淺析60 Hz電源對火電廠主要設(shè)備的影響

張小萍

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南250013）

0 引言

近年來，隨著我國電力企業(yè)對國外電力市場的積極開拓，其參與的國際電站工程EPC總承包項(xiàng)目越來越多，而在這些海外項(xiàng)目中遇到的一個(gè)共同問題是，國際上有些國家和地區(qū)的電網(wǎng)頻率為60 Hz，如亞洲的韓國、朝鮮、日本部分地區(qū)、菲律賓、我國臺灣，美洲的大部分國家，大洋洲的關(guān)島、塞班等。由于我國的電網(wǎng)頻率為50 Hz，因此60 Hz對火電廠項(xiàng)目中電力設(shè)備的選用提出了新的要求。火電廠中受頻率影響的設(shè)備主要為轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備。

1 轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)備

1．1 汽輪機(jī)

（1）本體。50 Hz和60 Hz機(jī)組的本體差別主要是在通流設(shè)計(jì)上，這2種通流在強(qiáng)度、振動、氣動方面的設(shè)計(jì)方法（準(zhǔn)則）是相同的，差異僅是強(qiáng)度設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速和振動設(shè)計(jì)的調(diào)頻基準(zhǔn)不同。另外，由于離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，為了保證相等的應(yīng)力水平，60 Hz機(jī)組的葉片長度應(yīng)比50 Hz機(jī)組的短20%，即50 Hz機(jī)組的葉片長度是60 Hz的1．2倍。轉(zhuǎn)速變化帶來的激磁頻率變化將直接影響調(diào)頻葉片的設(shè)計(jì)。由于50 Hz和60 Hz機(jī)組的差別主要在通流設(shè)計(jì)上，2種機(jī)組的本體結(jié)構(gòu)形式相同，因此在本體外形和接口上需做少量調(diào)整（60 Hz外形會縮小一些），控制系統(tǒng)中DEH軟件需改動，轉(zhuǎn)速回路和危急遮斷器需重新設(shè)置。

（2）輔助系統(tǒng)。需驗(yàn)證軸承的穩(wěn)定性，重新計(jì)算潤滑油量，重新設(shè)計(jì)主油泵，且所有電機(jī)需使用60 Hz頻率。

1．2 泵與風(fēng)機(jī)

（1）轉(zhuǎn)速對機(jī)械強(qiáng)度的影響。對泵體強(qiáng)度的影響：壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即60 Hz下的壓力是50 Hz下的1．44倍，這對泵的強(qiáng)度有明顯影響，因此應(yīng)進(jìn)行泵的強(qiáng)度校核。對葉輪強(qiáng)度的影響：根據(jù)葉輪圓周速度的范圍，不同圓周速度對應(yīng)不同的葉輪材料。因此，應(yīng)根據(jù)規(guī)定值和相應(yīng)的圓周速度選擇合適的材料。對軸強(qiáng)度的影響：泵軸主要承受扭轉(zhuǎn)的剪切應(yīng)力，機(jī)械不平衡產(chǎn)生的徑向力、軸向力以及由這些力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力都與轉(zhuǎn)速的平方成正比，可見轉(zhuǎn)速對泵軸的強(qiáng)度有明顯影響。若泵軸強(qiáng)度不夠，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，改用強(qiáng)度更高的軸材料。軸承壽命的校核：軸承壽命除與轉(zhuǎn)速相關(guān)外，還與當(dāng)量動負(fù)荷變化有關(guān)。在50 Hz和60 Hz下，應(yīng)注意軸承使用壽命的校核。泵軸臨界轉(zhuǎn)速的校核：為避免運(yùn)行中產(chǎn)生共振，設(shè)備頻率應(yīng)避開泵／風(fēng)機(jī)的自振頻率。

（2）轉(zhuǎn)速對泵汽蝕的影響。汽蝕相似定律指出：進(jìn)口幾何尺寸相似的泵，在相似工況下運(yùn)行時(shí)，原型和模型泵汽蝕余量之比必須等于葉輪進(jìn)口幾何尺寸平方比和轉(zhuǎn)速平方比的乘積。因此，對于相同的泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，汽蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系變化，即當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速提高后，汽蝕余量必須成平方增加，這樣就使泵的抗汽蝕性能大大惡化。

