浅析60 Hz电源对火电厂主要设备的影响

张小萍

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南250013）

0 引言

近年来，随着我国电力企业对国外电力市场的积极开拓，其参与的国际电站工程EPC总承包项目越来越多，而在这些海外项目中遇到的一个共同问题是，国际上有些国家和地区的电网频率为60 Hz，如亚洲的韩国、朝鲜、日本部分地区、菲律宾、我国台湾，美洲的大部分国家，大洋洲的关岛、塞班等。由于我国的电网频率为50 Hz，因此60 Hz对火电厂项目中电力设备的选用提出了新的要求。火电厂中受频率影响的设备主要为转动机械设备和电气设备。

1 转动机械设备

1．1 汽轮机

（1）本体。50 Hz和60 Hz机组的本体差别主要是在通流设计上，这2种通流在强度、振动、气动方面的设计方法（准则）是相同的，差异仅是强度设计的转速和振动设计的调频基准不同。另外，由于离心力与转速的平方成正比，为了保证相等的应力水平，60 Hz机组的叶片长度应比50 Hz机组的短20%，即50 Hz机组的叶片长度是60 Hz的1．2倍。转速变化带来的激磁频率变化将直接影响调频叶片的设计。由于50 Hz和60 Hz机组的差别主要在通流设计上，2种机组的本体结构形式相同，因此在本体外形和接口上需做少量调整（60 Hz外形会缩小一些），控制系统中DEH软件需改动，转速回路和危急遮断器需重新设置。

（2）辅助系统。需验证轴承的稳定性，重新计算润滑油量，重新设计主油泵，且所有电机需使用60 Hz频率。

1．2 泵与风机

（1）转速对机械强度的影响。对泵体强度的影响：压力与转速的平方成正比，即60 Hz下的压力是50 Hz下的1．44倍，这对泵的强度有明显影响，因此应进行泵的强度校核。对叶轮强度的影响：根据叶轮圆周速度的范围，不同圆周速度对应不同的叶轮材料。因此，应根据规定值和相应的圆周速度选择合适的材料。对轴强度的影响：泵轴主要承受扭转的剪切应力，机械不平衡产生的径向力、轴向力以及由这些力所产生的弯曲应力、拉伸应力都与转速的平方成正比，可见转速对泵轴的强度有明显影响。若泵轴强度不够，应进行强度校核，改用强度更高的轴材料。轴承寿命的校核：轴承寿命除与转速相关外，还与当量动负荷变化有关。在50 Hz和60 Hz下，应注意轴承使用寿命的校核。泵轴临界转速的校核：为避免运行中产生共振，设备频率应避开泵／风机的自振频率。

（2）转速对泵汽蚀的影响。汽蚀相似定律指出：进口几何尺寸相似的泵，在相似工况下运行时，原型和模型泵汽蚀余量之比必须等于叶轮进口几何尺寸平方比和转速平方比的乘积。因此，对于相同的泵，当转速变化时，汽蚀余量随转速的平方成正比关系变化，即当泵的转速提高后，汽蚀余量必须成平方增加，这样就使泵的抗汽蚀性能大大恶化。

（3）转速对泵噪声的影响。随着泵转速的增大，噪声也会增大。

（4）转速对泵振动的影响。对于60 Hz产品应采取措施降低振动，如提高动静平衡精度、选用较高精度的轴承等。

总的来说，60 Hz设备的转速是50 Hz设备的1．2倍，为保证设备安全运行，应根据叶轮的圆周速度进行强度计算和临界转速校核；如果计算值超过了允许值，应使用具有更高强度的材料或降低转速，来满足转速的允许值。

2 静止电磁感应设备

静止电磁感应设备包括变压器、电压互感器、电流互感器等。设电源电压为U，由电磁感应定律得：U＝4．44f N1Φ；从公式可以看出，在电源电压一定时，60 Hz产品的铁心截面小于50 Hz产品。

