汪海波，萬德春，洪 深

(南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇南京210003)

在電力系統(tǒng)中，高壓電器的穩(wěn)定、可靠運行是整個系統(tǒng)正常、高效工作的前提條件，高壓電器的型式試驗是檢驗其性能的重要環(huán)節(jié)。對高壓電器而言，由于電弧物理過程的復雜性、多變性，目前仍然沒有一種電弧模型能對電弧特性進行準確的計算分析，而只能作為高壓電器設計的輔助手段[1]，因此產品受電弧特性影響的開斷性能需要在大功率試驗室中進行檢測，大功率試驗室仍是研發(fā)高壓開關設備的必要手段。大功率試驗室的電源可以由網(wǎng)絡或大容量沖擊發(fā)電機提供。由于沖擊發(fā)電機不受系統(tǒng)發(fā)展的制約和系統(tǒng)運行的影響，世界上許多著名的大功率試驗室都有安裝沖擊發(fā)電機，如荷蘭的KEMA、意大利的CESI、中國的XIHARI等[2]。文獻[3]對國內外大功率試驗室的各種型號沖擊發(fā)電機進行了較為詳細的說明，介紹了沖擊發(fā)電機的發(fā)展狀況；文獻[4]結合沖擊發(fā)電機特點和相關試驗標準的要求對沖擊發(fā)電機的選型進行闡述；文獻[5]介紹了國內沖擊發(fā)電機的生產情況，并提出國內研制大容量沖擊發(fā)電機的基本技術要求；文獻[6-8]以電機設計制造的角度從定、轉子結構特點、機組布局、電動力分析等方面介紹國產6 500 MV·A沖擊發(fā)電機；文獻[9]介紹了雙饋變頻調速系統(tǒng)在6 500 MV·A沖擊發(fā)電機機組中的應用，實現(xiàn)了機組的60 Hz調速運行。文中從大功率試驗室的運行角度出發(fā)，對6 500 MV·A沖擊發(fā)電機短路電流的衰減特性進行仿真研究，分析了3種典型外阻抗條件下施加不同強勵倍數(shù)時的短路電流衰減特性。

1沖擊發(fā)電機

1.1沖擊發(fā)電機特點

沖擊發(fā)電機又名短路試驗發(fā)電機，專門用于短路試驗。沖擊發(fā)電機的每次試驗都相當于常規(guī)發(fā)電機的出線端事故短路，沖擊電流有效值可達上百千安，對定、轉子的繞組和結構有特殊的要求[10]。

沖擊發(fā)電機一般有以下3種特征容量：（1）型式容量。是指與該臺沖擊發(fā)電機定、轉子尺寸及重量相當?shù)钠啺l(fā)電機的額定容量，也稱額定視在功率。（2）出端容量。是指在額定電壓下，不加任何外阻抗，只對沖擊發(fā)電機超瞬變電抗Xd"計算的最大三相對稱短路容量。（3）允許使用容量。是指電機制造廠或者試驗站為保證沖擊發(fā)電機的使用壽命而規(guī)定的試驗使用容量。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，高壓開關設備的電壓和開斷電流不斷增長，作為大功率試驗室電源的沖擊發(fā)電機有盡可能大的短路（開斷）容量[11]。表1列出了目前國內外投入使用的大型沖擊發(fā)電機特征容量。

表1大型沖擊發(fā)電機的特征容量 MV·A

1.2試驗對沖擊發(fā)電機的要求

以沖擊發(fā)電機為試驗電源的大功率試驗室如圖1所示，試品位于試驗小室內，整個回路應能滿足不同電流、電壓等級的試品。通過調節(jié)限流電抗器值（L）來滿足不同的試驗電流，調節(jié)試驗變壓器（TR）變比來滿足不同的電壓等級。

圖1大功率試驗室回路

對一臺沖擊發(fā)電機評定，不僅要看沖擊發(fā)電機的短路容量和短路電流的大小，還要考慮短路電流的衰減特性如何。沖擊發(fā)電機三相短路情況下的電流衰減趨勢可由式（1）表示[3，4]：

