某抽水蓄能電站發(fā)電電動機短路特性及空載特性試驗分析

楊 柳，趙曉琳，呂 滔，徐三敏

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

某抽水蓄能電站發(fā)電電動機短路特性及空載特性試驗分析

楊 柳，趙曉琳，呂 滔，徐三敏

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

發(fā)電機的短路特性試驗和空載特性試驗是發(fā)電機的基本試驗，關系到發(fā)電機組能否安全、穩(wěn)定和可靠地運行，因此新安裝的發(fā)電機在投入商業(yè)運行前，必須對其進行短路特性試驗和空載特性試驗。本文介紹了某新建抽水蓄能電站1號機組調試期間進行的發(fā)電電動機短路特性及空載特性試驗的試驗接線和試驗步驟，繪制了實測發(fā)電電動機短路特性曲線及空載特性曲線，求取了發(fā)電電動機的直軸同步電抗不飽和值和短路比。短路特性及空載特性試驗數(shù)據(jù)分析表明，該新建抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機三相電流、電壓均對稱，轉子繞組無匝間短路現(xiàn)象，定子鐵心無局部短路情況，發(fā)電電動機的電氣性能與制造廠家提供的數(shù)值相吻合。

短路特性；空載特性；直軸同步電抗；短路比

0 引言

發(fā)電機的短路特性試驗是指發(fā)電機在額定轉速下，定子三相繞組短路時，獲取定子穩(wěn)態(tài)短路電流隨勵磁電流變化關系曲線的試驗。通過短路特性試驗可以檢查定子三相電流的對稱性，判斷轉子及定子繞組有無匝間短路等故障[1-2]；發(fā)電機的空載特性試驗是指發(fā)電機在額定轉速下，定子繞組開路（不接負載）時，獲取發(fā)電機定子端電壓隨勵磁電流變化關系曲線的試驗。通過空載特性試驗可以檢查定子三相電壓的對稱性，觀察勵磁系統(tǒng)的工作情況，檢驗定子繞組聯(lián)結的正確性，了解發(fā)電機磁路的飽和程度[1，3，4]。同時，結合發(fā)電機的短路特性曲線和空載特性曲線還可以求取發(fā)電機的同步電抗不飽和值及短路比等重要參數(shù)[1～4]。短路特性試驗和空載特性試驗均屬于發(fā)電機的基本試驗[1]，關系到發(fā)電機組能否安全、穩(wěn)定和可靠地運行。

1 試驗背景

某新建抽水蓄能電站總裝機容量1200MW，電站安裝了4臺單機容量為300MW的混流可逆式水泵水輪機－發(fā)電電動機組，水泵水輪機采用上拆方式，發(fā)電電動機形式為立軸、懸式、空冷、三相可逆式同步電機。發(fā)電電動機制造廠家提供的發(fā)電電動機主要技術性能參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電電動機主要技術性能參數(shù)表Tab. 1 Main technical performance parameters of motor-generator

參數(shù)數(shù)值額定勵磁電流2346A空載勵磁電流1305A額定勵磁電壓（125℃）190V氣隙磁通密度0.99T（負載）0.95T（空載）定子軛部磁通密度1.23T（負載）1.21T（空載）定子齒部磁通密度1.87T（負載）1.78T（空載）定子鐵芯磁通密度1.66T（負載）1.49T（空載）直軸同步電抗Xd 1.17p.u.（不飽和值）1.05p.u.（飽和值）定子漏抗Xs 0.10p.u.短路比0.95

發(fā)電電動機制造廠家提供的發(fā)電電動機短路特性曲線和空載特性曲線見圖1。

圖1 發(fā)電電動機制造廠家提供的短路特性曲線和空載特性曲線Fig. 1 Short circuit characteristc curve and no-load characteristic curve provided by generator-motor manufacturer

