CN101162853A - 冲击发电机 - Google Patents

Abstract

一种冲击发电机，转子磁极上有纵向槽，磁性钢条安装在槽内，两端突出转子轴端面，与极心垫块的凹槽配合，顺轴垫块填充在转子线圈之间，构成完整的环状结构，转子槽采用整根转子槽楔，槽楔下安装交叉编织全阻尼阻尼绕组，转子采用座式轴承支撑，采用弹性隔离传动轴，定子采用单层整根篮式端部的定子绕组，定子绕组端部装有铜屏蔽，定子内压圈和外压圈将定子绕组端部固定在一起，内部灌环氧树脂，采用外置风扇和外置通风道的通风冷却装置。本发明使6500MVA冲击发电机既具备了所需的强大输出电流及缓慢衰减的瞬态特性，又获得了保证长期可靠运行所需的牢固结构。

Description

冲击发电机

技术领域：本发明涉及一种冲击发电机。

背景技术：冲击发电机归属于特种发电机，与常规发电机不同，冲击发电机不是以长期稳态的发电方式运行，而是提供给变压器、断路器和开关等输变电关键设备检测试验用瞬时冲击性大电流的电源。冲击发电机不能连续发电，冲击试验供电时间持续时间不超过零点几秒，而冲击电流则可高达数十万安培(有效值)，每次实验都相当于常规发电机的主引线出线端口事故短路。常规发电机发生主引线出线端口短路(属于事故状态)一次，就可能因短路电流产生的电磁力破坏定子绕组固定结构或其他构件；而频繁对断路器等作短路试验则为冲击发电机的正常运行方式，所以其电枢结构所受冲击电动力巨大，定子绕组固定必须非常牢固可靠，同样由于短路时的瞬时强大扭转电动力对转子结构的设计也有特殊要求。通俗的解释可以说冲击发电机是以连续不断的恶性事故状态运行的发电机，由此提供给被测定对象以高能量破坏性瞬时冲击电流或电压，以检测被测定对象的承受极限能力，所以6500MVA冲击发电机设计了一系列特殊的结构并有效地结合，以满足自身长期运行的可靠性要求及达到工作特性的要求。

工作特性要求冲击发电机的短路电流越大越好(超瞬变电抗越小越好)，电流衰减越缓慢越好(超瞬变时间常数越大越好)，必须采用一些特殊的结构并合理地配合，才能具备这些特殊的工作特性。频繁对断路器等作短路试验则为冲击发电机的正常运行方式，所以其电枢结构所受冲击电动力巨大，定子绕组固定必须非常牢固可靠，转子结构要能够抵抗短路时的瞬时强大扭转电动力，发电机结构必须牢固可靠，保证长期运行不发生损坏，上述结构往往是相互制约的，无法同时实现，所以现有技术生产的冲击发电机不能同时满足三相出口短路容量为6500MVA、衰减特性{I_(t＝0.15)-I_min}/I_(t＝0.15)＜5％且结构牢固的要求。

