大容量短路試驗發(fā)電機參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

靳慧勇 趙永昌 梁洪濤

摘? 要：短路試驗發(fā)電機對于提升國家電力系統(tǒng)運行水平和大電流試驗效果能夠發(fā)揮重要作用。現(xiàn)主要介紹哈爾濱電機廠有限公司自主設(shè)計的不同類型和不同容量大型短路試驗發(fā)電機的主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計結(jié)構(gòu)特點，并進行了優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：短路試驗發(fā)電機;有功;無功;容量;設(shè)計特點

0? ? 引言

隨著我國輸電系統(tǒng)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(fā)電機（沖擊發(fā)電機）可用于電力系統(tǒng)中的高壓電器如高中壓斷路器、電氣開關(guān)、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(tài)電流和熱穩(wěn)定等項試驗，因此大容量短路試驗發(fā)電機對保證電網(wǎng)和電力系統(tǒng)安全運行具有十分重要的地位和作用。

1? ? 短路試驗發(fā)電機參數(shù)選型和優(yōu)化

短路發(fā)電機[1]作為試驗對象，需要在短時間內(nèi)承受極大電流，工作在常規(guī)發(fā)電機的突然短路狀態(tài)，同時隨著試驗對象的參數(shù)日趨提高，對短路試驗發(fā)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(fā)電機組工作原理

短路試驗發(fā)電機先由電動機拖動，當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后，輸入勵磁建立電壓，在額定空載電壓下機械能經(jīng)瞬態(tài)短路后變?yōu)殡娔埽炊搪菲陂g巨大的電流被輸送到試驗對象上。根據(jù)短路試驗要求，發(fā)電機在短短的1 s時間或幾個周波內(nèi)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(fā)電機時間常數(shù)適當，時間常數(shù)大，即短路電流衰減小，但不利于勵磁系統(tǒng)施加強勵。

1.2? ? 短路試驗發(fā)電機參數(shù)選型和優(yōu)化

無功短路試驗發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

基于QFCJ-6500-2和QFCJ-3200-2型短路試驗發(fā)電機，通過電磁參數(shù)優(yōu)化，先后開發(fā)了5 900 MVA和兩種不同電壓等級的3 200 MVA短路試驗發(fā)電機，優(yōu)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(jù)用戶的特殊需求，開發(fā)了18 kV等級高壓短路試驗發(fā)電機。

1.3? ? 短路試驗發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點

短路試驗發(fā)電機采用臥式隱極式交流同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)，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(tǒng)。發(fā)電機工作制為間斷運行，為保證發(fā)電機安全可靠運行，發(fā)電機組采用空氣冷卻，定子鐵芯、繞組為多路徑向通風(fēng)，轉(zhuǎn)子空外冷。

定子采用整體機座，鐵芯采用高導(dǎo)磁性、低損耗的無取向硅鋼片疊制，鐵芯與機座之間設(shè)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(fā)電機鐵芯端部無階梯段鐵芯，有擴槽，在此處墊滌綸氈用環(huán)氧填料將線圈固定牢靠。因為短路試驗發(fā)電機在極短時間內(nèi)流過巨大的電流產(chǎn)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(fā)電機每年要進行數(shù)千次短路試驗，定子繞組端部采用特有的屏蔽結(jié)構(gòu)及端部環(huán)氧樹脂灌注填充工藝，保證發(fā)電機安全可靠運行。

根據(jù)試驗工況需求，發(fā)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(tǒng)強勵要求，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)設(shè)置通長阻尼繞組和槽楔全阻尼繞組。

2? ? 短路試驗發(fā)電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1? ? 提升機組工況適用性

擴大機組適用范圍，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以使發(fā)電機可以兼容50 Hz和60 Hz運行工況。

2.2? ? 提高發(fā)電機短路容量和工作電壓

短路試驗發(fā)電機機端短路容量與發(fā)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(fā)電機工作電壓是提高發(fā)電機短路容量最有效的方式。同時隨著電力系統(tǒng)和電網(wǎng)容量、電壓不斷提高，現(xiàn)有短路試驗發(fā)電機工作電壓已不滿足試驗設(shè)備的要求。現(xiàn)有短路試驗發(fā)電機最高工作電壓為15 kV，后續(xù)可根據(jù)用戶需求提高發(fā)電機工作電壓至18～20 kV。

2.3? ? 優(yōu)化機組設(shè)備

短路試驗發(fā)電機組包括發(fā)電機、拖動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)。隨著技術(shù)進步，可進一步優(yōu)化機組系統(tǒng)，在發(fā)電機尾端安裝變頻啟動系統(tǒng)，取消常規(guī)拖動電機系統(tǒng)。一方面可以減小短路試驗發(fā)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(tǒng)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(tài)監(jiān)測和維護

短路試驗發(fā)電機屬于特殊發(fā)電機，其運行工況惡劣，因此應(yīng)對其進行全生命周期的運行狀態(tài)監(jiān)測和分析，并根據(jù)機組運行分析和診斷結(jié)果進行維護和檢修，以保證機組運行可靠性。

3? ? 結(jié)語

哈爾濱電機廠通過自主研發(fā)，設(shè)計生產(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發(fā)電機。該產(chǎn)品的應(yīng)用，極大地提升了我國大電流電氣設(shè)備質(zhì)量檢測能力和水平，實現(xiàn)了強電流沖擊試驗跨越式發(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。

[參考文獻]

[1] 陳世坤.電機設(shè)計[M].2版.北京：機械工業(yè)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(fā)電機和新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計工作。