該抽水蓄能電站1號機組調試期間，按照《可逆式抽水蓄能機組啟動試運行規(guī)程》（GB/T 18482—2010）的規(guī)定，在1號機組完成了發(fā)電方向機組空轉運行條件下調速系統(tǒng)試驗、手動停機及停機后的檢查、機組過速試驗及檢查、無勵磁自動開機和自動停機試驗等試驗項目后，對1號發(fā)電電動機進行了短路特性及空載特性試驗，以測錄1號發(fā)電電動機的短路特性曲線及空載特性曲線，檢驗1號發(fā)電電動機的電氣性能。

2 短路特性試驗及結果分析

2.1 試驗接線

經校核，該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機電氣制動開關的通流容量滿足短路特性試驗的要求，故本次短路特性試驗選取電氣制動開關014作為短路點。發(fā)電電動機短路特性試驗接線圖見圖2。

圖2 短路特性試驗接線圖Fig. 2 Wiring diagram of short circuit characteristic test

2.2 試驗步驟

短路特性試驗的試驗步驟如下：

（1）確認1號發(fā)電機出口斷路器01在分位，發(fā)電換相隔離開關0161、抽水換向隔離開關0162、被拖動隔離開關011、拖動隔離開關012均在分位，且上述開關、隔離開關的操作電源和控制電源已斷開。

（2）確認1號機電氣制動開關014已可靠合閘，電氣制動開關014的操作電源和控制電源已斷開。

（3）投入機組保護的復合電壓過流保護、定子過負荷保護、過勵磁保護、功率保護、電流不平衡保護、誤上電保護，其余保護退出。檢查確認復合電壓過流保護定值為1.3倍額定電流。保護出口連接片只保留跳滅磁開關的連接片。

（4）在監(jiān)控系統(tǒng)單步執(zhí)行停機至空轉流程。

（5）機組到達空轉態(tài)后，維持額定轉速穩(wěn)定運行5min。

（6）手動合上滅磁開關。

（7）勵磁裝置手動啟勵，逐步手動增加勵磁電流，將定子電流由0依次升至10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%額定定子電流，并記錄與上述定子電流相對應的勵磁電流值（過程控制在10min以內）。

（8）逐步手動減少勵磁電流，將定子電流由110%額定定子電流依次降至100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0額定定子電流，并記錄與上述定子電流相對應的勵磁電流值（過程控制在10min以內）。

（9）勵磁裝置逆變滅磁。

（10）按機械事故停機按鈕執(zhí)行機械事故停機流程。

（11）確認機組處于停機穩(wěn)態(tài)，試驗結束，恢復隔離措施。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機短路特性試驗升流、降流試驗數(shù)據(jù)分別見表2、表3。表2、表3中，取定子額定電流10692A為三相定子電流和平均電流的基準值，取空載勵磁電1305A為勵磁電流的基準值。

表2 短路特性試驗（升流）數(shù)據(jù)Tab. 2 Data of short circuit characteristic test（current increased）

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)，畫出該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機的實測短路特性曲線見圖3。

表3 短路特性試驗（降流）數(shù)據(jù)Tab. 3 Data of short circuit characteristic test（current decreased）

圖3 實測發(fā)電電動機短路特性曲線Fig. 3 Measured short circuit characteristic curve of generator-motor