式中：UN為額定線電壓；Xd"為超瞬變電抗；Xd'為瞬變電抗；Td"為超瞬變時間常數(shù)；Td'為瞬變時間常數(shù)；k為強迫倍數(shù)（強勵電壓與空載勵磁電壓之比）。實際試驗回路中需要外接阻抗（Xe），此時的沖擊發(fā)電機短路電流衰減曲線由式（2）表示：

2國產大容量沖擊發(fā)電機

在GB 1984—2003附錄B中對高壓斷路器在型式試驗中試驗參量的公差提出了具體的要求，例如高壓斷路器基本短路試驗方式T100s（斷路器進行100%容量的完全對稱開斷試驗），規(guī)定試驗值為額定短路開斷電流的100%，試驗公差為0～+5%，即只允許5%以內的正公差；標準同時對試驗參量中工頻恢復電壓（URV）提出了試驗公差為±5%的要求，由于URV與開斷電流I存在線性關系，即通過強勵來補償短路電流的同時也就對工頻恢復電壓做了補償。這不但要求試驗回路的阻抗配置合理，同時還要求設定合適的強勵電壓值來保證沖擊發(fā)電機的短路電流特性，以滿足高壓斷路器的試驗參量及其公差符合相關標準的要求。

2.1 6 500 MV·A沖擊發(fā)電機特性

我國生產的大容量沖擊發(fā)電機主要有DSF-100-2型（型式容量為100 MV·A，出端容量為3 200 MV·A）與DSF-200-2型（型式容量為200 MV·A，出端容量為6 500 MV·A）沖擊發(fā)電機，均由哈爾濱電機廠生產制造。DSF-100-2型短路發(fā)電機容量小，電氣暫態(tài)參數(shù)差，不能進行有效的強勵，工頻電流和工頻恢復電壓衰減大，已經不能滿足當代大容量試驗室的發(fā)展要求[5]。DSF-200-2型沖擊發(fā)電機是在DSF-100-2型沖擊發(fā)電機的運行實踐和借鑒國外同類型設備的基礎上設計開發(fā)的，并于2003年投入商業(yè)運行。6 500 MV·A沖擊發(fā)電機的設計參數(shù)如表2所示。

2.2短路電流衰減特性仿真及分析

根據(jù)6 500 MV·A沖擊發(fā)電機的設計參數(shù)和三相短路情況下電流衰減曲線計算公式，建立其MATLAB仿真模型，仿真時間為0～0.3 s，表示沖擊發(fā)電機從0時刻開始短路持續(xù)0.3 s之后恢復到開路狀態(tài)。

Xe為0時不同強勵倍數(shù)下的相電流有效值曲線如圖2所示。從響應曲線來看，需要k＞15才能支撐短路電流在0.3 s內沒有明顯衰減的現(xiàn)象。k≤15時存在短路電流衰減的情況，并隨著強勵倍數(shù)的減少，短路電流會成比例下降。

表2 6 500 MV·A沖擊發(fā)電機設計參數(shù)

圖2 Xe為0時不同強勵倍數(shù)下的相電流有效值曲線

Xe為18.5 mΩ時不同強勵倍數(shù)下相電流有效值曲線如圖3所示。從響應曲線來看，11＜k＜13的范圍內即可滿足短路電流在0.3 s不存在明顯衰減的要求。當k≥13時會有短路電流上翹的現(xiàn)象，并隨著強勵倍數(shù)的增加，短路電流會成比例上升。

對Xe為18.5 mΩ條件下k=1和k=11兩種強勵電壓下的短路電流響應進行比較，如圖4所示。T為0.3 s時，k=11與k=1對應的短路電流有效值Ik11，Ik1分別為120.8 kA，72.49 kA。以Ik11為試驗需要的短路電流計算，Ik1存在40%的衰減量，即Ik1／Ik11=0.6。0.3 s時的工頻恢復電壓URV及其公差Δ計算見式（3）和（4）：

