与Ⅰmin（Ⅰmax）相对应的电压值代替。（4）关注要点① 试验时应将被试发电，机驱动到与同步速度非常接近的速度，使转差率尽量小，以尽可能地减轻由于发电机的瞬变状态及仪表惯性对试验结果的影响。如果用仪表测量更应注意这一点，否则交流仪表的指针追随不上测量值的变化，使试验计算的Xd

② 在拍摄波形和读表时，励磁绕组应保持开路，以免在它的内部感应出对磁通起阻尼功用的电流。但在定子绕组接入电源或从电源断开时，励磁绕组该当直接短路或经放电电阻短路，以免因为瞬变步骤在励磁绕组中致使过电压，损坏励磁绕组。③ 

 为了处理残压对检测结果的影响，试验前应将发电机的剩磁尽量降低，使残压降到较低。常用的程序是用容量足够的电瓶E，经开关Q4与转子绕组励磁电压的极性相反连接，将Q1、Q2、Q3开关全断开，使发电机空转，合上电瓶的开关Q4，由定子电压表观察定子残压，若逐渐降低，则表明E去磁的方向正确。通常将残压降至5～8V即可。

当定子电流开断时，或当转差率瞬时增大时，在励磁绕组两端可能产生很高的电压，为此应注意开关的断开次序，开关Q1仅在外加电源投入，并测量时方可断开，在Q1断开后才能合上开关Q3以防烧坏电压表，在断开电源时，要先合上Q1，断开Q3，然后再断开电源开关Q2。⑥ 

      试验时被试发电机与市电并联运行。将发电机负荷降至零，用闪光灯照到白线处，调节移相器的移相角度δ0，使转轴上白线与轴承盖上白线对齐。然后逐渐增加发电机负荷使其在额定工况运转，此时再调节移相器，使转轴上白线与轴承盖上白线重新对齐。记录移相器上角度δl，同时测定定子线电压U、定子电流I和容量因数角φ，则纵轴同步电抗饱和值可按下式计算

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