某抽水蓄能电站发电电动机短路特性及空载特性试验分析

杨 柳，赵晓琳，吕 滔，徐三敏

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

某抽水蓄能电站发电电动机短路特性及空载特性试验分析

杨 柳，赵晓琳，吕 滔，徐三敏

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

发电机的短路特性试验和空载特性试验是发电机的基本试验，关系到发电机组能否安全、稳定和可靠地运行，因此新安装的发电机在投入商业运行前，必须对其进行短路特性试验和空载特性试验。本文介绍了某新建抽水蓄能电站1号机组调试期间进行的发电电动机短路特性及空载特性试验的试验接线和试验步骤，绘制了实测发电电动机短路特性曲线及空载特性曲线，求取了发电电动机的直轴同步电抗不饱和值和短路比。短路特性及空载特性试验数据分析表明，该新建抽水蓄能电站1号发电电动机三相电流、电压均对称，转子绕组无匝间短路现象，定子铁心无局部短路情况，发电电动机的电气性能与制造厂家提供的数值相吻合。

短路特性；空载特性；直轴同步电抗；短路比

0 引言

发电机的短路特性试验是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短路时，获取定子稳态短路电流随励磁电流变化关系曲线的试验。通过短路特性试验可以检查定子三相电流的对称性，判断转子及定子绕组有无匝间短路等故障[1-2]；发电机的空载特性试验是指发电机在额定转速下，定子绕组开路（不接负载）时，获取发电机定子端电压随励磁电流变化关系曲线的试验。通过空载特性试验可以检查定子三相电压的对称性，观察励磁系统的工作情况，检验定子绕组联结的正确性，了解发电机磁路的饱和程度[1，3，4]。同时，结合发电机的短路特性曲线和空载特性曲线还可以求取发电机的同步电抗不饱和值及短路比等重要参数[1～4]。短路特性试验和空载特性试验均属于发电机的基本试验[1]，关系到发电机组能否安全、稳定和可靠地运行。

1 试验背景

某新建抽水蓄能电站总装机容量1200MW，电站安装了4台单机容量为300MW的混流可逆式水泵水轮机－发电电动机组，水泵水轮机采用上拆方式，发电电动机形式为立轴、悬式、空冷、三相可逆式同步电机。发电电动机制造厂家提供的发电电动机主要技术性能参数见表1。

表1 发电电动机主要技术性能参数表Tab. 1 Main technical performance parameters of motor-generator

参数数值额定励磁电流2346A空载励磁电流1305A额定励磁电压（125℃）190V气隙磁通密度0.99T（负载）0.95T（空载）定子轭部磁通密度1.23T（负载）1.21T（空载）定子齿部磁通密度1.87T（负载）1.78T（空载）定子铁芯磁通密度1.66T（负载）1.49T（空载）直轴同步电抗Xd 1.17p.u.（不饱和值）1.05p.u.（饱和值）定子漏抗Xs 0.10p.u.短路比0.95

发电电动机制造厂家提供的发电电动机短路特性曲线和空载特性曲线见图1。

图1 发电电动机制造厂家提供的短路特性曲线和空载特性曲线Fig. 1 Short circuit characteristc curve and no-load characteristic curve provided by generator-motor manufacturer

该抽水蓄能电站1号机组调试期间，按照《可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程》（GB/T 18482—2010）的规定，在1号机组完成了发电方向机组空转运行条件下调速系统试验、手动停机及停机后的检查、机组过速试验及检查、无励磁自动开机和自动停机试验等试验项目后，对1号发电电动机进行了短路特性及空载特性试验，以测录1号发电电动机的短路特性曲线及空载特性曲线，检验1号发电电动机的电气性能。

2 短路特性试验及结果分析

2.1 试验接线

经校核，该抽水蓄能电站1号发电电动机电气制动开关的通流容量满足短路特性试验的要求，故本次短路特性试验选取电气制动开关014作为短路点。发电电动机短路特性试验接线图见图2。