發(fā)電機的短路特性曲線是一條直線，短路電流與勵磁電流成正比變化。下面以凸極發(fā)電機為例（水輪發(fā)電機均為凸極發(fā)電機）來對此進行說明。

根據(jù)凸極同步發(fā)電機的雙反應理論，凸極發(fā)電機有如下電動勢：

R——磁路等效電阻；

XS——漏電抗。

將式（1）～式（3）代入（4）得

式中Xd——直軸同步電抗，Xd=Xad+XS；

Xq——交軸同步電抗，Xq=Xaq+XS。

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析結論

從表2和表3可以看出，在進行短路特性試驗過程中，該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機三相定子電流Ia、Ib、Ic基本對稱。對比圖1和圖3發(fā)現(xiàn)，實測發(fā)電電動機短路特性曲線與發(fā)電電動機制造廠家提供的短路特性曲線在0～1.1倍額定定子電流范圍內，任意定子電流對應的勵磁電流值均非常接近。比如，在實測短路特性曲線上，額定定子電流對應的勵磁電流值為0.991p.u.；在發(fā)電電動機制造廠家提供的短路特性曲線上，額定定子電流對應的勵磁電流值為1p.u.。此外，實測發(fā)電電動機短路特性曲線的斜率與發(fā)電電動機制造廠家提供的短路特性曲線斜率基本一致，并無突變。如果發(fā)電電動機轉子繞組存在匝間短路的情況，則在同一定子電流取值下，實測勵磁電流值應大于發(fā)電電動機制造廠家提供的對應勵磁電流，且二者之間的差值超過測量誤差范圍[7]。綜上可知，該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機轉子繞組無匝間短路故障。

3 空載特性試驗及結果分析

3.1 試驗接線

該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機空載特性試驗接線圖如圖4所示。

圖4 空載特性試驗接線圖Fig. 4 Wiring diagram of no-load characteristic test

3.2 試驗步驟

空載特性試驗的試驗步驟如下：

（1）確認1號發(fā)電機出口斷路器01、電氣制動開關014、發(fā)電換相隔離開關0161、抽水換向隔離開關0162、被拖動隔離開關011、拖動隔離開關012均在分位，且上述開關、隔離開關的操作電源和控制電源已斷開。

（2）退出機組保護的低電壓保護、過激磁保護及失磁保護，其他保護正常投入，并將過電壓保護定值調整到1.35倍額定電壓。保護出口連接片只保留跳滅磁開關的連接片。

（3）在監(jiān)控系統(tǒng)單步執(zhí)行停機至空轉流程。

（4）機組到達空轉態(tài)后，維持額定轉速穩(wěn)定運行5min。

（5）手動合上滅磁開關。

（6）勵磁裝置手動啟勵，逐步手動增加勵磁電流，將定子電壓由0依次升至10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%、120%、125%額定定子電壓（定子電壓以不超過1.3倍額定電壓為限）[5，6]，并記錄與上述定子電壓相對應的勵磁電流值（過程控制在10min以內）。

（7）逐步手動減少勵磁電流，將定子電壓由125%額定定子電壓依次降至120%、110%、100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0額定定子電壓，并記錄與上述定子電壓相對應的勵磁電流值（過程控制在10min以內）。

（8）勵磁裝置逆變滅磁。

（9）按機械事故停機按鈕執(zhí)行機械事故停機流程。

（10）確認機組處于停機穩(wěn)態(tài)，試驗結束，恢復隔離措施。

3.3 試驗數(shù)據(jù)

該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機空載特性試驗升壓、降壓試驗數(shù)據(jù)分別見表4、表5。表4、表5中，取定子額定電壓18kV為三相定子電壓和平均電壓的基準值，取空載勵磁電流1305A為勵磁電流的基準值。

表4 空載特性試驗（升壓）數(shù)據(jù)Tab. 4 Data of no-load characteristic test（voltage increased）

表5 空載特性試驗（降壓）數(shù)據(jù)Tab. 5 Data of no-load characteristic test（voltage decreased）

由于鐵磁材料有磁滯現(xiàn)象，在進行空載特性試驗時，勵磁電流由零增到最大值和由最大值降到零時，量測得到的機端電壓略有不同。通常取下降的這條曲線作為空載特性曲線。由于這條曲線和橫坐標的交點不在原點，因此還應對空載特性試驗數(shù)據(jù)進行修正，使得整個曲線向右移到原點位置[1]。修正后的空載特性試驗升壓、降壓實驗數(shù)據(jù)分別見表6、表7。

表6 修正后空載特性試驗（升壓）數(shù)據(jù)Tab. 6 Modified data of no-load characteristic test（voltage increased）

表7 修正后空載特性試驗（降壓）數(shù)據(jù)Tab. 7 Modified data of no-load characteristic test（voltage decreased）

