淺談5900MVA 沖擊發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

張亮

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

大功率沖擊發(fā)電機是電力制造工業(yè)的關(guān)鍵測試設(shè)備，安裝在大電流高壓試驗室，對輸變電系統(tǒng)中的斷路器、高壓開關(guān)、變壓器等設(shè)備的動、熱穩(wěn)定試驗提供強大的沖擊測試能量，這些關(guān)鍵設(shè)備必須通過嚴酷的測試才能應(yīng)用到輸、變電系統(tǒng)中。高壓試驗站總體方案與常規(guī)發(fā)電機不同，其運行特點就是整個運行工況都是處于突然短路的瞬變過程，相當于常規(guī)發(fā)電機事故工況，發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證能夠提供沖擊試驗所需的大電流，定子端部結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受頻繁巨大電動力沖擊，在長達30 ～40 年的使用壽命期內(nèi)具備高可靠性。

1 基本模塊選型

沖擊發(fā)電機是瞬態(tài)工作性質(zhì)的特種發(fā)電機，其設(shè)計理念與設(shè)計方法與常規(guī)發(fā)電機不同。哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱HEC），20 世紀70 年代初期開始維修前蘇聯(lián)制造的3000MVA 容量等級沖擊發(fā)電機，結(jié)合模型測試驗證，探索沖擊發(fā)電機的電磁計算方法；經(jīng)40 余年的不斷努力，自主研發(fā)了350 ～6500MVA 系列沖擊發(fā)電機，目前是國內(nèi)唯一能夠設(shè)計制造沖擊發(fā)電機的發(fā)電機制造廠。

短路試驗發(fā)電機的性能要求是依據(jù)用戶要求進行設(shè)計的，根據(jù)該合同項目的試驗性能要求，所配套的沖擊發(fā)電機的出口短路容量為5900MVA，即5900MVA 沖擊發(fā)電機。而HEC 以往的沖擊發(fā)電機產(chǎn)品的最大容量等級是6500MVA 沖擊發(fā)電機，與該項目的容量等級接近。實施模塊化設(shè)計，即采用6500MVA 沖擊發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)、縮短主體電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計可以縮短設(shè)計周期，避免投入過多工藝裝備，降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

采用模塊化設(shè)計的5900MVA 沖擊發(fā)電機與6500MVA 沖擊發(fā)電機具有相同的定子、轉(zhuǎn)子橫斷面結(jié)構(gòu)以及端部結(jié)構(gòu)，其不同之處基本僅限于定子、轉(zhuǎn)子的本體長度，以及軸承跨距，由此達到基本結(jié)構(gòu)件及工藝裝備的通用性。電磁設(shè)計充分權(quán)衡以最小的結(jié)構(gòu)變動適應(yīng)新的性能要求，如轉(zhuǎn)子線圈的匝數(shù)、線規(guī)等關(guān)鍵參數(shù)；轉(zhuǎn)子本體長度、軸伸長度與直徑、軸承跨距的變化充分權(quán)衡了轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、2 倍頻振動等運行穩(wěn)定性要求。

沖擊發(fā)電機允許三相及兩相短路方式運行，由拖動電動機帶動至額定轉(zhuǎn)速，以轉(zhuǎn)子慣性儲能提供沖擊能量。為保證沖擊負載不至于影響軸系的穩(wěn)定運行，拖動電動機與沖擊發(fā)電機之間設(shè)置了彈性軸。盤車齒輪設(shè)置在彈性軸與發(fā)電機聯(lián)軸器之間，供停機、啟機使用。為降低發(fā)電機運行噪音，設(shè)置了整體隔音罩，降低發(fā)電機運行噪音。

出線方式為三相六個引出端，位于定子下方，在非拖動電動機端引出。定子繞組Y 接線方式，運行方式為三相及兩相運行，以三相運行為主，防護等級為IP23。沖擊發(fā)電機為斷續(xù)工作制，發(fā)電機內(nèi)部裝設(shè)防潮及防凝露的加熱裝置，機組停機時自行啟動，避免發(fā)電機絕緣受潮引起性能下降。機組設(shè)置手動機械低速剎車裝置，在沖擊發(fā)電機停機過程中，低速狀態(tài)下即可以投入該剎車裝置，保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子在停電情況下能在規(guī)定的時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動（不大于40min），避免軸承斷油引起軸承燒毀事故。

采用座式軸承、橢圓軸瓦，具有振動值低、性能可靠的優(yōu)點，適合沖擊發(fā)電機的運行工況。軸承潤滑油的標號為32號透平油，油系統(tǒng)設(shè)置高位油箱，以保證在事故斷電情況下，靠重力維持沖擊發(fā)電機的軸承供油至惰轉(zhuǎn)停機。

發(fā)電機的測溫元件為三線制Pt100 鉑電阻測溫元件，每相定子繞組槽內(nèi)埋置4 只溫度傳感器，定子繞組端部每端埋置15 只溫度傳感器，每個進、出風口溫度傳感器各2 個，每個軸承裝設(shè)溫度傳感器2 支，溫度計可以就地顯示并預(yù)留了通信接口。發(fā)電機采用軸流風機實施密閉循環(huán)強迫通風冷卻，冷卻器安裝在基礎(chǔ)通風道內(nèi)，具有漏水檢測報警裝置。

