大容量短路试验发电机参数及结构优化设计

靳慧勇 赵永昌 梁洪涛

摘  要：短路试验发电机对于提升国家电力系统运行水平和大电流试验效果能够发挥重要作用。现主要介绍哈尔滨电机厂有限公司自主设计的不同类型和不同容量大型短路试验发电机的主要技术参数和设计结构特点，并进行了优化设计。

关键词：短路试验发电机;有功;无功;容量;设计特点

0    引言

随着我国输电系统电压、容量以及输电距离不断提升，高压断路器和变压器等元件的重要性显得更为突出，短路试验发电机（冲击发电机）可用于电力系统中的高压电器如高中压断路器、电气开关、变压器、电缆等元件的短路电流开断、电气强度、短时承受能力、高瞬态电流和热稳定等项试验，因此大容量短路试验发电机对保证电网和电力系统安全运行具有十分重要的地位和作用。

1    短路试验发电机参数选型和优化

短路发电机[1]作为试验对象，需要在短时间内承受极大电流，工作在常规发电机的突然短路状态，同时随着试验对象的参数日趋提高，对短路试验发电机短路电流、额定电压以及电流和电压衰减的要求也越来越高。

1.1    短路试验发电机组工作原理

短路试验发电机先由电动机拖动，当转速达到额定转速后，输入励磁建立电压，在额定空载电压下机械能经瞬态短路后变为电能，即短路期间巨大的电流被输送到试验对象上。根据短路试验要求，发电机在短短的1 s时间或几个周波内将流过巨大的短路电流，这就要求超瞬变电抗和瞬变电抗越小越好，且两者越接近越好。同时要求短路试验发电机时间常数适当，时间常数大，即短路电流衰减小，但不利于励磁系统施加强励。

1.2    短路试验发电机参数选型和优化

无功短路试验发电机主要技术参数如表1所示。

基于QFCJ-6500-2和QFCJ-3200-2型短路试验发电机，通过电磁参数优化，先后开发了5 900 MVA和两种不同电压等级的3 200 MVA短路试验发电机，优化后机组Xd′/Xd″比值降低，进一步降低了短路过程中电流衰减。同时根据用户的特殊需求，开发了18 kV等级高压短路试验发电机。

1.3    短路试验发電机结构特点

短路试验发电机采用卧式隐极式交流同步发电机结构，座式轴承，为了在短路过程中施加和控制励磁，通常采用静止励磁系统。发电机工作制为间断运行，为保证发电机安全可靠运行，发电机组采用空气冷却，定子铁芯、绕组为多路径向通风，转子空外冷。

定子采用整体机座，铁芯采用高导磁性、低损耗的无取向硅钢片叠制，铁芯与机座之间设置弹性定位筋，同时在铁芯两端由整体压圈与定位筋螺杆将铁芯压紧。为了对抗突然短路时的巨大电动力，定位筋与机座焊接固定，并且发电机铁芯端部无阶梯段铁芯，有扩槽，在此处垫涤纶毡用环氧填料将线圈固定牢靠。因为短路试验发电机在极短时间内流过巨大的电流产生的电动力作用在绕组端部会引起绕组振动和变形，同时冲击发电机每年要进行数千次短路试验，定子绕组端部采用特有的屏蔽结构及端部环氧树脂灌注填充工艺，保证发电机安全可靠运行。

根据试验工况需求，发电机可以进行三相短路试验也可以进行两相短路试验。同时为了满足系统强励要求，转子槽内设置通长阻尼绕组和槽楔全阻尼绕组。

2    短路试验发电机结构优化

2.1    提升机组工况适用性

扩大机组适用范围，对发电机转子本体结构进行优化设计，以使发电机可以兼容50 Hz和60 Hz运行工况。

2.2    提高发电机短路容量和工作电压

短路试验发电机机端短路容量与发电机及工作电压平方成正比，与超瞬变电抗成反比，因此提升发电机工作电压是提高发电机短路容量最有效的方式。同时随着电力系统和电网容量、电压不断提高，现有短路试验发电机工作电压已不满足试验设备的要求。现有短路试验发电机最高工作电压为15 kV，后续可根据用户需求提高发电机工作电压至18～20 kV。

2.3    优化机组设备

短路试验发电机组包括发电机、拖动系统、冷却系统、润滑油系统。随着技术进步，可进一步优化机组系统，在发电机尾端安装变频启动系统，取消常规拖动电机系统。一方面可以减小短路试验发电机机组轴系长度，缩短厂房长度，降低造价;另一方面，变频启动系统日益成熟，智能化程度高，可以提高机组的可靠性，减少机组的维护。

2.4    机组状态监测和维护

短路试验发电机属于特殊发电机，其运行工况恶劣，因此应对其进行全生命周期的运行状态监测和分析，并根据机组运行分析和诊断结果进行维护和检修，以保证机组运行可靠性。

3    结语

哈尔滨电机厂通过自主研发，设计生产制造了具有自主知识产权的不同类型大型短路试验发电机。该产品的应用，极大地提升了我国大电流电气设备质量检测能力和水平，实现了强电流冲击试验跨越式发展，为我国高压、特高压输变电技术和装备的发展创造了良好条件。

[参考文献]

[1] 陈世坤.电机设计[M].2版.北京：机械工业出版社，2004.

收稿日期：2020-07-03

作者简介：靳慧勇（1979—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，高级工程师，从事汽轮发电机和新产品开发设计工作。