哈尔滨电机厂有限责任公司 靳慧勇 谢玉增 梁洪涛 翟超

短路试验发电机设计综述和参数选型

哈尔滨电机厂有限责任公司 靳慧勇 谢玉增 梁洪涛 翟超

短路试验发电机对于提高国家电力系统和大电流试验发挥重要作用，本文介绍了哈尔滨电机厂有限公司自主设计的不同类型和不同容量的大型短路试验发电机的主要技术参数和设计结构特点。

短路试验发电机有功无功容量设计特点

0　引言

短路试验发电机［1］是一种特殊的发电机，常规的发电机一旦出现突然短路将会被视为严重事故， 因为巨大的短路电流往往会不同程度损坏发电机，但这种发电机正常运行过程即是短时工作在巨大电流状态。随着我国输电系统电压、容量以及距离不断提高，高压断路器和变压器等元件的重要性显得更为突出，短路试验发电机可用于电力系统中的高压电器如高压断路器、开关、变压器、变电所和电缆等元件进行短路电流开断、电强度、短时承受能力、高瞬态电流和热状态等项试验，也可为大型环流器装置提供短时大电流充当试验电源作用。因此短路试验发电机对保证电力系统安全运行具有十分重要的地位和作用。

1　短路试验发电机类型和特点

短路发电机都是供电压电器试验用或者为大型物理模型提供有功功率，其特点是要求发电机在（极）短的时间内产生很大的电流，并且要求在短路时间内电流衰减尽可能小。根据试验中对电流以及电压的要求的不同，通常情况下短路试验发电机分为有功和无功短路试验发电机。

根据用户需要哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称HEC）已经成功设计制造出了适用于低压电器的350MVA无功短路（冲击）发电机以及适用于高压电器的3200MVA和6500MVA无功短路发电机；设计研发出为大型物理试验提供电源的300MVA有功短路试验发电机。

2　有功短路试验发电机

2.1有功冲击发电机工作原理

有功短路试验发电机组通常条件下由发电机、飞轮和拖动电机等组成，因此，亦称为脉冲飞轮发电机。机组工作状态是拖动电机将冲击发电机和飞轮驱动到额定转速时 ，将发电机接上负载（此过程将产生很大的电路，可以按短路状态考虑），此过程中机组发出的有功功率不是来自电网，而是由机组旋转体飞轮和发电机转子的动能减少而来的，因此机组在这种情况下会出现转速下降，通常下降到额定转速的70%。

发电机工作运行时间较长，通常是在几秒钟内（短路时间大于1s以上）较无功短路试验发电机工作时间长。

整个机组拖动到最高工作转速，然后施加并调节励磁，使空载电压等于额定电压；稳定后施加负载（发电机端电压等于额定电压），转速下降，电压下降，调节励磁系统施加强励，以维持额定电压，此时的励磁电流稍大于空载励磁电流；随过渡过程的深入，转速下降更多，内部电压降不断增大（超瞬变过程→瞬变过程），应继续增大励磁电流，以维持额定端电压（克服瞬变电抗压降），此时的励磁电流大于超瞬变过渡过程的励磁电流；随过渡过程进一步继续进行，最终为稳态运行，转速继续下降直到最低转速，发电机内部电压降将达到最大（克服同步电抗压降），调节励磁以维持额定端电压，此时的励磁应大于瞬变过渡过程的励磁电流，并达到以最低转速设计时的额定励磁电流，放电结束，完成一个工作周期。

2.2有功冲击发电机设计结构特点

图1　有功短路试验（飞轮脉冲）发电机组

表1　有功短路试验发电机主要技术参数

发电机的短时工作特性决定其结构特点。发电机组为卧式安装，配有独立座式轴承和控制单元。为保证发电机安装可靠运行，发电机组采用空气冷却，定子铁心、绕组为多路径向通风；转子空外冷，为降低机组停机停机时间，飞轮配有电磁涡流制动系统。

定子机座采用整体机座，具有足够的刚度和强度，使其在起吊、加工、运输和运行中能够承受各种机械作用。定子铁心由冲片、通风槽钢、压圈、压指和定位筋等主要部件构成，为增加端部铁心整体性，铁心两端进行粘接以，同时齿上开有斜槽减小端部损耗。

