大容量沖擊發(fā)電機(jī)短路電流衰減特性研究

汪海波，萬(wàn)德春，洪 深

(南瑞集團(tuán)公司/國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003)

在電力系統(tǒng)中，高壓電器的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)正常、高效工作的前提條件，高壓電器的型式試驗(yàn)是檢驗(yàn)其性能的重要環(huán)節(jié)。對(duì)高壓電器而言，由于電弧物理過(guò)程的復(fù)雜性、多變性，目前仍然沒(méi)有一種電弧模型能對(duì)電弧特性進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析，而只能作為高壓電器設(shè)計(jì)的輔助手段[1]，因此產(chǎn)品受電弧特性影響的開斷性能需要在大功率試驗(yàn)室中進(jìn)行檢測(cè)，大功率試驗(yàn)室仍是研發(fā)高壓開關(guān)設(shè)備的必要手段。大功率試驗(yàn)室的電源可以由網(wǎng)絡(luò)或大容量沖擊發(fā)電機(jī)提供。由于沖擊發(fā)電機(jī)不受系統(tǒng)發(fā)展的制約和系統(tǒng)運(yùn)行的影響，世界上許多著名的大功率試驗(yàn)室都有安裝沖擊發(fā)電機(jī)，如荷蘭的KEMA、意大利的CESI、中國(guó)的XIHARI等[2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外大功率試驗(yàn)室的各種型號(hào)沖擊發(fā)電機(jī)進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，介紹了沖擊發(fā)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r；文獻(xiàn)[4]結(jié)合沖擊發(fā)電機(jī)特點(diǎn)和相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)的選型進(jìn)行闡述；文獻(xiàn)[5]介紹了國(guó)內(nèi)沖擊發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)情況，并提出國(guó)內(nèi)研制大容量沖擊發(fā)電機(jī)的基本技術(shù)要求；文獻(xiàn)[6-8]以電機(jī)設(shè)計(jì)制造的角度從定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)組布局、電動(dòng)力分析等方面介紹國(guó)產(chǎn)6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)；文獻(xiàn)[9]介紹了雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)在6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)機(jī)組中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的60 Hz調(diào)速運(yùn)行。文中從大功率試驗(yàn)室的運(yùn)行角度出發(fā)，對(duì)6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)短路電流的衰減特性進(jìn)行仿真研究，分析了3種典型外阻抗條件下施加不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)時(shí)的短路電流衰減特性。

1沖擊發(fā)電機(jī)

1.1沖擊發(fā)電機(jī)特點(diǎn)

沖擊發(fā)電機(jī)又名短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)，專門用于短路試驗(yàn)。沖擊發(fā)電機(jī)的每次試驗(yàn)都相當(dāng)于常規(guī)發(fā)電機(jī)的出線端事故短路，沖擊電流有效值可達(dá)上百千安，對(duì)定、轉(zhuǎn)子的繞組和結(jié)構(gòu)有特殊的要求[10]。

沖擊發(fā)電機(jī)一般有以下3種特征容量：（1）型式容量。是指與該臺(tái)沖擊發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子尺寸及重量相當(dāng)?shù)钠啺l(fā)電機(jī)的額定容量，也稱額定視在功率。（2）出端容量。是指在額定電壓下，不加任何外阻抗，只對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)超瞬變電抗Xd"計(jì)算的最大三相對(duì)稱短路容量。（3）允許使用容量。是指電機(jī)制造廠或者試驗(yàn)站為保證沖擊發(fā)電機(jī)的使用壽命而規(guī)定的試驗(yàn)使用容量。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，高壓開關(guān)設(shè)備的電壓和開斷電流不斷增長(zhǎng)，作為大功率試驗(yàn)室電源的沖擊發(fā)電機(jī)有盡可能大的短路（開斷）容量[11]。表1列出了目前國(guó)內(nèi)外投入使用的大型沖擊發(fā)電機(jī)特征容量。

表1大型沖擊發(fā)電機(jī)的特征容量 MV·A

1.2試驗(yàn)對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)的要求

以沖擊發(fā)電機(jī)為試驗(yàn)電源的大功率試驗(yàn)室如圖1所示，試品位于試驗(yàn)小室內(nèi)，整個(gè)回路應(yīng)能滿足不同電流、電壓等級(jí)的試品。通過(guò)調(diào)節(jié)限流電抗器值（L）來(lái)滿足不同的試驗(yàn)電流，調(diào)節(jié)試驗(yàn)變壓器（TR）變比來(lái)滿足不同的電壓等級(jí)。

