浅谈5900MVA 冲击发电机的结构设计

张亮

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

大功率冲击发电机是电力制造工业的关键测试设备，安装在大电流高压试验室，对输变电系统中的断路器、高压开关、变压器等设备的动、热稳定试验提供强大的冲击测试能量，这些关键设备必须通过严酷的测试才能应用到输、变电系统中。高压试验站总体方案与常规发电机不同，其运行特点就是整个运行工况都是处于突然短路的瞬变过程，相当于常规发电机事故工况，发电机结构设计应保证能够提供冲击试验所需的大电流，定子端部结构应能承受频繁巨大电动力冲击，在长达30 ～40 年的使用寿命期内具备高可靠性。

1 基本模块选型

冲击发电机是瞬态工作性质的特种发电机，其设计理念与设计方法与常规发电机不同。哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称HEC），20 世纪70 年代初期开始维修前苏联制造的3000MVA 容量等级冲击发电机，结合模型测试验证，探索冲击发电机的电磁计算方法；经40 余年的不断努力，自主研发了350 ～6500MVA 系列冲击发电机，目前是国内唯一能够设计制造冲击发电机的发电机制造厂。

短路试验发电机的性能要求是依据用户要求进行设计的，根据该合同项目的试验性能要求，所配套的冲击发电机的出口短路容量为5900MVA，即5900MVA 冲击发电机。而HEC 以往的冲击发电机产品的最大容量等级是6500MVA 冲击发电机，与该项目的容量等级接近。实施模块化设计，即采用6500MVA 冲击发电机的基本结构、缩短主体电磁结构设计可以缩短设计周期，避免投入过多工艺装备，降低制造成本，提高产品质量。

采用模块化设计的5900MVA 冲击发电机与6500MVA 冲击发电机具有相同的定子、转子横断面结构以及端部结构，其不同之处基本仅限于定子、转子的本体长度，以及轴承跨距，由此达到基本结构件及工艺装备的通用性。电磁设计充分权衡以最小的结构变动适应新的性能要求，如转子线圈的匝数、线规等关键参数；转子本体长度、轴伸长度与直径、轴承跨距的变化充分权衡了转子临界转速、2 倍频振动等运行稳定性要求。

冲击发电机允许三相及两相短路方式运行，由拖动电动机带动至额定转速，以转子惯性储能提供冲击能量。为保证冲击负载不至于影响轴系的稳定运行，拖动电动机与冲击发电机之间设置了弹性轴。盘车齿轮设置在弹性轴与发电机联轴器之间，供停机、启机使用。为降低发电机运行噪音，设置了整体隔音罩，降低发电机运行噪音。

出线方式为三相六个引出端，位于定子下方，在非拖动电动机端引出。定子绕组Y 接线方式，运行方式为三相及两相运行，以三相运行为主，防护等级为IP23。冲击发电机为断续工作制，发电机内部装设防潮及防凝露的加热装置，机组停机时自行启动，避免发电机绝缘受潮引起性能下降。机组设置手动机械低速刹车装置，在冲击发电机停机过程中，低速状态下即可以投入该刹车装置，保证发电机转子在停电情况下能在规定的时间内停止转动（不大于40min），避免轴承断油引起轴承烧毁事故。

采用座式轴承、椭圆轴瓦，具有振动值低、性能可靠的优点，适合冲击发电机的运行工况。轴承润滑油的标号为32号透平油，油系统设置高位油箱，以保证在事故断电情况下，靠重力维持冲击发电机的轴承供油至惰转停机。

发电机的测温元件为三线制Pt100 铂电阻测温元件，每相定子绕组槽内埋置4 只温度传感器，定子绕组端部每端埋置15 只温度传感器，每个进、出风口温度传感器各2 个，每个轴承装设温度传感器2 支，温度计可以就地显示并预留了通信接口。发电机采用轴流风机实施密闭循环强迫通风冷却，冷却器安装在基础通风道内，具有漏水检测报警装置。

