3200MVA 等级短路试验发电机升级换代技术

靳慧勇 赵永昌 梁洪涛

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 概述

电力系统发展日益发展，系统中的高、中压断路器、电器开关、变压器、电缆等元件的电气强度、瞬态大电流冲击和热稳定等安全稳定指标也相应提高，因此短路试验发电机[1]参数和性能需进一步提升，以满足试验和检测要求。

2 短路试验发电机升级换代

早期投运的第一代3200MVA 短路试验发电机因设计和制造工艺等技术条件有限，转子漏抗大和直轴瞬变电抗大，造成发电机短路电流在初始短路过程中衰减大，并且发电机运行工况单一，仅可在50Hz 及以下运行，发电机时间常数、电抗参数和运行工况限制了试验能力和范围，急需采用一系列先进技术全面提升短路试验发电机参数和性能。

2.1 短路试验发电机组构成

短路试验发电机、控制和保护系统、拖动电动机、励磁系统、润滑油和冷却水等辅助系统等构成短路试验发电机组主要由，如图1 所示。

图1 短路试验发电机组

有别于传统发电机，短路试验发电机工作方式为非连续间断运行，并通过在规定的工作电压下突然短路产生的巨大短路电流检验测试对象。根据考核试验要求越来越严格，在短路时间过程中，要求短路电流衰减小，短路电流幅值平稳，且能迅速通过强励维持定子工作电压，对短路试验电抗参数、时间常数和发电机结构设计要求也越来越高[2]。

2.2 短路试验发电机参数升级

为了满足电力系统中电气开关试验需求不断提高和变化，总结原有短路试验发电机设计特点和运行特点，进行了升级换代，具体参数如表1 所示。

表1 短路试验发电机技术参数优化

第一代3200MVA 短路试验发电机转子结构侧重于常规汽轮发电机，转子槽深而窄，且串联匝数多，转子短路时间常数和Xd′/Xd′′比值大，造成在短路过程中强励下恢复电压不明显，短路电流衰减大，其中发电机关键直轴瞬态电抗等效电路图如图2 所示。

图2 瞬态等效电路

图3 转子优化设计

式中Xe为定子槽部和端部合成总漏抗，r1定子绕组直流电阻，Xad为直轴电枢反应电抗，Xf为励磁等效绕组漏抗。

第二代3200MVA 短路试验发电机为提高发电机短路特性，根据上式等效电路法，直轴超瞬态电抗主要由转子绕组漏抗决定，依据电机设计原理，提出针对性的宽浅转子槽型和转子线圈少匝等优化设计方式，提升发电机性能。

通过上述措施和真机试验，直轴超瞬态电抗计算值与试验值一致，达到了预期目的，较上一代机组电抗参数降低了47%,并且兼容60Hz 运行，全面提升了发电机短路性能和试验范围。

根据参数对第一代和第二代短路试验发电机进行三相短路仿真计算，外部阻抗101mΩ，强励倍数为5，试验发电机短路电流分别如图4 和图5 所示，短路电流峰值如表2 所示。可以看出，第二代发电机电流衰减和幅值等短路特性优于第一代。

表2 定子电流各个分量结果数据

图4 第一代短路试验发电机短路电流

图5 第二代短路试验发电机短路电流

第三代短路试验发电机为了适应试验对象的电压提升以及试验时对电压恢复率要求，基于第二代短路试验发电机基础上，在发电机主要尺寸不变条件下，即发电机电抗参数和时间常数基本不变，优化定子铁心结构，增加铁心电磁体积，实现定子电压提高至13.2kV,同时也相应提高了机端短路容量。

2.3 短路试验发电机结构优化

短路试验发电机结构仍基于传统汽轮发电机设计，但结合上一代短路试验发电机运行问题针，亦对发电机局部结构进行优化，以提高发电机安全可靠性。

2.3.1 转子本体

优化转子本体齿槽应力和槽型，提高转子刚强度，并采用刚性转子设计，发电机满足60Hz 及以下全频率运行。

2.3.2 转子引线

发电机电磁参数升级后，转子励磁电流增加，需增大转子引线截面，降低转子电流密度和温升，同时根据一代发电机运行经验，现有转子引线问顶连结构，离心半径大，不适宜高转速运行，采用底连结构，并设有柔性结构以适应机组频繁启停，如图6 所示。

图6 转子引线结构

2.3.3 阻尼系统

转子槽楔和阻尼槽楔均为整体加工，无接缝和接触电阻，并与铜制阻尼瓦形成转子全而强阻尼系统，如图7所示。

图7 短路试验发电机全阻尼系统

2.3.4 定子端部结构

短路试验发电机频繁试验，在短路过程中定子压圈等金属部件存在感应电势，内外压圈在局部安装位置因接触不良造成放电拉弧。为消除定子端部金属结构件局部放电，在内外压圈把合位置增加接地片，如图8 所示，形成等电位，消除局部放电和电弧。

图8 定子端部接地装置

2.3.5 智慧化监测系统

随着发电机数字化和智慧化发展，作为电力系统试验设备重要部件的短路试验发电机需与时俱进，通过对绝缘系统进行电热联合老化、冷热循环、交直流耐压、介损、局放、、电晕、等试验项目，结合机组运行数据记录以及历次停机检修时的试验结果；以及采用无损的检测，对服役机组转轴、护环、联轴器、槽楔等关键受力部件的使用状态以及化学成分、硬度、金相组织进行检查，评估部件的疲劳寿命，多个角度对发电机进行综合状态诊断评估，制定系统的维护保养方案，延长机组使用寿命。

3 结论

哈尔滨电机厂有限责任公司通过继承、总结短路现有短路试验发电机设计、制造和运维技术和经验，进行自主研发和多方位的技术创新，对短路试验发电机进行了系列化、全方位的技术升级换代，全面提升了短路试验发电机性能和适应性。目前新一代短路试验发电机目前已经投运3 台，发电机设计设计参数全面满足设计预提，机组运行性能优良。