哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 靳慧勇 謝玉增 梁洪濤 翟超

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)綜述和參數(shù)選型

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 靳慧勇 謝玉增 梁洪濤 翟超

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)對于提高國家電力系統(tǒng)和大電流試驗(yàn)發(fā)揮重要作用，本文介紹了哈爾濱電機(jī)廠有限公司自主設(shè)計(jì)的不同類型和不同容量的大型短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)有功無功容量設(shè)計(jì)特點(diǎn)

0　引言

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)［1］是一種特殊的發(fā)電機(jī)，常規(guī)的發(fā)電機(jī)一旦出現(xiàn)突然短路將會(huì)被視為嚴(yán)重事故， 因?yàn)榫薮蟮亩搪冯娏魍鶗?huì)不同程度損壞發(fā)電機(jī)，但這種發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過程即是短時(shí)工作在巨大電流狀態(tài)。隨著我國輸電系統(tǒng)電壓、容量以及距離不斷提高，高壓斷路器和變壓器等元件的重要性顯得更為突出，短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)可用于電力系統(tǒng)中的高壓電器如高壓斷路器、開關(guān)、變壓器、變電所和電纜等元件進(jìn)行短路電流開斷、電強(qiáng)度、短時(shí)承受能力、高瞬態(tài)電流和熱狀態(tài)等項(xiàng)試驗(yàn)，也可為大型環(huán)流器裝置提供短時(shí)大電流充當(dāng)試驗(yàn)電源作用。因此短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)對保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有十分重要的地位和作用。

1　短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)類型和特點(diǎn)

短路發(fā)電機(jī)都是供電壓電器試驗(yàn)用或者為大型物理模型提供有功功率，其特點(diǎn)是要求發(fā)電機(jī)在（極）短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的電流，并且要求在短路時(shí)間內(nèi)電流衰減盡可能小。根據(jù)試驗(yàn)中對電流以及電壓的要求的不同，通常情況下短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)分為有功和無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)。

根據(jù)用戶需要哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡稱HEC）已經(jīng)成功設(shè)計(jì)制造出了適用于低壓電器的350MVA無功短路（沖擊）發(fā)電機(jī)以及適用于高壓電器的3200MVA和6500MVA無功短路發(fā)電機(jī)；設(shè)計(jì)研發(fā)出為大型物理試驗(yàn)提供電源的300MVA有功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)。

2　有功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)

2.1有功沖擊發(fā)電機(jī)工作原理

有功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組通常條件下由發(fā)電機(jī)、飛輪和拖動(dòng)電機(jī)等組成，因此，亦稱為脈沖飛輪發(fā)電機(jī)。機(jī)組工作狀態(tài)是拖動(dòng)電機(jī)將沖擊發(fā)電機(jī)和飛輪驅(qū)動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí) ，將發(fā)電機(jī)接上負(fù)載（此過程將產(chǎn)生很大的電路，可以按短路狀態(tài)考慮），此過程中機(jī)組發(fā)出的有功功率不是來自電網(wǎng)，而是由機(jī)組旋轉(zhuǎn)體飛輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能減少而來的，因此機(jī)組在這種情況下會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降，通常下降到額定轉(zhuǎn)速的70%。

發(fā)電機(jī)工作運(yùn)行時(shí)間較長，通常是在幾秒鐘內(nèi)（短路時(shí)間大于1s以上）較無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)工作時(shí)間長。