定子绕组采用F等级绝缘系统，槽内采用540。换位.定子绕组端部采用绑扎结构，定子线圈与绑环、支架绑扎在一起。

转轴采用高强度高导磁的整体合金锻钢。为有效提高材料利用率并且易于加工，转子槽采用开口矩形槽，以增大槽内导体截面，降低转子铜耗。转子线圈采用高强度精拉含银铜排。转子绝缘系统采用F等级绝缘系统。转子护环采用由高强度非磁性的Mn18Cr18N合金钢制成的，以保护和紧固转子端部绕组。由于脉冲发电机工作在整流状态，且需要及时调节励磁，因此设计时应采用强阻尼系统，设计有全阻尼绕组。

脉冲发电机组采用独立的座式轴承结构，承载力大和稳定性高的椭圆形轴瓦，轴瓦具有球面座自动调心功能。

飞轮由高强度合金钢整体锻制而成，飞轮转动时风磨损耗由内部冷却器带走。

3　无功短路试验发电机特点

3.1无功短路试验发电机工作原理

短路试验发电机亦称为冲击发电机，用于电力系统的重要的高压断路器、开关、变压器等元件进行短路电流开断、电强度、短时承受能力、高瞬态电流等项试验，短路试验发电机组通常由拖动电机和短路试验发电机等组成，由于发电机工作时间短，且无储能装置，提供的主要为无功功率，属于无功短路试验发电机。

图2　无功短路试验（冲击）发电机

短路试验发电机先由电动机拖动，当转速达到额定转速后，把空载电压下的机械能经短路后变为电能，输送到被试品。它是同步发电机工作在电机突然短路的瞬态过程中的一种特殊发电机，与一般隐极发电机大不相同。根据短路试验要求，发电机必须在短短的1s内或几周波内流过巨大的短路电流，这就必须要求超瞬变电抗和瞬变电抗越小越好，个别大容量短路试验发电机，短路电流为额定电流的30倍以上，同时要求短路试验发电机时间常数大，即短路电流衰减小，而常规发电机相反要求的超瞬态和瞬态电抗不宜太低，且时间常数小，以防出口短路时损坏发电机。

为给电器设备提供频繁的冲击性大电流，短路发电机要完全工作在频繁短路的瞬变过程，基于稳态运行工况下的常规电机计算方法不再适用。例如发电机一个试验循环含4次0.15秒短路，每小时4个试验循环，8小时工作制。

图3　发电机工作循环方式

3.2无功冲击发电机设计特点

表2　无功短路试验发电机主要技术参数

无功短路试验发电机采用卧式隐极发电机结构，座式轴承，静止励磁系统，由电动机拖动。为保证发电机安装可靠运行，发电机组采用空气冷却，定子铁心、绕组为多路径向通风；转子空外冷。

定子机座的外型一般为圆筒式的，由隔板端板外皮通风管筋板焊成一个整体。定子铁心高导磁性，损耗低无取向硅钢片叠制，为降低铁心2倍频振动，铁心与机座之间设置弹性定位筋，同时在铁心两端由铸钢压圈与焊有铜压指的铜环，通过定位筋螺杆将铁心固紧；由于在突然短路时出槽口电动力很大，为固定好定子出槽口处线圈，发电机铁心端部无阶梯段铁心，有扩槽，在此处垫涤纶毡用环氧填料将线圈固定牢。为了减少漏磁在导体中引起的涡流损耗，将导线沿槽高方向分成若干根互相绝缘的铜股线，同时为了减少漏磁场引起的股线间循环电流产生的附加损耗，股线在槽部进行360°或540°换位。

因为冲击发电机在短短的几周波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的振动和变形，同时冲击发电机每年要进行数千次短路试验，所以定子绕组端部结构是设计大型冲击发电机最关键的问题，因此定子绕组端部采用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。

根据发电机运行特点，转子轴采用强度高，导磁性能好，脆性转变温度低的合金钢锻件，轴端悬挂式护环，护环锻件具有强度高、耐应力腐蚀。由于发电机可以 三相短路也可为两相短路试验，转子槽内设置阻尼绕组和整根槽楔的全阻尼绕组。

发电机采用座式轴承，励端安有集电环和刷架装配，拖动端为拖动电机和控制单元。

4　结束语

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，通过该产品的应用，极大地提升了我国大电流电器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。

［1］ 陈世坤.电机设计（第2版）［M］.机械工业出版社，