发明内容：本发明的目的是提供一种冲击发电机，其三相出口短路容量达到6500MVA、衰减特性低于百分之五，结构牢固可靠。本发明的目的是通过以下技术方案实现的，本发明为一种冲击发电机，转子磁极上有纵向槽，磁性钢条安装在槽内，两端突出转子轴端面，与极心垫块的凹槽配合，顺轴垫块填充在转子线圈之间，构成完整的环状结构，转子槽采用整根转子槽楔，槽楔下安装交叉编织全阻尼阻尼绕组，转子采用座式轴承支撑，采用弹性隔离传动轴，定子采用单层整根篮式端部的定子绕组，定子绕组端部装有铜屏蔽，定子内压圈和外压圈将定子绕组端部固定在一起，内部灌环氧树脂，采用外置风扇和外置通风道的通风冷却装置。本发明由于采用上述结构方案，使该冲击发电机在衰减特性{I_(t＝0.15)-I_min}/I_(t＝0.15)＜5％条件下三相出口短路容量达到6500MVA，而且结构牢固可靠。本发明技术效果：本技术方案达到了使本发电机短路电流最大，超瞬变电抗最小，电流衰减最缓慢，超瞬变时间常数最大，结构最牢固可靠的效果，三相出口短路容量达到6500MVA，衰减特性{I_(t＝0.15)-I_min}/I_(t＝0.15)＜5％，最大出力及综合性能指标居世界领先地位，是目前全世界唯一能达到如此技术指标的最大容量的冲击发电机。冲击发电机归属于特种试验用发电机，6500MVA容量等级的冲击发电机的需求量即使在全世界范围内也是很少的，但却是机电行业发展所必须的行业检验资源，电流试验站的规模和能量等级反映一个国家机电制造行业的技术水平，其关键设备冲击发电机的设计制造能力也代表制造厂发电机生产的技术水准。冲击发电机所采用的一些特殊结构及制造工艺对常规发电机的设计和制造具有促进意义，如整根槽楔用于常规发电机，其负序电流承受能力大大超过国际标准的规定，使发电机更具适应电网不平衡负荷的能力，对提高常规发电机的运行可靠性具有积极意义。

6500MVA冲击发电机采用上述结构方案，综合性能指标居世界领先水平，能够达到如下优异性能指标：(除特别指出者外，均为14KV，50HZ时的数据)

衰减特性：{I_(t＝0.15)-I_min}/I_(t＝0.15)＜5％，

三相出口短路容量：6500MVA

额定频率和转速：50/60Hz  3000/3600r/min

额定电压： Y接14KV，Δ接8.08KV

超瞬态电抗(饱和值)：30mΩ

瞬态电抗(饱和值)：  41mΩ

同步电抗：          730mΩ

负序电抗：          30mΩ

超瞬态时间常数：    0.026S

瞬态时间常数：      0.55S

动惯量：            8000kg.M

发电机运行方式：

第一种运行方式：

短路方式    三相    二相

电流初始峰值485KA 420KA

外部电抗    18.5m    17m

短路后0.01秒电流有效值    158KA    146KA

短路后0.06秒电流有效值    140KA    140KA

短路后0.15秒电流有效值    130KA    130KA

在此运行方式下，每小时可作四次短路试验，每次持续0.15秒。试验前空载带电时间不大于两分钟。14KV每小时积累带电不大于8分钟。

第二种运行方式(强励方式)：

短路与强励同时进行，强励电压2000V，在短路过程中强励电压不变。

短路方式                  三相      二相

外阻抗(X/R＝17)           36m       25m

短路后0.15秒内最小电流    110KA    120KA

恢复电压：三相工频恢复电压13.3KV

在此运行方式下，每个试验循环可作四次短路，前两次每次通电0.15秒，间隔0.3秒，隔3分钟后又重复此项试验，两个试验循环间隔不少于10分钟。这种运行方式每小时最多进行两个试验循环。每次试验前空载带电时间不大于2分钟。在14KV下每小时空载带电时间不大于8分钟。

特殊的转子结构和整体定子结构保证6500MVA冲击发电机具有极高的可靠性，6500MVA冲击发电机于2003年11月在西安高压电器研究所投入运行至今，运行良好无任何受损迹象，技术参数符合定货技术条件要求，实践证明6500MVA冲击发电机的结构设计是成功的。

经多年实际运行验证，该冲击发电机实际运行最大电流峰值达320KA，衰减特性{I_(t＝0.10)-I_min}/I_(t＝0.10)＜5％，达到技术条件要求，这两项指标是冲击发电机最关键的也是最难同时达到的性能参数。机组投运至今运行良好，结构无任何受损迹象，关键性能指标及可靠性居世界领先水平。2007年4月，中国机械工业联合会组织国内有关专家学者组成鉴定委员会，与会专家对6500MVA冲击发电机的设计给予了高度的评价。

