同步发电机正序电抗的测量目的和试验方法

作者：柴油发电机厂家来源：https://www.kmscyfdj.com 发表时间：2026-06-16【大中小】浏览次数：

摘要：测量同步发电机正序电抗（即同步电抗）是为了精准建模和计算电力系统在正常运行及对称故障下的行为。由于同步发电机的正序电抗在数值上等于其同步电抗（对于隐极机）或与直轴、交轴同步电抗相关（对于凸极机），因此其测量方法本质上就是同步电抗的测量方法。根据目前国际（IEC-34-4）及国内（GB/T1029）均推荐采用本文所述的两种经典试验方法进行同步电机参数的测定。

一、正序电抗的概念

理解同步发电机的正序电抗，在于抓住“正序”与“同步”这两个关键词。它并不是一个全新的物理元件，而是同步电抗在对称稳态运行时的特定称谓。

1、基本定义

正序电抗是指当同步发电机定子绕组中流过正序对称电流（即A-B-C三相电流大小相等、相位互差120°，且相序与转子旋转方向一致）时，电机所表现出的电抗。

在这个状态下，定子合成旋转磁场与转子之间没有相对运动，因此转子绕组中不会感应出电流。此时，电机表现出的电抗就是其运行时的同步电抗。简单来说，正序电抗就是同步电抗在对称工况下的“别名”。

2、与同步电抗的关系

正序电抗的数值严格取决于电机类型：

（1）对于隐极电机：由于气隙均匀，正序电抗就是同步电抗，它不随转子位置变化。

（2）对于凸极电机：由于气隙不均匀，正序电抗会随转子位置变化。因此在计算中需区分为直轴同步电抗和交轴同步电抗），并采用双反应理论来分析。

3、物理本质

为了便于理解，可以类比一个气隙磁导的指示器：

（1）当定子磁势恰好对准转子直轴时，磁路磁导最大，电抗最大。

（2）当定子磁势对准交轴时，磁路磁导最小，电抗最小。

正序电抗正是对这种磁路特性在对称运行时的量化表达，它的大小直接决定了发电机的电压调整率和静态稳定极限。

4、工程意义

正序电抗是电力系统分析中的基础参数：

（1）潮流计算：决定发电机输出功率与功角的关系。

（2）稳定性分析：是判断系统静态和暂态稳定性的核心数据。

（3）短路计算：是计算三相对称短路电流稳态分量的关键参数。

（4）保护定值：是距离保护等继电保护装置整定的计算依据。

二、正序电抗测量的目的

1、电力系统潮流计算与稳定性分析

（1）决定功率极限：正序电抗 $X_{d}$ （直轴）和 $X_{q}$ （交轴）直接决定了发电机的功角特性。测量获得准确值后，才能计算发电机的静态稳定极限和暂态稳定裕度。

（2）系统调度依据：电网调度中心需要依据这些实测参数，确定发电机在不同工况下的最大输出功率，确保系统在发生大扰动（如短路、跳闸）时仍能保持同步运行。

2、继电保护装置的整定计算

（1）故障电流计算：当电力系统发生三相对称短路时，正序电抗是决定短路电流稳态分量的关键参数。保护装置（如距离保护、差动保护）的动作值和灵敏度都需要基于准确的正序阻抗来整定。

（2）确保选择性：如果正序电抗实测值与设计值偏差过大，会导致保护范围失配，可能造成保护误动或拒动，因此实测数据是保护定值校验的基础。

3、发电机励磁系统及调压器设计

（1）电压调节器（AVR）参数整定：励磁控制系统的放大倍数和响应时间需要与发电机的正序电抗相匹配。测量正序电抗有助于优化AVR参数，防止在并网后出现低频振荡或电压失稳。

（2）无功功率分配：在并联运行的机组中，正序电抗的差异会影响无功功率的分配比例。通过实测，可以合理配置励磁电流，避免某台机组因无功过载而进相运行。

4、电机设计验证与状态评估

（1）校核设计计算：通过实测值与出厂设计值对比，验证电磁设计（如气隙长度、绕组分布）的准确性，为同型电机的优化提供依据。

（2）监测转子健康状态：正序电抗的变化能间接反映转子绕组状态和磁路饱和程度。在设备大修或老化后重新测量，可以作为评估转子绕组是否存在匝间短路或磁路异常的重要参考依据。

三、正序电抗的试验方法

根据国家标准《GB/T 1029—2005三相同步电机试验方法》等标准推荐，依据不同的电机类型和所需饱和状态，主要采用以下两种经典方法：

1、空载与稳态短路试验法（用于求取直轴同步电抗）

空载与稳态短路试验是测量同步发电机直轴同步电抗（ $X_{d}$ ）的经典方法。对于隐极电机，测得的 $X_{d}$ 即为同步电抗 $X_{s}$ 。这两种特性曲线的组合运用，可以分别求取电抗的不饱和值和饱和值。

（1）测取空载特性曲线

① 操作：如图1所示。将发电机拖至同步转速，定子绕组开路（空载）。调节励磁电流 $I_{f}$ 从零逐渐增加，记录对应的定子端电压 $U_{0}$ （此时等于空载电动势 $E_{0}$ ），直至电压达到约 $1.25$ 倍额定值。将数据绘制成曲线 $E_{0} = f (I_{f}) 。$