频率对变压器的励磁电流、铁损、电抗、温升等都有影响，因此频率的变化直接影响到变压器的设计，如绕组匝数和铁心直径的选择。而这些参数的变化又直接影响到变压器性能参数，如空载损耗、负载损耗、励磁电流等。变压器铁心直径的选择将影响到用铁量和用铜量的相对多少，从而直接影响成本的高低。

3 转动电磁感应设备

3．1 发电机

电磁式同步发电机的设计首先依据发电机容量、转速、材料性能和环境条件，根据经验选择适当的电磁负荷As、Bδ，再进一步确定其主要尺寸及参数。

临界转速的影响：高速转动机械设备在启动过程中都有一个临界转速的问题，在临界转速时，转动机械将会产生较大振幅的共振，所以在正常运行时必须避开临界转速。

对发电机机械特性变化可能发生的影响：发电机机械特性中，如转子临界转速，扭振频率，定子机座、铁心、绕组端部等的共振频率若与额定运行频率及其倍频接近，将引起较大振动或运行安全情况变化对振动敏感的问题。

转速增高，转子应力水平将加大，这时可以采用机械性能更高的材料来满足设计要求；为降低铁心损耗，可以选用损耗小的硅钢片；针对振动增加的问题，可以通过良好的转子动平衡将转子不平衡量控制到最小，从而使振动值降到最低。

如为空冷发电机，还应考虑风机的空冷效果。根据风机的比例定律：同一台风机的风量、扬程和轴功率分别与转速的一次方、二次方、三次方成正比。60 Hz周波的汽轮发电机由于转速高，所以在相同条件下风量比50 Hz周波的汽轮发电机高20%，通风情况比50 Hz周波的好，但机械应力也比50 Hz周波的高。

3．2 电动机

高压电动机包括较高参数的泵与风机的电动机，低压电动机包括电动阀门、电动葫芦、卷扬机等执行机构的电动机。异步电动机定子电路电压U1＝－E1＋I1Z1，而E1＝4．44f1N1ФmK1，（K1为定子绕组系数），忽略定子阻抗压降时为U1≈E1＝4．44f1N1ФmK1。从公式可以看出，60 Hz产品的铁心截面小于50 Hz产品。电源频率的变化，影响到电动机的转矩、承载能力、转速、输出功率、运行效率及发热情况等。

4 配电装置

发电厂中的高压电器包括断路器、负荷开关、隔离开关、避雷器、熔断器等设备，其中频率对断路器的影响最大。

4．1 额定电压与额定绝缘水平

工频对工作电压下的某些绝缘性能有影响，以介质损耗为例，60 Hz工频下的容抗较50 Hz工频下的小，介损tgδ会增加，这在使用时应注意。额定绝缘水平用对应的额定雷电冲击耐受电压表示，雷电冲击电压是很陡的冲击电压波，与频率无关。

4．2 额定电流和温升

额定电流主要由主导电回路发热、散热情况及其零部件允许温度来决定。其中，频率对电阻性损耗发热影响不大，50 Hz和60 Hz的试验结果可互用；而对于钢铁件的铁磁损耗发热来说，其工频频率越高，磁通及趋肤效应越大，涡流损耗越大，当某些采用钢铁外壳或大型铁磁零件的50 Hz高压电器用于60 Hz电网时，铁磁损耗会显著增加，发热随之增加，温升也会提高。IEC62271第6．5．2款中对温升试验的允许频率偏差为＋2%～－5%，但同时也说明对邻近载流部分没有铁质元件的敞开式开关装置在50 Hz下进行温升试验时，如果实测的温升值不超过最大允许值的95%，则应当认为该开关装置在60 Hz下的性能得到了验证。

4．3 额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流及额定关合电流

额定短时耐受电流是指在规定条件下和短时间内，开关设备和控制设备在合闸位置能承载的电流有效值。由于时间短，可以看作是绝热过程，因此对主回路导体来说只考虑自身发热。工频变化对导体载流发热影响不大，50 Hz和60 Hz的试验结果可互用。