附图说明：

图1为本发明冲击发电机结构图

图2为本发明的转子大齿开纵向槽结构图

图3为本发明的整根转子槽楔结构图

图4为本发明的整根转子槽楔剖视图

图5为本发明的交叉编织全阻尼阻尼绕组结构主视图

图6为本发明的交叉编织全阻尼阻尼绕组结构左视图

图7为本发明的抗冲击的转子端部结构图

图8为本发明的抗冲击的转子端部结构剖视图

图9为本发明的内含铜屏蔽的定子内外压圈灌注端部结构图

图10为本发明的单层整根篮式端部的定子绕组主视图

图11为本发明的单层整根篮式端部的定子绕组俯视图

图12为本发明的外置风扇通风冷却系统结构图

图13为本发明的外置风扇通风冷却系统结构俯视图

具体实施方式：

如图1所示的本发明为一种冲击发电机，转子磁极上有纵向槽2，磁性钢条12安装在槽内，两端突出转子轴端面，与极心垫块13的凹槽配合，顺轴垫块14填充在转子线圈之间，构成完整的环状结构，转子槽采用整根转子槽楔4，槽楔下安装交叉编织全阻尼阻尼绕组3，转子采用座式轴承8支撑，采用弹性隔离传动轴9，定子采用单层整根篮式端部的定子绕组7，定子绕组端部装有铜屏蔽5，定子内压圈1和外压圈6将定子绕组端部固定在一起，内部灌环氧树脂，采用外置风扇10和外置通风道11的通风冷却装置。本实施例中，本发明可以采用现有技术中的静止励磁装置15作为控制装置，静止励磁装置由可控硅整流元件、控制主板、保护控制电路及其它辅助线路、人机界面、机箱组成，相对于旋转励磁系统具有结构简单、可靠，维护简便等特点，响应速度快，能够实现高起始励磁响应，满足冲击发电机的控制要求。

转子大齿开纵向槽，见图2，转子磁极有与下线槽结构尺寸相同的纵向槽，该结构使转子的直轴和交轴刚度对称无需采用常规汽轮发电机常见的月牙槽，避免了负序电流在月牙槽根部发生挤流效应而产生过热危害，转子磁极部位槽内填充磁性钢条12，突出转子轴端面，与极心垫块13的凹槽配合，正常槽口有贴近转子轴端面的顺轴垫块14填充在转子线圈之间构成完整的环状结构，形成抗冲击的转子端部结构，冲击发电机的使用条件、运行方式与常规发电机截然不同，采用变频调速三相异步电动机拖动，靠转子惯性储能获得冲击能量，频繁的短路试验为冲击发电机的正常运行方式，冲击发电机的冲击能量来自于转子的转动动能，短路时瞬时爆发泄放巨大的冲击能量，使得转子同时产生极快的转速跌落，减速冲击的加速度极大，冲击发电机转子的端部绕组出槽口铜线及绝缘结构在惯性力的作用下相对转子本体会产生很大的剪切力，产生损坏槽衬绝缘及扭转变形的隐患，该结构的旋转惯性力可以直接作用在突出转子轴端面的磁性钢条12上，磁性钢条上的刚度强度高，不易产生变形，对抗击缓解转子线圈出槽口部位的剪切应力及转子护环的扭转滑移作用明显。

冲击发电机转子护环也存在减速冲击惯性力问题，要求冲击发电机的转子护环与转子本体热套紧配合区域的配合紧量要比常规汽轮发电机大，避免惯性力使转子护环产生扭转滑移，损伤端部结构。但过高的配合紧量会使配合区域的结构应力过大，带来疲劳裂纹危害等严重问题，所以冲击发电机的转子端部结构的设计也是比较棘手的问题，由于离心力作用，极心垫块等结构与发电机转子护环内表面相互作用的压力产生摩擦力，使转子护环的惯性力可以通过极心垫块作用在磁性钢条上，使热套紧配合区域受到的扭转力矩减小，使转子护环产生扭转滑移的趋势减小，采用该结构不必采用过高的护环配合紧量，解决了疲劳裂纹危害问题，见图7、图8抗冲击的转子端部结构。