根據(jù)表6和表7中的數(shù)據(jù)，畫出該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機的實測空載特性曲線如圖5所示。

圖5 實測發(fā)電電動機空載特性曲線Fig. 5 Measured no-load characteristic curve of generatormotor

通常情況下，發(fā)電機的空載特性曲線是一條飽和曲線，這是由于發(fā)電機的鐵芯磁路具有飽和特性，勵磁電流與它在發(fā)電機氣隙中產生的磁通不是線性關系，所以空載電動勢和勵磁電流也不成線性關系。如果發(fā)電機磁路不飽和，在空載特性氣隙線上，產生的空載電動勢等于額定電壓時，所加的勵磁電流為Ifu；而實際上由于發(fā)電機磁路飽和，產生的空載電動勢等于額定電壓時，所加的勵磁電流為If0，飽和因數(shù)ku=If0/Ifu，它反映發(fā)電機在空載電壓為額定電壓時的飽和程度[1]。由圖5可知，Ifu=0.847p.u.，If0=1，因此該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機的飽和因數(shù)ku=If0/Ifu=1/0.847=1.18。

正常設計的發(fā)電機，磁路飽和程度都會控制在一定范圍內。如果磁路設計得太飽和將使勵磁繞組用銅太多，運行時調節(jié)電壓也很困難；如果磁路飽和度設計得太低，則鐵芯硅鋼片利用率太低，浪費材料，運行時負載變化引起的電壓變化較大[1]。

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析結論

從表4和表5可以看出，在進行空載特性試驗過程中，該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機三相定子電壓Uab、Ubc、Uca基本對稱。對比圖1和圖5發(fā)現(xiàn)，實測發(fā)電電動機空載特性曲線與發(fā)電電動機制造廠家提供的空載特性曲線在0～1.25倍額定定子電壓范圍內，任意定子電壓對應的勵磁電流值均非常接近。比如，在實測空載特性曲線上，額定定子電壓對應的勵磁電流值為0.990p.u.；在發(fā)電電動機制造廠家提供的短路特性曲線上，額定定子電壓對應的勵磁電流值為1p.u.。此外，實測發(fā)電電動機空載特性曲線與發(fā)電電動機制造廠家提供的空載特性曲線變化趨勢也基本吻合：在0～1倍額定定子電壓范圍內，空載特性曲線斜率較大，且曲線上各點斜率基本一致，此時發(fā)電電動機的磁路尚未飽和，定子電壓對勵磁電流的變化較為敏感；在1～1.25倍額定定子電壓范圍內，隨著勵磁電流的增大，空載特性曲線的斜率逐漸減小，發(fā)電電動機磁路也逐漸趨于飽和，定子電壓對勵磁電流的變化敏感度越來越低。如果發(fā)電電動機定子鐵芯有局部短路情況，則短路處渦流的去磁作用將會造成勵磁電流變大，因此在同一定子電壓取值下，實測勵磁電流值應大于發(fā)電電動機制造廠家提供的對應勵磁電流，且二者之間的差值超過測量誤差范圍。綜上可知，該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機定子鐵芯無局部短路現(xiàn)象。

4 直軸同步電抗不飽和值和短路比的求取

下面將利用該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機實測短路特性曲線和空載特性曲線求取發(fā)電電動機的直軸同步電抗不飽和值和短路比。該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機的短路特性和空載特性曲線綜合圖見圖6。

圖6 短路特性和空載特性曲線綜合圖Fig. 6 Collective diagram of short circuit characteristic curve and no-load characteristic curve

4.1 直軸同步電抗不飽和值求取

由之前的分析可知，在進行發(fā)電機短路特性試驗時，空載電動勢進而推得Xd=E0/Ik。

從空載特性氣隙線及短路特性曲線求出相應的E0和Ik，即可得到直軸同步電抗不飽和值。

由圖6可知，勵磁電流If=1p.u.時，氣隙線空載電動勢E0=1.18p.u.，短路電流Ik=0.992p.u.，因此直軸同步電抗不飽和值Xd=E0/Ik=1.18/0.992=1.19p.u.。