（3）轉(zhuǎn)速對泵噪聲的影響。隨著泵轉(zhuǎn)速的增大，噪聲也會增大。

（4）轉(zhuǎn)速對泵振動的影響。對于60 Hz產(chǎn)品應(yīng)采取措施降低振動，如提高動靜平衡精度、選用較高精度的軸承等。

總的來說，60 Hz設(shè)備的轉(zhuǎn)速是50 Hz設(shè)備的1．2倍，為保證設(shè)備安全運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)葉輪的圓周速度進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和臨界轉(zhuǎn)速校核；如果計(jì)算值超過了允許值，應(yīng)使用具有更高強(qiáng)度的材料或降低轉(zhuǎn)速，來滿足轉(zhuǎn)速的允許值。

2 靜止電磁感應(yīng)設(shè)備

靜止電磁感應(yīng)設(shè)備包括變壓器、電壓互感器、電流互感器等。設(shè)電源電壓為U，由電磁感應(yīng)定律得：U＝4．44f N1Φ；從公式可以看出，在電源電壓一定時(shí)，60 Hz產(chǎn)品的鐵心截面小于50 Hz產(chǎn)品。

頻率對變壓器的勵磁電流、鐵損、電抗、溫升等都有影響，因此頻率的變化直接影響到變壓器的設(shè)計(jì)，如繞組匝數(shù)和鐵心直徑的選擇。而這些參數(shù)的變化又直接影響到變壓器性能參數(shù)，如空載損耗、負(fù)載損耗、勵磁電流等。變壓器鐵心直徑的選擇將影響到用鐵量和用銅量的相對多少，從而直接影響成本的高低。

3 轉(zhuǎn)動電磁感應(yīng)設(shè)備

3．1 發(fā)電機(jī)

電磁式同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)首先依據(jù)發(fā)電機(jī)容量、轉(zhuǎn)速、材料性能和環(huán)境條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)碾姶咆?fù)荷As、Bδ，再進(jìn)一步確定其主要尺寸及參數(shù)。

臨界轉(zhuǎn)速的影響：高速轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)備在啟動過程中都有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速的問題，在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)動機(jī)械將會產(chǎn)生較大振幅的共振，所以在正常運(yùn)行時(shí)必須避開臨界轉(zhuǎn)速。

對發(fā)電機(jī)機(jī)械特性變化可能發(fā)生的影響：發(fā)電機(jī)機(jī)械特性中，如轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，扭振頻率，定子機(jī)座、鐵心、繞組端部等的共振頻率若與額定運(yùn)行頻率及其倍頻接近，將引起較大振動或運(yùn)行安全情況變化對振動敏感的問題。

轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平將加大，這時(shí)可以采用機(jī)械性能更高的材料來滿足設(shè)計(jì)要求；為降低鐵心損耗，可以選用損耗小的硅鋼片；針對振動增加的問題，可以通過良好的轉(zhuǎn)子動平衡將轉(zhuǎn)子不平衡量控制到最小，從而使振動值降到最低。

如為空冷發(fā)電機(jī)，還應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)的空冷效果。根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律：同一臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、揚(yáng)程和軸功率分別與轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方成正比。60 Hz周波的汽輪發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高，所以在相同條件下風(fēng)量比50 Hz周波的汽輪發(fā)電機(jī)高20%，通風(fēng)情況比50 Hz周波的好，但機(jī)械應(yīng)力也比50 Hz周波的高。

3．2 電動機(jī)

高壓電動機(jī)包括較高參數(shù)的泵與風(fēng)機(jī)的電動機(jī)，低壓電動機(jī)包括電動閥門、電動葫蘆、卷揚(yáng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)。異步電動機(jī)定子電路電壓U1＝－E1＋I(xiàn)1Z1，而E1＝4．44f1N1ФmK1，（K1為定子繞組系數(shù)），忽略定子阻抗壓降時(shí)為U1≈E1＝4．44f1N1ФmK1。從公式可以看出，60 Hz產(chǎn)品的鐵心截面小于50 Hz產(chǎn)品。電源頻率的變化，影響到電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、承載能力、轉(zhuǎn)速、輸出功率、運(yùn)行效率及發(fā)熱情況等。