额定峰值耐受电流与额定关合电流数值是一致的，两电流都是由交流分量和直流分量组成。50 Hz和60 Hz最大峰值电流因半波时间不一致而略有差别，50 Hz半波时间为10 ms，60 Hz为8．3 ms。根据IEC62271第6．6条规定，短时电流试验允许频率偏差为±10%；但同时说明为了便于试验，可能需要更大的频率偏差，如果偏差显著，即如选择额定频率为50 Hz的开关设备并控制设备在60 Hz下试验或反之，则在解释试验结果时应予以注意。另根据IEC62271第4．6条规定，50 Hz系统中，设备的峰值耐受电流是短时耐受电流的2．5倍，而60 Hz系统中，设备的峰值耐受电流是短时耐受电流的2．6倍，这对设备参数提出了更高的要求。

4．4 断路器短路故障的关合和开断

50 Hz和60 Hz的半波时间从10 ms缩短到8．3 ms，三相系统每隔60°依次过零一次，两次连续过零间隔时间由3．3 ms缩短到2．8 ms。如将50 Hz产品应用到60 Hz系统中，最小允许开断时间、燃弧区间、最大开断时间（均以半波数表示）等特性都保持不变的话，则必须进一步提高断路器开断时的弧隙介质恢复强度，如提高分闸速度、缩短分闸时间、提高分合闸同期性、提高SF6气体压力等，否则就要根据断路器而异，在开断电流、开断时间及开断特性方面会有一定程度的牺牲。且在60 Hz时，尽管半波电流通流时间有所降低（电流有效值不变），但电弧电流过零的电流变化率（d i／d t）有所提高，这就增加了过零开断的难度。

5 热工电气测量保护设备

5．1 与采样频率相关的继电保护

与采样频率相关的继电保护包括全电厂范围内的继电保护设备，如与中压开关柜配套的保护装置、与高压输配电相关的线路保护及变压器、发电机等的设备保护装置等。

对于继电保护设备，与频率相关的除了电源模块（与设备电源频率相关）外，主要是模拟量的采样（与电网频率相关）、故障录波和相关频率值的设定等。保护设备中的交流插件上设有模拟量输入变换器，用于将二次交流电压或电流信号隔离变换为小电压信号，经调整后输入到A／D，并通过采样与保持电路转换为数字信号。这些测量值通过不同的采样频率获得。如果50 Hz电网的采样频率为800 Hz，则60 Hz的采样频率为960 Hz，即50 Hz电网每1．25 ms采样一次，而60 Hz系统每1．04 ms采样一次。对于故障录波，60 Hz的记录时间将快于50 Hz。对于某些相关频率保护的设定，也需按照当地的电网频率来进行。

因此，继电保护类产品在硬件上（除电源部分外）没有差异，只是软件的采样处理需要修改，保护原理上是没有差异的，型式试验也没有特殊要求。

5．2 DCS与各种分析仪表

对于DCS与各种分析仪表，与频率相关的主要是设备的电源部分；对于电动执行机构等，受频率影响的也只是在设备的电源部分，且现在的产品多为50 Hz、60 Hz通用产品。

5．3 应急装置

应急装置包括UPS电源模块、直流系统等。与频率相关的部分为电源模块，一般都可接受60 Hz电源。对于铅酸蓄电池，其为直流电压系统，即对电池进行充电和放电时均为直流电，所以不涉及频率问题，只要充放电设备可以接受不同频率即可，与蓄电池没有关系。

6 结语

目前，针对60 Hz火电站项目，大多制造厂遇到的问题是设备试验问题，例如，对泵和风机制造厂来说，很多厂家都不具备60 Hz试验电源；对电气设备而言，大部分厂家无法提供60 Hz型式试验报告和60 Hz厂内试验报告，只能用50 Hz试验报告来代替。但随着制造厂技术的不断开发和越来越多的产品销往海外，对我国主流设备制造厂来说，频率问题将不再是问题。

［1］赵文学．60 Hz发电设备出口的可行性研究［J］．西北电力技术，2003（4）

［2］王晋根．50 Hz高压电器兼用于60 Hz电网的有关技术问题探讨［J］．高压电器，2000（5）