圖1大功率試驗(yàn)室回路

對(duì)一臺(tái)沖擊發(fā)電機(jī)評(píng)定，不僅要看沖擊發(fā)電機(jī)的短路容量和短路電流的大小，還要考慮短路電流的衰減特性如何。沖擊發(fā)電機(jī)三相短路情況下的電流衰減趨勢(shì)可由式（1）表示[3，4]：

式中：UN為額定線電壓；Xd"為超瞬變電抗；Xd'為瞬變電抗；Td"為超瞬變時(shí)間常數(shù)；Td'為瞬變時(shí)間常數(shù)；k為強(qiáng)迫倍數(shù)（強(qiáng)勵(lì)電壓與空載勵(lì)磁電壓之比）。實(shí)際試驗(yàn)回路中需要外接阻抗（Xe），此時(shí)的沖擊發(fā)電機(jī)短路電流衰減曲線由式（2）表示：

2國(guó)產(chǎn)大容量沖擊發(fā)電機(jī)

在GB 1984—2003附錄B中對(duì)高壓斷路器在型式試驗(yàn)中試驗(yàn)參量的公差提出了具體的要求，例如高壓斷路器基本短路試驗(yàn)方式T100s（斷路器進(jìn)行100%容量的完全對(duì)稱開斷試驗(yàn)），規(guī)定試驗(yàn)值為額定短路開斷電流的100%，試驗(yàn)公差為0～+5%，即只允許5%以內(nèi)的正公差；標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)對(duì)試驗(yàn)參量中工頻恢復(fù)電壓（URV）提出了試驗(yàn)公差為±5%的要求，由于URV與開斷電流I存在線性關(guān)系，即通過(guò)強(qiáng)勵(lì)來(lái)補(bǔ)償短路電流的同時(shí)也就對(duì)工頻恢復(fù)電壓做了補(bǔ)償。這不但要求試驗(yàn)回路的阻抗配置合理，同時(shí)還要求設(shè)定合適的強(qiáng)勵(lì)電壓值來(lái)保證沖擊發(fā)電機(jī)的短路電流特性，以滿足高壓斷路器的試驗(yàn)參量及其公差符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1 6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)特性

我國(guó)生產(chǎn)的大容量沖擊發(fā)電機(jī)主要有DSF-100-2型（型式容量為100 MV·A，出端容量為3 200 MV·A）與DSF-200-2型（型式容量為200 MV·A，出端容量為6 500 MV·A）沖擊發(fā)電機(jī)，均由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)制造。DSF-100-2型短路發(fā)電機(jī)容量小，電氣暫態(tài)參數(shù)差，不能進(jìn)行有效的強(qiáng)勵(lì)，工頻電流和工頻恢復(fù)電壓衰減大，已經(jīng)不能滿足當(dāng)代大容量試驗(yàn)室的發(fā)展要求[5]。DSF-200-2型沖擊發(fā)電機(jī)是在DSF-100-2型沖擊發(fā)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)踐和借鑒國(guó)外同類型設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，并于2003年投入商業(yè)運(yùn)行。6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

2.2短路電流衰減特性仿真及分析

根據(jù)6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和三相短路情況下電流衰減曲線計(jì)算公式，建立其MATLAB仿真模型，仿真時(shí)間為0～0.3 s，表示沖擊發(fā)電機(jī)從0時(shí)刻開始短路持續(xù)0.3 s之后恢復(fù)到開路狀態(tài)。

Xe為0時(shí)不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下的相電流有效值曲線如圖2所示。從響應(yīng)曲線來(lái)看，需要k＞15才能支撐短路電流在0.3 s內(nèi)沒(méi)有明顯衰減的現(xiàn)象。k≤15時(shí)存在短路電流衰減的情況，并隨著強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的減少，短路電流會(huì)成比例下降。

表2 6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 Xe為0時(shí)不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下的相電流有效值曲線

Xe為18.5 mΩ時(shí)不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下相電流有效值曲線如圖3所示。從響應(yīng)曲線來(lái)看，11＜k＜13的范圍內(nèi)即可滿足短路電流在0.3 s不存在明顯衰減的要求。當(dāng)k≥13時(shí)會(huì)有短路電流上翹的現(xiàn)象，并隨著強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的增加，短路電流會(huì)成比例上升。

對(duì)Xe為18.5 mΩ條件下k=1和k=11兩種強(qiáng)勵(lì)電壓下的短路電流響應(yīng)進(jìn)行比較，如圖4所示。T為0.3 s時(shí)，k=11與k=1對(duì)應(yīng)的短路電流有效值Ik11，Ik1分別為120.8 kA，72.49 kA。以Ik11為試驗(yàn)需要的短路電流計(jì)算，Ik1存在40%的衰減量，即Ik1／Ik11=0.6。0.3 s時(shí)的工頻恢復(fù)電壓URV及其公差Δ計(jì)算見式（3）和（4）：