2 并联运行要求及结构改进措施

伴随着电网规模及容量的不断升级，被试设备的开断电流及测试容量也在不断提高，对冲击发电机的容量的要求也一直呈现上升趋势，采用冲击发电机并联运行可以解决测试容量与测试电流不断增加的需求。虽然同步发电机并网运行技术早已成熟可靠，但冲击发电机的运行方式是间歇瞬时工作制，无法像常规同步发电机那样提供同步控制所需的相对稳定的控制信号，冲击过程的脉冲干扰也会对控制系统产生危险因素。

目前，采用在冲击发电机轴端连接小型测速发电机和控制发电机的方式实现冲击发电机并联运行控制的方法，利用同轴转动的测速发电机提供转速控制信号、控制发电机提供连续的相位同步控制信号，对并联机组的同步进行控制。但这种控制系统存在诸多问题和隐患：首先是小型测速发电机和控制发电机的小型滚动轴承难以承受冲击发电机大型滑动轴承的浮动间隙，不能同轴刚性连接，必须采用槽榫联轴器。传动松框量造成转动不同步，使并联运行的冲击发电机转速产生抖动且相位同步也存在随机偏差，造成环流，影响了测试精度，也使冲击发电机受到过高的冲击力及非正常发热；槽榫联轴器及小型测速发电机和控制发电机的轴承在脉冲抖动的影响下也经常发生损坏，影响了试验站的正常运行。为此需要提供一种性能可靠的结构方案，使冲击发电机能够同步并联运行，对被测试部件实施精确测试，并做到精确同步，消除环流及各种非正常影响，隔绝脉冲干扰，性能稳定可靠。

随着电子控制技术的发展，应用于该领域的数字测速技术已日臻成熟，在成本、可靠性、体积、重量、实用性方面都优于传统的测速发电机与控制发电机组合配置。所以，采用数字转速相位检测系统取代测速发电机与控制发电机组合配置。数字转速相位检测系统由一次测速传感装置、基地信号箱、远方转速表组成。一次测速传感装置由一个测速齿盘与霍尔传感器组成，提供的电气脉冲信号用于转速显示、报警、远方转速表输入信号源；一个相位控制盘及接近开关用于提供的电气脉冲前沿，产生相位测量信号的基准。3 个专用转速监控器用于过速报警控制，每个监控器配有独立的转速传感器。为保证相位测量齿盘不会影响转子装配的动平衡，测速齿盘经单独动平衡处理。

该配置能够使输出信号严格与冲击发电机转子同步，消除了以往技术存在的转速非同步抖动现象以及相位同步的偏差，避免了环流等问题，转速脉冲传感器与相位脉冲传感器以及转换电路性能可靠，不存在以往技术的机械结构的损坏问题，使冲击发电机能够同步可靠并联运行，对被测试部件实施精确测试，并做到精确同步，性能稳定可靠。

3 发电机主要性能参数

发电机额定频率为50Hz，（额定转速：3000r/min），额定空载电压为13.2kV（Y 接）。空载电压和短路电流（三相及两相短路）波形符合我国标准规定的正弦波形。冲击发电机在进行试验时，工频恢复电压满足国家标准要求（包括GJB5A、GB14048.1、GB/T25890.2、GB1984、GB3906 等标准）。

发电机能承受峰值为728kA 的事故电流而无任何损坏，允许使用最大工作短路电流超瞬变对称分量有效值260kA，最大工作电流峰值为596kA。

发电机超瞬变电抗(饱和值）为29.25mΩ，超瞬变电抗(不饱和值)为33.40mΩ；瞬变电抗(饱和值)为46.03mΩ，瞬变电抗(不饱和值)为52.08mΩ；同步电抗为690.5mΩ；负序电抗为29.25mΩ。

4 结语

模块化、系列化设计是国际国内各大发电机制造厂设计制造透平发电机惯用的设计手段，能够卓有成效地缩短设计制造周期、降低设计制造成本与设计风险；冲击发电机采用模块化、系列化设计也是行之有效的。采用数字转速相位检测系统，用于提供控制并联运行的转速及相位参数信号能够达到冲击发电机运行要求及可靠性要求。