對比根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求取的直軸同步電抗不飽和值（1.19p.u.）與發(fā)電電動機制造廠家提供的直軸同步電抗不飽和值（1.17p.u.），二者相差不大。

4.2 短路比求取

在發(fā)電機空載特性曲線上，產生的空載電動勢等于額定電壓時，所加的勵磁電流為If0，保持這個勵磁電流，在發(fā)電機穩(wěn)態(tài)短路時的短路電流為Ikn，它與發(fā)電機額定電流In的比值就叫短路比Kc[1]，即Kc=Ikn/In。

由圖6可知，所加勵磁電流為If0時，對應的穩(wěn)態(tài)短路電流Ikn=0.998p.u.，由于短路電流的基準值取的就是發(fā)電機額定電流In，因此短路比Kc=Ikn/In=0.998。

對比根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求取的短路比（0.998）與發(fā)電電動機制造廠家提供的短路比（0.95），二者相差不大。

5 結束語

某抽水蓄能電站1號機組調試期間，通過進行發(fā)電電動機短路特性及空載特性試驗，獲取了1號發(fā)電電動機的短路特性及空載特性試驗數(shù)據(jù)，測錄了1號發(fā)電電動機實際的短路特性曲線和空載特性曲線。短路特性及空載特性曲線的分析結果表明，實際測錄的發(fā)電電動機短路及空載特性曲線與制造廠家提供的短路及空載特性曲線基本一致，由實測短路及空載特性曲線求取的發(fā)電電動機直軸同步電抗不飽和值、短路比與制造廠家提供的直軸同步電抗不飽和值、短路比區(qū)別不大，該抽水蓄能電站1號發(fā)電電動機定子三相電流及電壓對稱，轉子繞組無匝間短路故障，定子鐵心無局部短路情況，電氣性能符合制造廠家設計要求。

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2017-02-15

2017-05-20

楊 柳（1990—），男，碩士研究生，工程師，專責，主要研究方向：電力系統(tǒng)運行與控制、發(fā)電廠電氣設備等。E-mail：yangliu901104@126.com

趙曉琳（1988—），女，碩士研究生，工程師，專責，主要研究方向：高壓電氣設備。E-mail：xiaolin-zhao@sgxy.sgcc.com.cn

呂 滔（1984—），男，大學本科，工程師，主要研究方向：水電廠機組調試。E-mail：tao1-lv.jszx@sgxy.sgcc.com.cn。

徐三敏（1989—），女，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：電機與電器。E-mail：sanmin-xu@sgxy.sgcc.com.cn

Analysis of Short Circuit Characteristic and No-load Characteristic Test of Motor-generator for a Pumped Storage Power Plant

YANG Liu，ZHAO Xiaolin，LV Tao，XU Sanmin
（Technology Center of State Grid Xinyuan Company LTD，Beijing 100161，China）

Short circuit characteristic test and no-load characteristic test of generators are basic tests for generators，since they relate

to the safe，stable and reliable operation of generators.Therefore，for newly installed generators，short circuit characteristic test and no-load characteristic test must be conducted before they commit to commercial operation. In this paper，we introduce the test wiring and test procedures of short circuit characteristic test and no-load characteristic test for motor-generator of a newlybuilt pumped storage power plant during 1# unit commissioning，draw the measured short circuit characteristic curve and no-load characteristic curve of motor-generator，and solve the unsaturated value of direct-axis synchronous reactance and short circuit ratio of motor-generator. Data analyzations of short circuit characteristic test and no-load characteristic test show that，for 1# motorgenerator of the newly-built pumped storage power plant，threephase current and three phase voltage are symmetric，interturn short circuit have not appeared in rotor windings，partial short circuit have not appeared in stator core，electrical performance of motor-generator is consistent to counterpart that provided by manufacturer.

short circuit characteristic；no-load characteristic；direct-axis synchronous reactance；short circuit ratio

TV74

A學科代碼：470.4024

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.022