图2 短路特性试验接线图Fig. 2 Wiring diagram of short circuit characteristic test

2.2 试验步骤

短路特性试验的试验步骤如下：

（1）确认1号发电机出口断路器01在分位，发电换相隔离开关0161、抽水换向隔离开关0162、被拖动隔离开关011、拖动隔离开关012均在分位，且上述开关、隔离开关的操作电源和控制电源已断开。

（2）确认1号机电气制动开关014已可靠合闸，电气制动开关014的操作电源和控制电源已断开。

（3）投入机组保护的复合电压过流保护、定子过负荷保护、过励磁保护、功率保护、电流不平衡保护、误上电保护，其余保护退出。检查确认复合电压过流保护定值为1.3倍额定电流。保护出口连接片只保留跳灭磁开关的连接片。

（4）在监控系统单步执行停机至空转流程。

（5）机组到达空转态后，维持额定转速稳定运行5min。

（6）手动合上灭磁开关。

（7）励磁装置手动启励，逐步手动增加励磁电流，将定子电流由0依次升至10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%额定定子电流，并记录与上述定子电流相对应的励磁电流值（过程控制在10min以内）。

（8）逐步手动减少励磁电流，将定子电流由110%额定定子电流依次降至100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0额定定子电流，并记录与上述定子电流相对应的励磁电流值（过程控制在10min以内）。

（9）励磁装置逆变灭磁。

（10）按机械事故停机按钮执行机械事故停机流程。

（11）确认机组处于停机稳态，试验结束，恢复隔离措施。

2.3 试验数据

该抽水蓄能电站1号发电电动机短路特性试验升流、降流试验数据分别见表2、表3。表2、表3中，取定子额定电流10692A为三相定子电流和平均电流的基准值，取空载励磁电1305A为励磁电流的基准值。

表2 短路特性试验（升流）数据Tab. 2 Data of short circuit characteristic test（current increased）

根据表2和表3中的数据，画出该抽水蓄能电站1号发电电动机的实测短路特性曲线见图3。

表3 短路特性试验（降流）数据Tab. 3 Data of short circuit characteristic test（current decreased）

图3 实测发电电动机短路特性曲线Fig. 3 Measured short circuit characteristic curve of generator-motor

发电机的短路特性曲线是一条直线，短路电流与励磁电流成正比变化。下面以凸极发电机为例（水轮发电机均为凸极发电机）来对此进行说明。

根据凸极同步发电机的双反应理论，凸极发电机有如下电动势：

R——磁路等效电阻；

XS——漏电抗。

将式（1）～式（3）代入（4）得

式中Xd——直轴同步电抗，Xd=Xad+XS；

Xq——交轴同步电抗，Xq=Xaq+XS。

2.4 试验数据分析结论

从表2和表3可以看出，在进行短路特性试验过程中，该抽水蓄能电站1号发电电动机三相定子电流Ia、Ib、Ic基本对称。对比图1和图3发现，实测发电电动机短路特性曲线与发电电动机制造厂家提供的短路特性曲线在0～1.1倍额定定子电流范围内，任意定子电流对应的励磁电流值均非常接近。比如，在实测短路特性曲线上，额定定子电流对应的励磁电流值为0.991p.u.；在发电电动机制造厂家提供的短路特性曲线上，额定定子电流对应的励磁电流值为1p.u.。此外，实测发电电动机短路特性曲线的斜率与发电电动机制造厂家提供的短路特性曲线斜率基本一致，并无突变。如果发电电动机转子绕组存在匝间短路的情况，则在同一定子电流取值下，实测励磁电流值应大于发电电动机制造厂家提供的对应励磁电流，且二者之间的差值超过测量误差范围[7]。综上可知，该抽水蓄能电站1号发电电动机转子绕组无匝间短路故障。

3 空载特性试验及结果分析

3.1 试验接线

该抽水蓄能电站1号发电电动机空载特性试验接线图如图4所示。

图4 空载特性试验接线图Fig. 4 Wiring diagram of no-load characteristic test

3.2 试验步骤

空载特性试验的试验步骤如下：

（1）确认1号发电机出口断路器01、电气制动开关014、发电换相隔离开关0161、抽水换向隔离开关0162、被拖动隔离开关011、拖动隔离开关012均在分位，且上述开关、隔离开关的操作电源和控制电源已断开。