4 配電裝置

發(fā)電廠中的高壓電器包括斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)、避雷器、熔斷器等設(shè)備，其中頻率對斷路器的影響最大。

4．1 額定電壓與額定絕緣水平

工頻對工作電壓下的某些絕緣性能有影響，以介質(zhì)損耗為例，60 Hz工頻下的容抗較50 Hz工頻下的小，介損tgδ會增加，這在使用時(shí)應(yīng)注意。額定絕緣水平用對應(yīng)的額定雷電沖擊耐受電壓表示，雷電沖擊電壓是很陡的沖擊電壓波，與頻率無關(guān)。

4．2 額定電流和溫升

額定電流主要由主導(dǎo)電回路發(fā)熱、散熱情況及其零部件允許溫度來決定。其中，頻率對電阻性損耗發(fā)熱影響不大，50 Hz和60 Hz的試驗(yàn)結(jié)果可互用；而對于鋼鐵件的鐵磁損耗發(fā)熱來說，其工頻頻率越高，磁通及趨膚效應(yīng)越大，渦流損耗越大，當(dāng)某些采用鋼鐵外殼或大型鐵磁零件的50 Hz高壓電器用于60 Hz電網(wǎng)時(shí)，鐵磁損耗會顯著增加，發(fā)熱隨之增加，溫升也會提高。IEC62271第6．5．2款中對溫升試驗(yàn)的允許頻率偏差為＋2%～－5%，但同時(shí)也說明對鄰近載流部分沒有鐵質(zhì)元件的敞開式開關(guān)裝置在50 Hz下進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)，如果實(shí)測的溫升值不超過最大允許值的95%，則應(yīng)當(dāng)認(rèn)為該開關(guān)裝置在60 Hz下的性能得到了驗(yàn)證。

4．3 額定短時(shí)耐受電流、額定峰值耐受電流及額定關(guān)合電流

額定短時(shí)耐受電流是指在規(guī)定條件下和短時(shí)間內(nèi)，開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在合閘位置能承載的電流有效值。由于時(shí)間短，可以看作是絕熱過程，因此對主回路導(dǎo)體來說只考慮自身發(fā)熱。工頻變化對導(dǎo)體載流發(fā)熱影響不大，50 Hz和60 Hz的試驗(yàn)結(jié)果可互用。

額定峰值耐受電流與額定關(guān)合電流數(shù)值是一致的，兩電流都是由交流分量和直流分量組成。50 Hz和60 Hz最大峰值電流因半波時(shí)間不一致而略有差別，50 Hz半波時(shí)間為10 ms，60 Hz為8．3 ms。根據(jù)IEC62271第6．6條規(guī)定，短時(shí)電流試驗(yàn)允許頻率偏差為±10%；但同時(shí)說明為了便于試驗(yàn)，可能需要更大的頻率偏差，如果偏差顯著，即如選擇額定頻率為50 Hz的開關(guān)設(shè)備并控制設(shè)備在60 Hz下試驗(yàn)或反之，則在解釋試驗(yàn)結(jié)果時(shí)應(yīng)予以注意。另根據(jù)IEC62271第4．6條規(guī)定，50 Hz系統(tǒng)中，設(shè)備的峰值耐受電流是短時(shí)耐受電流的2．5倍，而60 Hz系統(tǒng)中，設(shè)備的峰值耐受電流是短時(shí)耐受電流的2．6倍，這對設(shè)備參數(shù)提出了更高的要求。