式中：URV-ki，Iki分別為不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下的工頻恢復(fù)電壓和開斷時(shí)的短路電流有效值。通過(guò)計(jì)算可得：URV-k1為 8.173 kV，Δk1為 41.62%；URV-k11為13.62 kV，Δk11為2.71%，Δk11＜5%＜Δk1?？梢姡┘舆m當(dāng)?shù)膹?qiáng)勵(lì)倍數(shù)與不加強(qiáng)勵(lì)，對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)的短路電流及工頻恢復(fù)電壓存在非常明顯的影響。

圖4 Xe為18.5 mΩ時(shí)k=1與k=11時(shí)的相電流響應(yīng)

Xe為36 mΩ時(shí)不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下相電流有效值曲線如圖5所示。從響應(yīng)曲線來(lái)看，在9＜k＜11的范圍內(nèi)即可滿足短路電流在0.3 s不存在明顯衰減的要求。當(dāng)k≥11時(shí)短路電流會(huì)有上翹的現(xiàn)象。

圖5 Xe為36 mΩ時(shí)不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下相電流有效值曲線

同一強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下（k=9），3種不同外阻抗條件下短路電流衰減情況如圖6所示，在同一強(qiáng)勵(lì)電壓下，外接阻抗越小電流衰減越厲害，隨著外接阻抗的增加電流補(bǔ)償效果越明顯。

圖6 k為9時(shí)3種Xe條件下的短路電流衰減曲線

3種不同外阻抗以及不同強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)條件下，在0.3 s時(shí)短路電流有效值分布如圖7所示。隨著外接阻抗增加，短路電流有效值逐步減少，對(duì)應(yīng)的允許使用容量也同步降低；在同一外阻抗條件下，短路電流隨著強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的增加而變大。

圖7不同Xe和強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下短路0.3 s時(shí)的相電流有效值

4結(jié)束語(yǔ)

大容量沖擊發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)電源廣泛的應(yīng)用于大功率試驗(yàn)室，沖擊發(fā)電機(jī)組的整體性能決定了大功率試驗(yàn)室的檢測(cè)能力。依據(jù)國(guó)產(chǎn)6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)建立其仿真模型，用來(lái)分析其短路電流的衰減特性。從仿真結(jié)果來(lái)看，沖擊發(fā)電機(jī)的短路電流特性與強(qiáng)勵(lì)電壓有密切的聯(lián)系，可根據(jù)試驗(yàn)需求調(diào)整試驗(yàn)回路阻抗，通過(guò)設(shè)定強(qiáng)勵(lì)電壓在某一范圍內(nèi)即可控制沖擊發(fā)電機(jī)的短路電流衰減量，以保證試驗(yàn)參量及其公差滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過(guò)仿真可以初步確定滿足不同試驗(yàn)需求時(shí)的強(qiáng)勵(lì)電壓范圍，對(duì)今后大功率試驗(yàn)室的運(yùn)行具有較為重要的參考意義。

[1]吳盛剛，李 煒，李玉春.淺談大功率試驗(yàn)室未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[J].華通技術(shù)，2006（1）：31-33.

[2]顧霓鴻.世界電力大功率試驗(yàn)站簡(jiǎn)介[J].國(guó)際電力，2001（2）：51-53.

[3]李重光.國(guó)外大容量沖擊發(fā)電機(jī)概況[J].高壓電器，1975（4）：55-64.

[4]臧爾誠(chéng).沖擊發(fā)電機(jī)選型初探[J].大電機(jī)技術(shù)，1986（5）：10-15.

[5]王征慶.大容量試驗(yàn)短路發(fā)電機(jī)[J].高壓電器，1988（3）：27-35.

[6]房慶輝，張長(zhǎng)發(fā)，趙金海，等.6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡特點(diǎn)[J].大電機(jī)技術(shù)，2001（3）：21-23.

[7]張萬(wàn)兵，邵桂蘭，宋曉東，等.6 500 MV·A沖擊發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].電工電氣，2010（9）：31-33.

[8]張 亮，劉大鵬，邵桂蘭，等.大中容量短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn) [J].大電機(jī)技術(shù)，2011（3）：28-31.

[9]黃 實(shí)，李秉杰，張海峰，等.4 000 kW/3 600RPM雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)在6 500 MV·A短路發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2008（9）：84-91.

[10]辜承林，陳喬夫，熊永前.電機(jī)學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

[11]YODA H,FUJITA M,NAKAMURA E,et al.The World's Largest Class 8 880 MV·A Short Circuit Generator[C].Power Engineering Society Summer Meeting 2002 IEEE,2002.