大容量短路試驗發電機參數及結構優化設計

靳慧勇 趙永昌 梁洪濤

摘? 要：短路試驗發電機對于提升國家電力系統運行水平和大電流試驗效果能夠發揮重要作用。現主要介紹哈爾濱電機廠有限公司自主設計的不同類型和不同容量大型短路試驗發電機的主要技術參數和設計結構特點，并進行了優化設計。

關鍵詞：短路試驗發電機;有功;無功;容量;設計特點

0? ? 引言

隨著我國輸電系統電壓、容量以及輸電距離不斷提升，高壓斷路器和變壓器等元件的重要性顯得更為突出，短路試驗發電機（沖擊發電機）可用于電力系統中的高壓電器如高中壓斷路器、電氣開關、變壓器、電纜等元件的短路電流開斷、電氣強度、短時承受能力、高瞬態電流和熱穩定等項試驗，因此大容量短路試驗發電機對保證電網和電力系統安全運行具有十分重要的地位和作用。

1? ? 短路試驗發電機參數選型和優化

短路發電機[1]作為試驗對象，需要在短時間內承受極大電流，工作在常規發電機的突然短路狀態，同時隨著試驗對象的參數日趨提高，對短路試驗發電機短路電流、額定電壓以及電流和電壓衰減的要求也越來越高。

1.1? ? 短路試驗發電機組工作原理

短路試驗發電機先由電動機拖動，當轉速達到額定轉速后，輸入勵磁建立電壓，在額定空載電壓下機械能經瞬態短路后變為電能，即短路期間巨大的電流被輸送到試驗對象上。根據短路試驗要求，發電機在短短的1 s時間或幾個周波內將流過巨大的短路電流，這就要求超瞬變電抗和瞬變電抗越小越好，且兩者越接近越好。同時要求短路試驗發電機時間常數適當，時間常數大，即短路電流衰減小，但不利于勵磁系統施加強勵。

1.2? ? 短路試驗發電機參數選型和優化

無功短路試驗發電機主要技術參數如表1所示。

基于QFCJ-6500-2和QFCJ-3200-2型短路試驗發電機，通過電磁參數優化，先后開發了5 900 MVA和兩種不同電壓等級的3 200 MVA短路試驗發電機，優化后機組Xd′/Xd″比值降低，進一步降低了短路過程中電流衰減。同時根據用戶的特殊需求，開發了18 kV等級高壓短路試驗發電機。

1.3? ? 短路試驗發電機結構特點

短路試驗發電機采用臥式隱極式交流同步發電機結構，座式軸承，為了在短路過程中施加和控制勵磁，通常采用靜止勵磁系統。發電機工作制為間斷運行，為保證發電機安全可靠運行，發電機組采用空氣冷卻，定子鐵芯、繞組為多路徑向通風，轉子空外冷。

定子采用整體機座，鐵芯采用高導磁性、低損耗的無取向硅鋼片疊制，鐵芯與機座之間設置彈性定位筋，同時在鐵芯兩端由整體壓圈與定位筋螺桿將鐵芯壓緊。為了對抗突然短路時的巨大電動力，定位筋與機座焊接固定，并且發電機鐵芯端部無階梯段鐵芯，有擴槽，在此處墊滌綸氈用環氧填料將線圈固定牢靠。因為短路試驗發電機在極短時間內流過巨大的電流產生的電動力作用在繞組端部會引起繞組振動和變形，同時沖擊發電機每年要進行數千次短路試驗，定子繞組端部采用特有的屏蔽結構及端部環氧樹脂灌注填充工藝，保證發電機安全可靠運行。

根據試驗工況需求，發電機可以進行三相短路試驗也可以進行兩相短路試驗。同時為了滿足系統強勵要求，轉子槽內設置通長阻尼繞組和槽楔全阻尼繞組。

2? ? 短路試驗發電機結構優化

2.1? ? 提升機組工況適用性

擴大機組適用范圍，對發電機轉子本體結構進行優化設計，以使發電機可以兼容50 Hz和60 Hz運行工況。

2.2? ? 提高發電機短路容量和工作電壓

短路試驗發電機機端短路容量與發電機及工作電壓平方成正比，與超瞬變電抗成反比，因此提升發電機工作電壓是提高發電機短路容量最有效的方式。同時隨著電力系統和電網容量、電壓不斷提高，現有短路試驗發電機工作電壓已不滿足試驗設備的要求。現有短路試驗發電機最高工作電壓為15 kV，后續可根據用戶需求提高發電機工作電壓至18～20 kV。

2.3? ? 優化機組設備

短路試驗發電機組包括發電機、拖動系統、冷卻系統、潤滑油系統。隨著技術進步，可進一步優化機組系統，在發電機尾端安裝變頻啟動系統，取消常規拖動電機系統。一方面可以減小短路試驗發電機機組軸系長度，縮短廠房長度，降低造價;另一方面，變頻啟動系統日益成熟，智能化程度高，可以提高機組的可靠性，減少機組的維護。

2.4? ? 機組狀態監測和維護

短路試驗發電機屬于特殊發電機，其運行工況惡劣，因此應對其進行全生命周期的運行狀態監測和分析，并根據機組運行分析和診斷結果進行維護和檢修，以保證機組運行可靠性。

3? ? 結語

哈爾濱電機廠通過自主研發，設計生產制造了具有自主知識產權的不同類型大型短路試驗發電機。該產品的應用，極大地提升了我國大電流電氣設備質量檢測能力和水平，實現了強電流沖擊試驗跨越式發展，為我國高壓、特高壓輸變電技術和裝備的發展創造了良好條件。

[參考文獻]

[1] 陳世坤.電機設計[M].2版.北京：機械工業出版社，2004.

收稿日期：2020-07-03

作者簡介：靳慧勇（1979—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，高級工程師，從事汽輪發電機和新產品開發設計工作。