② 物理意义：这条曲线本质上是电机的磁化曲线，反映了主磁路的饱和情况。

同步发电机空载试验接线图.png

图1 同步发电机空载试验接线图

（2）测取三相稳态短路特性曲线

① 操作：按照图2接线，然后将发电机定子绕组三相端点直接短路。保持同步转速，从零开始增加励磁电流 $I_{f}$ ，记录对应的定子短路电流 $I_{k}$ ，通常测到约 $1.2$ 倍额定电流-。绘制成曲线 $I_{k} = f (I_{f})$ 。

② 物理意义：三相短路时，端电压为零，电枢反应为纯去磁作用，使得气隙合成磁动势很小，主磁路处于不饱和状态。因此，短路特性是一条过原点的直线。

同步发电机短路试验装置接线图.png

图2 同步发电机短路试验装置接线图

（3）参数计算方法

有了两条特性曲线，就可以计算 $X_{d}$ 的不饱和值和饱和值。

① 计算不饱和值 ( $X_{d (u n s a t)}$ )：因为短路时磁路不饱和，所以计算不饱和值需要利用空载特性的直线部分（气隙线）。在短路特性曲线上取某一励磁电流 $I_{f}$ 对应的短路电流 $I_{k}$ ，再在空载特性的延长线上找同一励磁电流对应的电动势 $E_{0}$ ，则不饱和电抗为： $X_{d (u n s a t)} = \frac{E_{0}}{I_{}}$ $k$ 由于采用的是空载特性直线段数据，此法求出的 $X_{d}$ 为不饱和值，且为恒值。

② 计算饱和值 ( $X_{d (s a t)}$ )：为了模拟实际运行时的饱和状态，通常取额定相电压 $U_{N φ}$ 对应的点来计算。先在空载特性曲线上查出产生 $U_{N φ}$ 所需的励磁电流 $I_{f 0}$ ，再从短路特性曲线上查出该励磁电流 $I_{f 0}$ 所对应的短路电流 $，则饱和电抗近似为：$ $X_{d (s a t)} \approx \frac{U_{N φ}}{I^{'}}$ 此值更接近发电机额定运行工况下的电抗值。

2、低转差试验法（用于同时测量直轴和交轴同步电抗）

低转差试验法是一种能在一次试验中同时测得直轴同步电抗 $X_{d}$ 和交轴同步电抗 $X_{q}$ 的有效方法，且测得的是两者的不饱和值。它特别适用于凸极同步电机，因为其 $X_{d}$ 和 $X_{q}$ 数值不等。

（1）理论依据：将转子拖到接近同步转速（转差率 $s < 1 %$ ），并在定子绕组上施加数值很低（约 $0.01 \sim 0.2 U_{N}$ ）的三相对称电压。由于存在转差，定子旋转磁场会以转差频率交替对准转子的直轴(d轴)和交轴(q轴)。

① 磁场对准直轴时，磁导最大，电抗最大 ( $X_{d}$ )，电流最小 ( $I_{m i n}$ )。

② 磁场对准交轴时，磁导最小，电抗最小 ( $X_{q}$ )，电流最大 ( $I_{m a x}$ )。
通过记录电压和电流的波动波形即可计算参数。

（2）操作步骤：

① 准备：先参考图1接线图，然后将励磁绕组短路，由原动机拖动转子至接近同步转速。

② 加压：在定子绕组上施加额定频率、相序与转子转向一致的低压电源。

③ 测量：断开励磁绕组，微调转速使转差率稳定在小于1%，记录定子电压 $U$ 和电流 $I$ 的波形。

发电机同步电抗试验的低转差法接线图.png

图3 发电机同步电抗试验的低转差法接线图

（3）参数计算公式

直轴同步电抗 $X_{d}$ 和交轴同步电抗 $X_{q}$ 可以通过以下公式计算：

① 直轴同步电抗 $X_{d}$ ： $_{X d} = \frac{U_{m a x}}{\sqrt{3} I_{m i n}}$ ② 交轴同步电抗 $X_{q}$ ： $X_{q} = \frac{U_{m i n}}{\sqrt{3} I_{m a x}}$ $U_{m a x}$ 为电枢电压波形的最大值； $U_{m i n}$ 为电枢电压波形的最小值； $I_{m i n}$ 为电枢电流波形的最小值； $I_{m a x}$ 为电枢电流波形的最大值。

注意：如果波形图上 $I_{m i n}$ 与 $U_{m a x}$ 、 $I_{m a x}$ 与 $U_{m i n}$ 在时间上不完全对应，计算 $X_{d}$ 时应采用与 $I_{m i n}$ 同时刻的电压值，计算 $X_{q}$ 时应采用与 $I_{m a x}$ 同时刻的电压值。

总结：

对发电机正序电抗测量本质上就是按照国家标准执行同步电抗的试验，通常首选空载-短路试验法来获取关键参数。其最终目的是让“理论计算”回归“客观现实”。只有在实测参数的基础上建立的数学模型，才能真实反映发电机组在电网中的运行特性，从而保障整个电力系统的安全、稳定和经济运行。

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