2 并聯(lián)運行要求及結(jié)構(gòu)改進措施

伴隨著電網(wǎng)規(guī)模及容量的不斷升級，被試設(shè)備的開斷電流及測試容量也在不斷提高，對沖擊發(fā)電機的容量的要求也一直呈現(xiàn)上升趨勢，采用沖擊發(fā)電機并聯(lián)運行可以解決測試容量與測試電流不斷增加的需求。雖然同步發(fā)電機并網(wǎng)運行技術(shù)早已成熟可靠，但沖擊發(fā)電機的運行方式是間歇瞬時工作制，無法像常規(guī)同步發(fā)電機那樣提供同步控制所需的相對穩(wěn)定的控制信號，沖擊過程的脈沖干擾也會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生危險因素。

目前，采用在沖擊發(fā)電機軸端連接小型測速發(fā)電機和控制發(fā)電機的方式實現(xiàn)沖擊發(fā)電機并聯(lián)運行控制的方法，利用同軸轉(zhuǎn)動的測速發(fā)電機提供轉(zhuǎn)速控制信號、控制發(fā)電機提供連續(xù)的相位同步控制信號，對并聯(lián)機組的同步進行控制。但這種控制系統(tǒng)存在諸多問題和隱患：首先是小型測速發(fā)電機和控制發(fā)電機的小型滾動軸承難以承受沖擊發(fā)電機大型滑動軸承的浮動間隙，不能同軸剛性連接，必須采用槽榫聯(lián)軸器。傳動松框量造成轉(zhuǎn)動不同步，使并聯(lián)運行的沖擊發(fā)電機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生抖動且相位同步也存在隨機偏差，造成環(huán)流，影響了測試精度，也使沖擊發(fā)電機受到過高的沖擊力及非正常發(fā)熱；槽榫聯(lián)軸器及小型測速發(fā)電機和控制發(fā)電機的軸承在脈沖抖動的影響下也經(jīng)常發(fā)生損壞，影響了試驗站的正常運行。為此需要提供一種性能可靠的結(jié)構(gòu)方案，使沖擊發(fā)電機能夠同步并聯(lián)運行，對被測試部件實施精確測試，并做到精確同步，消除環(huán)流及各種非正常影響，隔絕脈沖干擾，性能穩(wěn)定可靠。

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于該領(lǐng)域的數(shù)字測速技術(shù)已日臻成熟，在成本、可靠性、體積、重量、實用性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的測速發(fā)電機與控制發(fā)電機組合配置。所以，采用數(shù)字轉(zhuǎn)速相位檢測系統(tǒng)取代測速發(fā)電機與控制發(fā)電機組合配置。數(shù)字轉(zhuǎn)速相位檢測系統(tǒng)由一次測速傳感裝置、基地信號箱、遠方轉(zhuǎn)速表組成。一次測速傳感裝置由一個測速齒盤與霍爾傳感器組成，提供的電氣脈沖信號用于轉(zhuǎn)速顯示、報警、遠方轉(zhuǎn)速表輸入信號源；一個相位控制盤及接近開關(guān)用于提供的電氣脈沖前沿，產(chǎn)生相位測量信號的基準。3 個專用轉(zhuǎn)速監(jiān)控器用于過速報警控制，每個監(jiān)控器配有獨立的轉(zhuǎn)速傳感器。為保證相位測量齒盤不會影響轉(zhuǎn)子裝配的動平衡，測速齒盤經(jīng)單獨動平衡處理。

該配置能夠使輸出信號嚴格與沖擊發(fā)電機轉(zhuǎn)子同步，消除了以往技術(shù)存在的轉(zhuǎn)速非同步抖動現(xiàn)象以及相位同步的偏差，避免了環(huán)流等問題，轉(zhuǎn)速脈沖傳感器與相位脈沖傳感器以及轉(zhuǎn)換電路性能可靠，不存在以往技術(shù)的機械結(jié)構(gòu)的損壞問題，使沖擊發(fā)電機能夠同步可靠并聯(lián)運行，對被測試部件實施精確測試，并做到精確同步，性能穩(wěn)定可靠。

3 發(fā)電機主要性能參數(shù)

發(fā)電機額定頻率為50Hz，（額定轉(zhuǎn)速：3000r/min），額定空載電壓為13.2kV（Y 接）。空載電壓和短路電流（三相及兩相短路）波形符合我國標準規(guī)定的正弦波形。沖擊發(fā)電機在進行試驗時，工頻恢復(fù)電壓滿足國家標準要求（包括GJB5A、GB14048.1、GB/T25890.2、GB1984、GB3906 等標準）。

發(fā)電機能承受峰值為728kA 的事故電流而無任何損壞，允許使用最大工作短路電流超瞬變對稱分量有效值260kA，最大工作電流峰值為596kA。

發(fā)電機超瞬變電抗(飽和值）為29.25mΩ，超瞬變電抗(不飽和值)為33.40mΩ；瞬變電抗(飽和值)為46.03mΩ，瞬變電抗(不飽和值)為52.08mΩ；同步電抗為690.5mΩ；負序電抗為29.25mΩ。

4 結(jié)語

模塊化、系列化設(shè)計是國際國內(nèi)各大發(fā)電機制造廠設(shè)計制造透平發(fā)電機慣用的設(shè)計手段，能夠卓有成效地縮短設(shè)計制造周期、降低設(shè)計制造成本與設(shè)計風險；沖擊發(fā)電機采用模塊化、系列化設(shè)計也是行之有效的。采用數(shù)字轉(zhuǎn)速相位檢測系統(tǒng)，用于提供控制并聯(lián)運行的轉(zhuǎn)速及相位參數(shù)信號能夠達到?jīng)_擊發(fā)電機運行要求及可靠性要求。