（2）退出机组保护的低电压保护、过激磁保护及失磁保护，其他保护正常投入，并将过电压保护定值调整到1.35倍额定电压。保护出口连接片只保留跳灭磁开关的连接片。

（3）在监控系统单步执行停机至空转流程。

（4）机组到达空转态后，维持额定转速稳定运行5min。

（5）手动合上灭磁开关。

（6）励磁装置手动启励，逐步手动增加励磁电流，将定子电压由0依次升至10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%、120%、125%额定定子电压（定子电压以不超过1.3倍额定电压为限）[5，6]，并记录与上述定子电压相对应的励磁电流值（过程控制在10min以内）。

（7）逐步手动减少励磁电流，将定子电压由125%额定定子电压依次降至120%、110%、100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0额定定子电压，并记录与上述定子电压相对应的励磁电流值（过程控制在10min以内）。

（8）励磁装置逆变灭磁。

（9）按机械事故停机按钮执行机械事故停机流程。

（10）确认机组处于停机稳态，试验结束，恢复隔离措施。

3.3 试验数据

该抽水蓄能电站1号发电电动机空载特性试验升压、降压试验数据分别见表4、表5。表4、表5中，取定子额定电压18kV为三相定子电压和平均电压的基准值，取空载励磁电流1305A为励磁电流的基准值。

表4 空载特性试验（升压）数据Tab. 4 Data of no-load characteristic test（voltage increased）

表5 空载特性试验（降压）数据Tab. 5 Data of no-load characteristic test（voltage decreased）

由于铁磁材料有磁滞现象，在进行空载特性试验时，励磁电流由零增到最大值和由最大值降到零时，量测得到的机端电压略有不同。通常取下降的这条曲线作为空载特性曲线。由于这条曲线和横坐标的交点不在原点，因此还应对空载特性试验数据进行修正，使得整个曲线向右移到原点位置[1]。修正后的空载特性试验升压、降压实验数据分别见表6、表7。

表6 修正后空载特性试验（升压）数据Tab. 6 Modified data of no-load characteristic test（voltage increased）

表7 修正后空载特性试验（降压）数据Tab. 7 Modified data of no-load characteristic test（voltage decreased）

根据表6和表7中的数据，画出该抽水蓄能电站1号发电电动机的实测空载特性曲线如图5所示。

图5 实测发电电动机空载特性曲线Fig. 5 Measured no-load characteristic curve of generatormotor

通常情况下，发电机的空载特性曲线是一条饱和曲线，这是由于发电机的铁芯磁路具有饱和特性，励磁电流与它在发电机气隙中产生的磁通不是线性关系，所以空载电动势和励磁电流也不成线性关系。如果发电机磁路不饱和，在空载特性气隙线上，产生的空载电动势等于额定电压时，所加的励磁电流为Ifu；而实际上由于发电机磁路饱和，产生的空载电动势等于额定电压时，所加的励磁电流为If0，饱和因数ku=If0/Ifu，它反映发电机在空载电压为额定电压时的饱和程度[1]。由图5可知，Ifu=0.847p.u.，If0=1，因此该抽水蓄能电站1号发电电动机的饱和因数ku=If0/Ifu=1/0.847=1.18。

正常设计的发电机，磁路饱和程度都会控制在一定范围内。如果磁路设计得太饱和将使励磁绕组用铜太多，运行时调节电压也很困难；如果磁路饱和度设计得太低，则铁芯硅钢片利用率太低，浪费材料，运行时负载变化引起的电压变化较大[1]。

