3200MVA 等級(jí)短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)升級(jí)換代技術(shù)

靳慧勇 趙永昌 梁洪濤

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

電力系統(tǒng)發(fā)展日益發(fā)展，系統(tǒng)中的高、中壓斷路器、電器開(kāi)關(guān)、變壓器、電纜等元件的電氣強(qiáng)度、瞬態(tài)大電流沖擊和熱穩(wěn)定等安全穩(wěn)定指標(biāo)也相應(yīng)提高，因此短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)[1]參數(shù)和性能需進(jìn)一步提升，以滿足試驗(yàn)和檢測(cè)要求。

2 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)升級(jí)換代

早期投運(yùn)的第一代3200MVA 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)因設(shè)計(jì)和制造工藝等技術(shù)條件有限，轉(zhuǎn)子漏抗大和直軸瞬變電抗大，造成發(fā)電機(jī)短路電流在初始短路過(guò)程中衰減大，并且發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況單一，僅可在50Hz 及以下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)、電抗參數(shù)和運(yùn)行工況限制了試驗(yàn)?zāi)芰头秶?，急需采用一系列先進(jìn)技術(shù)全面提升短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)參數(shù)和性能。

2.1 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)、控制和保護(hù)系統(tǒng)、拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、潤(rùn)滑油和冷卻水等輔助系統(tǒng)等構(gòu)成短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組主要由，如圖1 所示。

圖1 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組

有別于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)工作方式為非連續(xù)間斷運(yùn)行，并通過(guò)在規(guī)定的工作電壓下突然短路產(chǎn)生的巨大短路電流檢驗(yàn)測(cè)試對(duì)象。根據(jù)考核試驗(yàn)要求越來(lái)越嚴(yán)格，在短路時(shí)間過(guò)程中，要求短路電流衰減小，短路電流幅值平穩(wěn)，且能迅速通過(guò)強(qiáng)勵(lì)維持定子工作電壓，對(duì)短路試驗(yàn)電抗參數(shù)、時(shí)間常數(shù)和發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高[2]。

2.2 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)參數(shù)升級(jí)

為了滿足電力系統(tǒng)中電氣開(kāi)關(guān)試驗(yàn)需求不斷提高和變化，總結(jié)原有短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)行了升級(jí)換代，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

第一代3200MVA 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)側(cè)重于常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子槽深而窄，且串聯(lián)匝數(shù)多，轉(zhuǎn)子短路時(shí)間常數(shù)和Xd′/Xd′′比值大，造成在短路過(guò)程中強(qiáng)勵(lì)下恢復(fù)電壓不明顯，短路電流衰減大，其中發(fā)電機(jī)關(guān)鍵直軸瞬態(tài)電抗等效電路圖如圖2 所示。

圖2 瞬態(tài)等效電路

圖3 轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)

式中Xe為定子槽部和端部合成總漏抗，r1定子繞組直流電阻，Xad為直軸電樞反應(yīng)電抗，Xf為勵(lì)磁等效繞組漏抗。

第二代3200MVA 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)為提高發(fā)電機(jī)短路特性，根據(jù)上式等效電路法，直軸超瞬態(tài)電抗主要由轉(zhuǎn)子繞組漏抗決定，依據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)原理，提出針對(duì)性的寬淺轉(zhuǎn)子槽型和轉(zhuǎn)子線圈少匝等優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，提升發(fā)電機(jī)性能。

通過(guò)上述措施和真機(jī)試驗(yàn)，直軸超瞬態(tài)電抗計(jì)算值與試驗(yàn)值一致，達(dá)到了預(yù)期目的，較上一代機(jī)組電抗參數(shù)降低了47%,并且兼容60Hz 運(yùn)行，全面提升了發(fā)電機(jī)短路性能和試驗(yàn)范圍。

