發(fā)電機次暫態(tài)和暫態(tài)參數(shù)測量
發(fā)電機參數(shù)尤其是暫態(tài)電抗及次暫態(tài)時間常數(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)不同試驗或重復(fù)試驗辨識所得參數(shù)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(shù)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(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)電機在短路瞬間時狀態(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、衰減時間常數(shù)
ta是定子電流直流分量衰減時間常數(shù)。表征康明斯發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速和一定電壓下運行,定子繞組突然短路時,短路電流中直流分量衰減快慢的時間參數(shù)。
3、縱軸暫態(tài)時間常數(shù)
t'd是定子繞組短路時縱軸暫態(tài)時間常數(shù),表征康明斯發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速和一定電壓下運行,定子繞組突然短路。阻尼繞組開路。(或無阻尼作用時),定子電流中縱軸暫態(tài)分量衰減快慢的時間參數(shù)。
4、縱軸次暫態(tài)時間常數(shù)
t"d是定子繞組短路時縱軸次暫態(tài)時間常數(shù),表征康明斯發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速和電壓下運行,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,在阻尼作用下,定子電流中次暫態(tài)分量衰減快慢的時間參數(shù)。
5、縱軸暫態(tài)時間常數(shù)
t'do為定子繞組開路時縱軸暫態(tài)時間常數(shù),系指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速和額定電壓下運行,當(dāng)運行條件發(fā)生突然變化時,由縱軸磁通所產(chǎn)生的開路定子電壓中暫態(tài)分量衰減快慢的時間參數(shù)。
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)電機參數(shù)的不飽和值,這時發(fā)電機應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速nn及空載定子電壓u=(1/4)u下進行三相突然短路試驗。至于測定參數(shù)的飽和值,則應(yīng)在額定電壓下進行三相突然短路試驗。由于該試驗將產(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(jù)由于目前國內(nèi)還沒有出臺針對發(fā)電機的產(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)電機定額和性能》,結(jié)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(biāo)準(zhǔn),在結(jié)構(gòu)及電磁、設(shè)計和計算的基礎(chǔ)上,對發(fā)電機三相突然短路基本試驗方法進行安全科學(xué)實驗。
1、試驗方法
(1)試驗前準(zhǔn)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)能足夠承受電機的短路電流。試驗前應(yīng)對開關(guān)觸頭進行調(diào)整,以確保三相同時合閘。三相觸頭之間的合閘時間差不0.05周期。以內(nèi))即認(rèn)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,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)與中性點之間,中性點必須可靠接地。
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)電機的勵磁。
被試發(fā)電機應(yīng)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(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間常數(shù)。
(1)試驗接線。
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(fù)載和1.05倍額定電壓下運行時,應(yīng)能承受出線端任何形式的突然短路而不發(fā)生導(dǎo)致立即停機的有害變形。試驗時用外部方法將短路時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)電機突然短路試驗還要考核承受短路時防爆安全性能的保持能力。
三相突然短路試驗接線原理圖如圖1所示。
圖1 發(fā)電機三相突然短路試驗接線原理圖
(2)試驗步驟。
①將同步發(fā)電機拖動到額定轉(zhuǎn)速,先將發(fā)電機的定子電壓調(diào)節(jié)到(1/4)un作空載運行。
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)。
(3)試驗要求及注意事項。
①被試發(fā)電機應(yīng)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0'之間。短路點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,使三相盡可能同時合閘。
④試驗時先在三相穩(wěn)態(tài)短路下,將三相電流送至示波器振子,調(diào)節(jié)光點的偏轉(zhuǎn)幅度,使三相突然短路時電流波形有適當(dāng)?shù)姆担以诳赡馨l(fā)生的最大電流時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)計值或估計值(標(biāo)么值);
in——被試發(fā)電機的額定電流,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間間隔不等,則應(yīng)按實際量得的時間間隔繪制。
圖2 發(fā)電機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,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
(4)計算縱軸暫態(tài)電抗x'd和次暫態(tài)電抗x"d公式為
上兩式中 u——短路前定子線電壓,v;
uφn、iφn——被試發(fā)電機的額定相電壓、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)確定時間常數(shù)t'd、t"d及ta。
定子繞組短路時的縱軸暫態(tài)時間常數(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時所需的時間。
定子繞組短路時的縱軸次暫態(tài)時間常數(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時所需的時間。
定子繞組短路時的非周期分量時間常數(shù)ta是定子電流非周期分量自初始值衰減到0.368初始值時所需的時間。
三、電壓恢復(fù)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)時的勵磁電流。<
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