3.4 试验数据分析结论

从表4和表5可以看出，在进行空载特性试验过程中，该抽水蓄能电站1号发电电动机三相定子电压Uab、Ubc、Uca基本对称。对比图1和图5发现，实测发电电动机空载特性曲线与发电电动机制造厂家提供的空载特性曲线在0～1.25倍额定定子电压范围内，任意定子电压对应的励磁电流值均非常接近。比如，在实测空载特性曲线上，额定定子电压对应的励磁电流值为0.990p.u.；在发电电动机制造厂家提供的短路特性曲线上，额定定子电压对应的励磁电流值为1p.u.。此外，实测发电电动机空载特性曲线与发电电动机制造厂家提供的空载特性曲线变化趋势也基本吻合：在0～1倍额定定子电压范围内，空载特性曲线斜率较大，且曲线上各点斜率基本一致，此时发电电动机的磁路尚未饱和，定子电压对励磁电流的变化较为敏感；在1～1.25倍额定定子电压范围内，随着励磁电流的增大，空载特性曲线的斜率逐渐减小，发电电动机磁路也逐渐趋于饱和，定子电压对励磁电流的变化敏感度越来越低。如果发电电动机定子铁芯有局部短路情况，则短路处涡流的去磁作用将会造成励磁电流变大，因此在同一定子电压取值下，实测励磁电流值应大于发电电动机制造厂家提供的对应励磁电流，且二者之间的差值超过测量误差范围。综上可知，该抽水蓄能电站1号发电电动机定子铁芯无局部短路现象。

4 直轴同步电抗不饱和值和短路比的求取

下面将利用该抽水蓄能电站1号发电电动机实测短路特性曲线和空载特性曲线求取发电电动机的直轴同步电抗不饱和值和短路比。该抽水蓄能电站1号发电电动机的短路特性和空载特性曲线综合图见图6。

图6 短路特性和空载特性曲线综合图Fig. 6 Collective diagram of short circuit characteristic curve and no-load characteristic curve

4.1 直轴同步电抗不饱和值求取

由之前的分析可知，在进行发电机短路特性试验时，空载电动势进而推得Xd=E0/Ik。

从空载特性气隙线及短路特性曲线求出相应的E0和Ik，即可得到直轴同步电抗不饱和值。

由图6可知，励磁电流If=1p.u.时，气隙线空载电动势E0=1.18p.u.，短路电流Ik=0.992p.u.，因此直轴同步电抗不饱和值Xd=E0/Ik=1.18/0.992=1.19p.u.。

对比根据试验数据求取的直轴同步电抗不饱和值（1.19p.u.）与发电电动机制造厂家提供的直轴同步电抗不饱和值（1.17p.u.），二者相差不大。

4.2 短路比求取

在发电机空载特性曲线上，产生的空载电动势等于额定电压时，所加的励磁电流为If0，保持这个励磁电流，在发电机稳态短路时的短路电流为Ikn，它与发电机额定电流In的比值就叫短路比Kc[1]，即Kc=Ikn/In。

由图6可知，所加励磁电流为If0时，对应的稳态短路电流Ikn=0.998p.u.，由于短路电流的基准值取的就是发电机额定电流In，因此短路比Kc=Ikn/In=0.998。

对比根据试验数据求取的短路比（0.998）与发电电动机制造厂家提供的短路比（0.95），二者相差不大。

5 结束语

某抽水蓄能电站1号机组调试期间，通过进行发电电动机短路特性及空载特性试验，获取了1号发电电动机的短路特性及空载特性试验数据，测录了1号发电电动机实际的短路特性曲线和空载特性曲线。短路特性及空载特性曲线的分析结果表明，实际测录的发电电动机短路及空载特性曲线与制造厂家提供的短路及空载特性曲线基本一致，由实测短路及空载特性曲线求取的发电电动机直轴同步电抗不饱和值、短路比与制造厂家提供的直轴同步电抗不饱和值、短路比区别不大，该抽水蓄能电站1号发电电动机定子三相电流及电压对称，转子绕组无匝间短路故障，定子铁心无局部短路情况，电气性能符合制造厂家设计要求。

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2017-02-15

2017-05-20

杨 柳（1990—），男，硕士研究生，工程师，专责，主要研究方向：电力系统运行与控制、发电厂电气设备等。E-mail：yangliu901104@126.com

赵晓琳（1988—），女，硕士研究生，工程师，专责，主要研究方向：高压电气设备。E-mail：xiaolin-zhao@sgxy.sgcc.com.cn

吕 滔（1984—），男，大学本科，工程师，主要研究方向：水电厂机组调试。E-mail：tao1-lv.jszx@sgxy.sgcc.com.cn。

徐三敏（1989—），女，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向：电机与电器。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学科代码：470.4024

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