整個(gè)機(jī)組拖動(dòng)到最高工作轉(zhuǎn)速，然后施加并調(diào)節(jié)勵(lì)磁，使空載電壓等于額定電壓；穩(wěn)定后施加負(fù)載（發(fā)電機(jī)端電壓等于額定電壓），轉(zhuǎn)速下降，電壓下降，調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)施加強(qiáng)勵(lì)，以維持額定電壓，此時(shí)的勵(lì)磁電流稍大于空載勵(lì)磁電流；隨過渡過程的深入，轉(zhuǎn)速下降更多，內(nèi)部電壓降不斷增大（超瞬變過程→瞬變過程），應(yīng)繼續(xù)增大勵(lì)磁電流，以維持額定端電壓（克服瞬變電抗壓降），此時(shí)的勵(lì)磁電流大于超瞬變過渡過程的勵(lì)磁電流；隨過渡過程進(jìn)一步繼續(xù)進(jìn)行，最終為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降直到最低轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)內(nèi)部電壓降將達(dá)到最大（克服同步電抗壓降），調(diào)節(jié)勵(lì)磁以維持額定端電壓，此時(shí)的勵(lì)磁應(yīng)大于瞬變過渡過程的勵(lì)磁電流，并達(dá)到以最低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)時(shí)的額定勵(lì)磁電流，放電結(jié)束，完成一個(gè)工作周期。

2.2有功沖擊發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1　有功短路試驗(yàn)（飛輪脈沖）發(fā)電機(jī)組

表1　有功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)的短時(shí)工作特性決定其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)組為臥式安裝，配有獨(dú)立座式軸承和控制單元。為保證發(fā)電機(jī)安裝可靠運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組采用空氣冷卻，定子鐵心、繞組為多路徑向通風(fēng)；轉(zhuǎn)子空外冷，為降低機(jī)組停機(jī)停機(jī)時(shí)間，飛輪配有電磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)。

定子機(jī)座采用整體機(jī)座，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，使其在起吊、加工、運(yùn)輸和運(yùn)行中能夠承受各種機(jī)械作用。定子鐵心由沖片、通風(fēng)槽鋼、壓圈、壓指和定位筋等主要部件構(gòu)成，為增加端部鐵心整體性，鐵心兩端進(jìn)行粘接以，同時(shí)齒上開有斜槽減小端部損耗。

定子繞組采用F等級絕緣系統(tǒng)，槽內(nèi)采用540。換位.定子繞組端部采用綁扎結(jié)構(gòu)，定子線圈與綁環(huán)、支架綁扎在一起。

轉(zhuǎn)軸采用高強(qiáng)度高導(dǎo)磁的整體合金鍛鋼。為有效提高材料利用率并且易于加工，轉(zhuǎn)子槽采用開口矩形槽，以增大槽內(nèi)導(dǎo)體截面，降低轉(zhuǎn)子銅耗。轉(zhuǎn)子線圈采用高強(qiáng)度精拉含銀銅排。轉(zhuǎn)子絕緣系統(tǒng)采用F等級絕緣系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)采用由高強(qiáng)度非磁性的Mn18Cr18N合金鋼制成的，以保護(hù)和緊固轉(zhuǎn)子端部繞組。由于脈沖發(fā)電機(jī)工作在整流狀態(tài)，且需要及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用強(qiáng)阻尼系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有全阻尼繞組。

脈沖發(fā)電機(jī)組采用獨(dú)立的座式軸承結(jié)構(gòu)，承載力大和穩(wěn)定性高的橢圓形軸瓦，軸瓦具有球面座自動(dòng)調(diào)心功能。

飛輪由高強(qiáng)度合金鋼整體鍛制而成，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)磨損耗由內(nèi)部冷卻器帶走。

3　無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)特點(diǎn)

3.1無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)工作原理

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)亦稱為沖擊發(fā)電機(jī)，用于電力系統(tǒng)的重要的高壓斷路器、開關(guān)、變壓器等元件進(jìn)行短路電流開斷、電強(qiáng)度、短時(shí)承受能力、高瞬態(tài)電流等項(xiàng)試驗(yàn)，短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組通常由拖動(dòng)電機(jī)和短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)等組成，由于發(fā)電機(jī)工作時(shí)間短，且無儲(chǔ)能裝置，提供的主要為無功功率，屬于無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)。

圖2　無功短路試驗(yàn)（沖擊）發(fā)電機(jī)