式中：URV-ki，Iki分別為不同強勵倍數(shù)下的工頻恢復電壓和開斷時的短路電流有效值。通過計算可得：URV-k1為 8.173 kV，Δk1為 41.62%；URV-k11為13.62 kV，Δk11為2.71%，Δk11＜5%＜Δk1。可見，施加適當?shù)膹妱畋稊?shù)與不加強勵，對沖擊發(fā)電機的短路電流及工頻恢復電壓存在非常明顯的影響。

圖4 Xe為18.5 mΩ時k=1與k=11時的相電流響應

Xe為36 mΩ時不同強勵倍數(shù)下相電流有效值曲線如圖5所示。從響應曲線來看，在9＜k＜11的范圍內即可滿足短路電流在0.3 s不存在明顯衰減的要求。當k≥11時短路電流會有上翹的現(xiàn)象。

圖5 Xe為36 mΩ時不同強勵倍數(shù)下相電流有效值曲線

同一強勵倍數(shù)下（k=9），3種不同外阻抗條件下短路電流衰減情況如圖6所示，在同一強勵電壓下，外接阻抗越小電流衰減越厲害，隨著外接阻抗的增加電流補償效果越明顯。

圖6 k為9時3種Xe條件下的短路電流衰減曲線

3種不同外阻抗以及不同強勵倍數(shù)條件下，在0.3 s時短路電流有效值分布如圖7所示。隨著外接阻抗增加，短路電流有效值逐步減少，對應的允許使用容量也同步降低；在同一外阻抗條件下，短路電流隨著強勵倍數(shù)的增加而變大。

圖7不同Xe和強勵倍數(shù)下短路0.3 s時的相電流有效值

4結束語

大容量沖擊發(fā)電機作為試驗電源廣泛的應用于大功率試驗室，沖擊發(fā)電機組的整體性能決定了大功率試驗室的檢測能力。依據(jù)國產6 500 MV·A沖擊發(fā)電機的相關參數(shù)建立其仿真模型，用來分析其短路電流的衰減特性。從仿真結果來看，沖擊發(fā)電機的短路電流特性與強勵電壓有密切的聯(lián)系，可根據(jù)試驗需求調整試驗回路阻抗，通過設定強勵電壓在某一范圍內即可控制沖擊發(fā)電機的短路電流衰減量，以保證試驗參量及其公差滿足相關標準的要求。通過仿真可以初步確定滿足不同試驗需求時的強勵電壓范圍，對今后大功率試驗室的運行具有較為重要的參考意義。

[1]吳盛剛，李 煒，李玉春.淺談大功率試驗室未來的發(fā)展趨勢[J].華通技術，2006（1）：31-33.

[2]顧霓鴻.世界電力大功率試驗站簡介[J].國際電力，2001（2）：51-53.

[3]李重光.國外大容量沖擊發(fā)電機概況[J].高壓電器，1975（4）：55-64.

[4]臧爾誠.沖擊發(fā)電機選型初探[J].大電機技術，1986（5）：10-15.

[5]王征慶.大容量試驗短路發(fā)電機[J].高壓電器，1988（3）：27-35.

[6]房慶輝，張長發(fā)，趙金海，等.6 500 MV·A沖擊發(fā)電機轉子平衡特點[J].大電機技術，2001（3）：21-23.

[7]張萬兵，邵桂蘭，宋曉東，等.6 500 MV·A沖擊發(fā)電機結構特點[J].電工電氣，2010（9）：31-33.

[8]張 亮，劉大鵬，邵桂蘭，等.大中容量短路試驗發(fā)電機主要設計特點 [J].大電機技術，2011（3）：28-31.

[9]黃 實，李秉杰，張海峰，等.4 000 kW/3 600RPM雙饋變頻調速系統(tǒng)在6 500 MV·A短路發(fā)電機組中的應用[J].電氣技術，2008（9）：84-91.

[10]辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[11]YODA H,FUJITA M,NAKAMURA E,et al.The World's Largest Class 8 880 MV·A Short Circuit Generator[C].Power Engineering Society Summer Meeting 2002 IEEE,2002.