淺談5900MVA 沖擊發電機的結構設計

張亮

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

大功率沖擊發電機是電力制造工業的關鍵測試設備，安裝在大電流高壓試驗室，對輸變電系統中的斷路器、高壓開關、變壓器等設備的動、熱穩定試驗提供強大的沖擊測試能量，這些關鍵設備必須通過嚴酷的測試才能應用到輸、變電系統中。高壓試驗站總體方案與常規發電機不同，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，相當于常規發電機事故工況，發電機結構設計應保證能夠提供沖擊試驗所需的大電流，定子端部結構應能承受頻繁巨大電動力沖擊，在長達30 ～40 年的使用壽命期內具備高可靠性。

1 基本模塊選型

沖擊發電機是瞬態工作性質的特種發電機，其設計理念與設計方法與常規發電機不同。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制造的3000MVA 容量等級沖擊發電機，結合模型測試驗證，探索沖擊發電機的電磁計算方法；經40 余年的不斷努力，自主研發了350 ～6500MVA 系列沖擊發電機，目前是國內唯一能夠設計制造沖擊發電機的發電機制造廠。

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

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

沖擊發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速，以轉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定運行，拖動電動機與沖擊發電機之間設置了彈性軸。盤車齒輪設置在彈性軸與發電機聯軸器之間，供停機、啟機使用。為降低發電機運行噪音，設置了整體隔音罩，降低發電機運行噪音。

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。沖擊發電機為斷續工作制，發電機內部裝設防潮及防凝露的加熱裝置，機組停機時自行啟動，避免發電機絕緣受潮引起性能下降。機組設置手動機械低速剎車裝置，在沖擊發電機停機過程中，低速狀態下即可以投入該剎車裝置，保證發電機轉子在停電情況下能在規定的時間內停止轉動（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、性能可靠的優點，適合沖擊發電機的運行工況。軸承潤滑油的標號為32號透平油，油系統設置高位油箱，以保證在事故斷電情況下，靠重力維持沖擊發電機的軸承供油至惰轉停機。

發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，每個軸承裝設溫度傳感器2 支，溫度計可以就地顯示并預留了通信接口。發電機采用軸流風機實施密閉循環強迫通風冷卻，冷卻器安裝在基礎通風道內，具有漏水檢測報警裝置。

2 并聯運行要求及結構改進措施

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

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

隨著電子控制技術的發展，應用于該領域的數字測速技術已日臻成熟，在成本、可靠性、體積、重量、實用性方面都優于傳統的測速發電機與控制發電機組合配置。所以，采用數字轉速相位檢測系統取代測速發電機與控制發電機組合配置。數字轉速相位檢測系統由一次測速傳感裝置、基地信號箱、遠方轉速表組成。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速顯示、報警、遠方轉速表輸入信號源；一個相位控制盤及接近開關用于提供的電氣脈沖前沿，產生相位測量信號的基準。3 個專用轉速監控器用于過速報警控制，每個監控器配有獨立的轉速傳感器。為保證相位測量齒盤不會影響轉子裝配的動平衡，測速齒盤經單獨動平衡處理。

該配置能夠使輸出信號嚴格與沖擊發電機轉子同步，消除了以往技術存在的轉速非同步抖動現象以及相位同步的偏差，避免了環流等問題，轉速脈沖傳感器與相位脈沖傳感器以及轉換電路性能可靠，不存在以往技術的機械結構的損壞問題，使沖擊發電機能夠同步可靠并聯運行，對被測試部件實施精確測試，并做到精確同步，性能穩定可靠。

3 發電機主要性能參數

發電機額定頻率為50Hz，（額定轉速：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定的正弦波形。沖擊發電機在進行試驗時，工頻恢復電壓滿足國家標準要求（包括GJB5A、GB14048.1、GB/T25890.2、GB1984、GB3906 等標準）。

發電機能承受峰值為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 結語

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