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)先由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，把空載電壓下的機(jī)械能經(jīng)短路后變?yōu)殡娔?，輸送到被試品。它是同步發(fā)電機(jī)工作在電機(jī)突然短路的瞬態(tài)過程中的一種特殊發(fā)電機(jī)，與一般隱極發(fā)電機(jī)大不相同。根據(jù)短路試驗(yàn)要求，發(fā)電機(jī)必須在短短的1s內(nèi)或幾周波內(nèi)流過巨大的短路電流，這就必須要求超瞬變電抗和瞬變電抗越小越好，個(gè)別大容量短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)，短路電流為額定電流的30倍以上，同時(shí)要求短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)大，即短路電流衰減小，而常規(guī)發(fā)電機(jī)相反要求的超瞬態(tài)和瞬態(tài)電抗不宜太低，且時(shí)間常數(shù)小，以防出口短路時(shí)損壞發(fā)電機(jī)。

為給電器設(shè)備提供頻繁的沖擊性大電流，短路發(fā)電機(jī)要完全工作在頻繁短路的瞬變過程，基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的常規(guī)電機(jī)計(jì)算方法不再適用。例如發(fā)電機(jī)一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)含4次0.15秒短路，每小時(shí)4個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，8小時(shí)工作制。

圖3　發(fā)電機(jī)工作循環(huán)方式

3.2無功沖擊發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

表2　無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

無功短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)采用臥式隱極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，座式軸承，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。為保證發(fā)電機(jī)安裝可靠運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組采用空氣冷卻，定子鐵心、繞組為多路徑向通風(fēng)；轉(zhuǎn)子空外冷。

定子機(jī)座的外型一般為圓筒式的，由隔板端板外皮通風(fēng)管筋板焊成一個(gè)整體。定子鐵心高導(dǎo)磁性，損耗低無取向硅鋼片疊制，為降低鐵心2倍頻振動(dòng)，鐵心與機(jī)座之間設(shè)置彈性定位筋，同時(shí)在鐵心兩端由鑄鋼壓圈與焊有銅壓指的銅環(huán)，通過定位筋螺桿將鐵心固緊；由于在突然短路時(shí)出槽口電動(dòng)力很大，為固定好定子出槽口處線圈，發(fā)電機(jī)鐵心端部無階梯段鐵心，有擴(kuò)槽，在此處墊滌綸氈用環(huán)氧填料將線圈固定牢。為了減少漏磁在導(dǎo)體中引起的渦流損耗，將導(dǎo)線沿槽高方向分成若干根互相絕緣的銅股線，同時(shí)為了減少漏磁場引起的股線間循環(huán)電流產(chǎn)生的附加損耗，股線在槽部進(jìn)行360°或540°換位。

因?yàn)闆_擊發(fā)電機(jī)在短短的幾周波內(nèi)流過巨大的電流產(chǎn)生的電動(dòng)力作用在繞組端部會(huì)引起繞組的振動(dòng)和變形，同時(shí)沖擊發(fā)電機(jī)每年要進(jìn)行數(shù)千次短路試驗(yàn)，所以定子繞組端部結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)大型沖擊發(fā)電機(jī)最關(guān)鍵的問題，因此定子繞組端部采用屏蔽結(jié)構(gòu)及端部環(huán)氧樹脂灌注填充工藝，保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子軸采用強(qiáng)度高，導(dǎo)磁性能好，脆性轉(zhuǎn)變溫度低的合金鋼鍛件，軸端懸掛式護(hù)環(huán)，護(hù)環(huán)鍛件具有強(qiáng)度高、耐應(yīng)力腐蝕。由于發(fā)電機(jī)可以 三相短路也可為兩相短路試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)設(shè)置阻尼繞組和整根槽楔的全阻尼繞組。

發(fā)電機(jī)采用座式軸承，勵(lì)端安有集電環(huán)和刷架裝配，拖動(dòng)端為拖動(dòng)電機(jī)和控制單元。

4　結(jié)束語

哈爾濱電機(jī)廠通過自主研發(fā)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的不同類型大型短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)，通過該產(chǎn)品的應(yīng)用，極大地提升了我國大電流電器設(shè)備質(zhì)量檢測能力和水平，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電流沖擊試驗(yàn)跨越式發(fā)展。為我國高壓、特高壓輸變電技術(shù)和裝備的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件。

［1］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)（第2版）［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，