根據(jù)參數(shù)對(duì)第一代和第二代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)進(jìn)行三相短路仿真計(jì)算，外部阻抗101mΩ，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為5，試驗(yàn)發(fā)電機(jī)短路電流分別如圖4 和圖5 所示，短路電流峰值如表2 所示?？梢钥闯觯诙l(fā)電機(jī)電流衰減和幅值等短路特性優(yōu)于第一代。

表2 定子電流各個(gè)分量結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 第一代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)短路電流

圖5 第二代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)短路電流

第三代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)為了適應(yīng)試驗(yàn)對(duì)象的電壓提升以及試驗(yàn)時(shí)對(duì)電壓恢復(fù)率要求，基于第二代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上，在發(fā)電機(jī)主要尺寸不變條件下，即發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)和時(shí)間常數(shù)基本不變，優(yōu)化定子鐵心結(jié)構(gòu)，增加鐵心電磁體積，實(shí)現(xiàn)定子電壓提高至13.2kV,同時(shí)也相應(yīng)提高了機(jī)端短路容量。

2.3 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)仍基于傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，但結(jié)合上一代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行問(wèn)題針，亦對(duì)發(fā)電機(jī)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高發(fā)電機(jī)安全可靠性。

2.3.1 轉(zhuǎn)子本體

優(yōu)化轉(zhuǎn)子本體齒槽應(yīng)力和槽型，提高轉(zhuǎn)子剛強(qiáng)度，并采用剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)滿足60Hz 及以下全頻率運(yùn)行。

2.3.2 轉(zhuǎn)子引線

發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)升級(jí)后，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流增加，需增大轉(zhuǎn)子引線截面，降低轉(zhuǎn)子電流密度和溫升，同時(shí)根據(jù)一代發(fā)電機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有轉(zhuǎn)子引線問(wèn)頂連結(jié)構(gòu)，離心半徑大，不適宜高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，采用底連結(jié)構(gòu)，并設(shè)有柔性結(jié)構(gòu)以適應(yīng)機(jī)組頻繁啟停，如圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)子引線結(jié)構(gòu)

2.3.3 阻尼系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子槽楔和阻尼槽楔均為整體加工，無(wú)接縫和接觸電阻，并與銅制阻尼瓦形成轉(zhuǎn)子全而強(qiáng)阻尼系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)全阻尼系統(tǒng)

2.3.4 定子端部結(jié)構(gòu)

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)頻繁試驗(yàn)，在短路過(guò)程中定子壓圈等金屬部件存在感應(yīng)電勢(shì)，內(nèi)外壓圈在局部安裝位置因接觸不良造成放電拉弧。為消除定子端部金屬結(jié)構(gòu)件局部放電，在內(nèi)外壓圈把合位置增加接地片，如圖8 所示，形成等電位，消除局部放電和電弧。

圖8 定子端部接地裝置

2.3.5 智慧化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著發(fā)電機(jī)數(shù)字化和智慧化發(fā)展，作為電力系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備重要部件的短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)需與時(shí)俱進(jìn)，通過(guò)對(duì)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行電熱聯(lián)合老化、冷熱循環(huán)、交直流耐壓、介損、局放、、電暈、等試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄以及歷次停機(jī)檢修時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果；以及采用無(wú)損的檢測(cè)，對(duì)服役機(jī)組轉(zhuǎn)軸、護(hù)環(huán)、聯(lián)軸器、槽楔等關(guān)鍵受力部件的使用狀態(tài)以及化學(xué)成分、硬度、金相組織進(jìn)行檢查，評(píng)估部件的疲勞壽命，多個(gè)角度對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行綜合狀態(tài)診斷評(píng)估，制定系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)方案，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。

3 結(jié)論

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司通過(guò)繼承、總結(jié)短路現(xiàn)有短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行自主研發(fā)和多方位的技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了系列化、全方位的技術(shù)升級(jí)換代，全面提升了短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)性能和適應(yīng)性。目前新一代短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)目前已經(jīng)投運(yùn)3 臺(tái)，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)全面滿足設(shè)計(jì)預(yù)提，機(jī)組運(yùn)行性能優(yōu)良。