4．4 斷路器短路故障的關(guān)合和開斷

50 Hz和60 Hz的半波時(shí)間從10 ms縮短到8．3 ms，三相系統(tǒng)每隔60°依次過零一次，兩次連續(xù)過零間隔時(shí)間由3．3 ms縮短到2．8 ms。如將50 Hz產(chǎn)品應(yīng)用到60 Hz系統(tǒng)中，最小允許開斷時(shí)間、燃弧區(qū)間、最大開斷時(shí)間（均以半波數(shù)表示）等特性都保持不變的話，則必須進(jìn)一步提高斷路器開斷時(shí)的弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，如提高分閘速度、縮短分閘時(shí)間、提高分合閘同期性、提高SF6氣體壓力等，否則就要根據(jù)斷路器而異，在開斷電流、開斷時(shí)間及開斷特性方面會有一定程度的犧牲。且在60 Hz時(shí)，盡管半波電流通流時(shí)間有所降低（電流有效值不變），但電弧電流過零的電流變化率（d i／d t）有所提高，這就增加了過零開斷的難度。

5 熱工電氣測量保護(hù)設(shè)備

5．1 與采樣頻率相關(guān)的繼電保護(hù)

與采樣頻率相關(guān)的繼電保護(hù)包括全電廠范圍內(nèi)的繼電保護(hù)設(shè)備，如與中壓開關(guān)柜配套的保護(hù)裝置、與高壓輸配電相關(guān)的線路保護(hù)及變壓器、發(fā)電機(jī)等的設(shè)備保護(hù)裝置等。

對于繼電保護(hù)設(shè)備，與頻率相關(guān)的除了電源模塊（與設(shè)備電源頻率相關(guān)）外，主要是模擬量的采樣（與電網(wǎng)頻率相關(guān)）、故障錄波和相關(guān)頻率值的設(shè)定等。保護(hù)設(shè)備中的交流插件上設(shè)有模擬量輸入變換器，用于將二次交流電壓或電流信號隔離變換為小電壓信號，經(jīng)調(diào)整后輸入到A／D，并通過采樣與保持電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些測量值通過不同的采樣頻率獲得。如果50 Hz電網(wǎng)的采樣頻率為800 Hz，則60 Hz的采樣頻率為960 Hz，即50 Hz電網(wǎng)每1．25 ms采樣一次，而60 Hz系統(tǒng)每1．04 ms采樣一次。對于故障錄波，60 Hz的記錄時(shí)間將快于50 Hz。對于某些相關(guān)頻率保護(hù)的設(shè)定，也需按照當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)頻率來進(jìn)行。

因此，繼電保護(hù)類產(chǎn)品在硬件上（除電源部分外）沒有差異，只是軟件的采樣處理需要修改，保護(hù)原理上是沒有差異的，型式試驗(yàn)也沒有特殊要求。

5．2 DCS與各種分析儀表

對于DCS與各種分析儀表，與頻率相關(guān)的主要是設(shè)備的電源部分；對于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，受頻率影響的也只是在設(shè)備的電源部分，且現(xiàn)在的產(chǎn)品多為50 Hz、60 Hz通用產(chǎn)品。

5．3 應(yīng)急裝置

應(yīng)急裝置包括UPS電源模塊、直流系統(tǒng)等。與頻率相關(guān)的部分為電源模塊，一般都可接受60 Hz電源。對于鉛酸蓄電池，其為直流電壓系統(tǒng)，即對電池進(jìn)行充電和放電時(shí)均為直流電，所以不涉及頻率問題，只要充放電設(shè)備可以接受不同頻率即可，與蓄電池沒有關(guān)系。

6 結(jié)語

目前，針對60 Hz火電站項(xiàng)目，大多制造廠遇到的問題是設(shè)備試驗(yàn)問題，例如，對泵和風(fēng)機(jī)制造廠來說，很多廠家都不具備60 Hz試驗(yàn)電源；對電氣設(shè)備而言，大部分廠家無法提供60 Hz型式試驗(yàn)報(bào)告和60 Hz廠內(nèi)試驗(yàn)報(bào)告，只能用50 Hz試驗(yàn)報(bào)告來代替。但隨著制造廠技術(shù)的不斷開發(fā)和越來越多的產(chǎn)品銷往海外，對我國主流設(shè)備制造廠來說，頻率問題將不再是問題。

［1］趙文學(xué)．60 Hz發(fā)電設(shè)備出口的可行性研究［J］．西北電力技術(shù)，2003（4）

［2］王晉根．50 Hz高壓電器兼用于60 Hz電網(wǎng)的有關(guān)技術(shù)問題探討［J］．高壓電器，2000（5）