張亮

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

大功率沖擊發(fā)電機(jī)是電力制造工業(yè)的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備，安裝在大電流高壓試驗(yàn)室，對(duì)輸變電系統(tǒng)中的斷路器、高壓開(kāi)關(guān)、變壓器等設(shè)備的動(dòng)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)提供強(qiáng)大的沖擊測(cè)試能量，這些關(guān)鍵設(shè)備必須通過(guò)嚴(yán)酷的測(cè)試才能應(yīng)用到輸、變電系統(tǒng)中。高壓試驗(yàn)站總體方案與常規(guī)發(fā)電機(jī)不同，其運(yùn)行特點(diǎn)就是整個(gè)運(yùn)行工況都是處于突然短路的瞬變過(guò)程，相當(dāng)于常規(guī)發(fā)電機(jī)事故工況，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證能夠提供沖擊試驗(yàn)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(dòng)力沖擊，在長(zhǎng)達(dá)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(jī)是瞬態(tài)工作性質(zhì)的特種發(fā)電機(jī)，其設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)方法與常規(guī)發(fā)電機(jī)不同。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱HEC），20 世紀(jì)70 年代初期開(kāi)始維修前蘇聯(lián)制造的3000MVA 容量等級(jí)沖擊發(fā)電機(jī)，結(jié)合模型測(cè)試驗(yàn)證，探索沖擊發(fā)電機(jī)的電磁計(jì)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(jī)，目前是國(guó)內(nèi)唯一能夠設(shè)計(jì)制造沖擊發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)制造廠。

短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)的性能要求是依據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，根據(jù)該合同項(xiàng)目的試驗(yàn)性能要求，所配套的沖擊發(fā)電機(jī)的出口短路容量為5900MVA，即5900MVA 沖擊發(fā)電機(jī)。而HEC 以往的沖擊發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的最大容量等級(jí)是6500MVA 沖擊發(fā)電機(jī)，與該項(xiàng)目的容量等級(jí)接近。實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)，即采用6500MVA 沖擊發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、縮短主體電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以縮短設(shè)計(jì)周期，避免投入過(guò)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(jì)的5900MVA 沖擊發(fā)電機(jī)與6500MVA 沖擊發(fā)電機(jī)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(zhǎng)度，以及軸承跨距，由此達(dá)到基本結(jié)構(gòu)件及工藝裝備的通用性。電磁設(shè)計(jì)充分權(quán)衡以最小的結(jié)構(gòu)變動(dòng)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(zhǎng)度、軸伸長(zhǎng)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(dòng)等運(yùn)行穩(wěn)定性要求。

沖擊發(fā)電機(jī)允許三相及兩相短路方式運(yùn)行，由拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，以轉(zhuǎn)子慣性儲(chǔ)能提供沖擊能量。為保證沖擊負(fù)載不至于影響軸系的穩(wěn)定運(yùn)行，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)與沖擊發(fā)電機(jī)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(jī)聯(lián)軸器之間，供停機(jī)、啟機(jī)使用。為降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行噪音，設(shè)置了整體隔音罩，降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行噪音。

出線方式為三相六個(gè)引出端，位于定子下方，在非拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)端引出。定子繞組Y 接線方式，運(yùn)行方式為三相及兩相運(yùn)行，以三相運(yùn)行為主，防護(hù)等級(jí)為IP23。沖擊發(fā)電機(jī)為斷續(xù)工作制，發(fā)電機(jī)內(nèi)部裝設(shè)防潮及防凝露的加熱裝置，機(jī)組停機(jī)時(shí)自行啟動(dòng)，避免發(fā)電機(jī)絕緣受潮引起性能下降。機(jī)組設(shè)置手動(dòng)機(jī)械低速剎車裝置，在沖擊發(fā)電機(jī)停機(jī)過(guò)程中，低速狀態(tài)下即可以投入該剎車裝置，保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在停電情況下能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)（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(dòng)值低、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，適合沖擊發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況。軸承潤(rùn)滑油的標(biāo)號(hào)為32號(hào)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(jī)的軸承供油至惰轉(zhuǎn)停機(jī)。

發(fā)電機(jī)的測(cè)溫元件為三線制Pt100 鉑電阻測(cè)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(gè)進(jìn)、出風(fēng)口溫度傳感器各2 個(gè)，每個(gè)軸承裝設(shè)溫度傳感器2 支，溫度計(jì)可以就地顯示并預(yù)留了通信接口。發(fā)電機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)實(shí)施密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，冷卻器安裝在基礎(chǔ)通風(fēng)道內(nèi)，具有漏水檢測(cè)報(bào)警裝置。

2 并聯(lián)運(yùn)行要求及結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

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

目前，采用在沖擊發(fā)電機(jī)軸端連接小型測(cè)速發(fā)電機(jī)和控制發(fā)電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)沖擊發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制的方法，利用同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)提供轉(zhuǎn)速控制信號(hào)、控制發(fā)電機(jī)提供連續(xù)的相位同步控制信號(hào)，對(duì)并聯(lián)機(jī)組的同步進(jìn)行控制。但這種控制系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題和隱患：首先是小型測(cè)速發(fā)電機(jī)和控制發(fā)電機(jī)的小型滾動(dòng)軸承難以承受沖擊發(fā)電機(jī)大型滑動(dòng)軸承的浮動(dòng)間隙，不能同軸剛性連接，必須采用槽榫聯(lián)軸器。傳動(dòng)松框量造成轉(zhuǎn)動(dòng)不同步，使并聯(lián)運(yùn)行的沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生抖動(dòng)且相位同步也存在隨機(jī)偏差，造成環(huán)流，影響了測(cè)試精度，也使沖擊發(fā)電機(jī)受到過(guò)高的沖擊力及非正常發(fā)熱；槽榫聯(lián)軸器及小型測(cè)速發(fā)電機(jī)和控制發(fā)電機(jī)的軸承在脈沖抖動(dòng)的影響下也經(jīng)常發(fā)生損壞，影響了試驗(yàn)站的正常運(yùn)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(jī)能夠同步并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)被測(cè)試部件實(shí)施精確測(cè)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(cè)速技術(shù)已日臻成熟，在成本、可靠性、體積、重量、實(shí)用性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)與控制發(fā)電機(jī)組合配置。所以，采用數(shù)字轉(zhuǎn)速相位檢測(cè)系統(tǒng)取代測(cè)速發(fā)電機(jī)與控制發(fā)電機(jī)組合配置。數(shù)字轉(zhuǎn)速相位檢測(cè)系統(tǒng)由一次測(cè)速傳感裝置、基地信號(hào)箱、遠(yuǎn)方轉(zhuǎn)速表組成。一次測(cè)速傳感裝置由一個(gè)測(cè)速齒盤與霍爾傳感器組成，提供的電氣脈沖信號(hào)用于轉(zhuǎn)速顯示、報(bào)警、遠(yuǎn)方轉(zhuǎn)速表輸入信號(hào)源；一個(gè)相位控制盤及接近開(kāi)關(guān)用于提供的電氣脈沖前沿，產(chǎn)生相位測(cè)量信號(hào)的基準(zhǔn)。3 個(gè)專用轉(zhuǎn)速監(jiān)控器用于過(guò)速報(bào)警控制，每個(gè)監(jiān)控器配有獨(dú)立的轉(zhuǎn)速傳感器。為保證相位測(cè)量齒盤不會(huì)影響轉(zhuǎn)子裝配的動(dòng)平衡，測(cè)速齒盤經(jīng)單獨(dú)動(dòng)平衡處理。

該配置能夠使輸出信號(hào)嚴(yán)格與沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步，消除了以往技術(shù)存在的轉(zhuǎn)速非同步抖動(dòng)現(xiàn)象以及相位同步的偏差，避免了環(huán)流等問(wèn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞問(wèn)題，使沖擊發(fā)電機(jī)能夠同步可靠并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)被測(cè)試部件實(shí)施精確測(cè)試，并做到精確同步，性能穩(wěn)定可靠。

3 發(fā)電機(jī)主要性能參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定頻率為50Hz，（額定轉(zhuǎn)速：3000r/min），額定空載電壓為13.2kV（Y 接）?？蛰d電壓和短路電流（三相及兩相短路）波形符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正弦波形。沖擊發(fā)電機(jī)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，工頻恢復(fù)電壓滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（包括GJB5A、GB14048.1、GB/T25890.2、GB1984、GB3906 等標(biāo)準(zhǔn)）。

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

發(fā)電機(jī)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(fù)序電抗為29.25mΩ。

4 結(jié)語(yǔ)

模塊化、系列化設(shè)計(jì)是國(guó)際國(guó)內(nèi)各大發(fā)電機(jī)制造廠設(shè)計(jì)制造透平發(fā)電機(jī)慣用的設(shè)計(jì)手段，能夠卓有成效地縮短設(shè)計(jì)制造周期、降低設(shè)計(jì)制造成本與設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；沖擊發(fā)電機(jī)采用模塊化、系列化設(shè)計(jì)也是行之有效的。采用數(shù)字轉(zhuǎn)速相位檢測(cè)系統(tǒng)，用于提供控制并聯(lián)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速及相位參數(shù)信號(hào)能夠達(dá)到?jīng)_擊發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求及可靠性要求。