槽楔下设置双层镀银铜带阻尼绕组，采用由双层镀银铜带组成的交叉编织全阻尼阻尼绕组提高了发电机的时间常数。并构成端部护环下完整的低电阻回路及构成端部与本体接合部位理想的电通路，避免产生局部高电阻瓶颈以及负序电流危害护环与本体的配合面；因为6500MVA冲击发电机的工作方式通常为单相或两相短路的非对称工作状态，负序电流的危害必须引起重视，采用强阻尼效果的转子表面结构可以满足工作可靠性的需求，见图5、图6交叉编织全阻尼阻尼绕组。

为增大时间常数T_d″提高发电机开断容量，采用铝合金整根转子槽楔，消除了分段转子槽楔接头部位接触电阻和挤流效应影响，明显降低了阻尼回路电阻，有利于提高发电机的时间常数T_d″，使电流衰减变缓。转子本体的每个槽内均安装等长的整根槽楔。消除了分段槽楔的弊端，还降低阻尼回路的电阻，提高了时间常数，使短路电流值衰减变慢，这正是冲击发电机作短路试验所需要的，整根槽楔是制造隐极式发电机以来的创新，见图3、图4整根转子槽楔。

6500MVA冲击发电机定子采用单层整根篮式端部定子绕组，见图7，采用单层定子绕组可以实现浅而宽的槽形，有利于减小定子漏抗。其绕组接线方式设计也是不同于常规的。采用单层绕组的优点是线棒中电流产生的电磁力总是把线棒压向槽底，易于固定，因而定子槽楔可以较双层绕组的槽楔薄，减小槽口处的漏磁。单层绕组比双层绕组减少了双层绕组间的两倍对地绝缘厚度及上、下层线棒间绝缘垫条的漏磁空间，并使得槽满率极高，更容易得到较小的电抗。单层定子绕组采用篮式绕组端部结构也是6500MVA冲击发电机独有的，而单层定子绕组结构的冲击发电机一般是把一个线棒分成槽内直线部分和两个端部。端部是用实心铜排弯制，采用平面渐开线结构，每端都组合成盘形，用环氧树脂及螺栓固定在一起，形成一个牢固的整体。定子下线时把端部和直线部分用螺栓把合，形成完整绕组，接头处镀金以保证电气接触良好。由于槽内直线部分与端部相互垂直，所以这种结构一般称为直角结构。接线完成后在接头处包绝缘。这种结构的牢固性较好，在制造工艺上必须保证尺寸精度，以使直线部分与端部接头配合正确，保证理想的机械和电气联接，避免成型后绕组产生应力及接触电阻。

由于直角结构端部接头与护环间距离很小，存在定子绕组与护环间放电的隐患，对绝缘系统要求苛刻；而且直角结构电流方向产生突变，短路大电流使接头部位产生巨大弯曲冲击力，频繁的振动和冲击形变容易使绝缘产生裂纹等缺陷，进而造成放电烧毁绕组和护环的重大事故，该现象在国外大型冲击发电机上曾经发生过。

6500MVA冲击发电机采用的单层定子绕组采用篮式绕组端部结构则不存在上述缺陷，但如果结构设计不合理则容易出现固定不牢固现象，端部尺寸过大而导致漏抗过大，影响出力性能指标。6500MVA冲击发电机在该结构上充分权衡了上述需求，兼顾了结构刚度及电抗要求，并运用内外铜屏蔽结构抑制漏抗，即取得了优秀的电性能指标，又兼顾了工艺性要求，结构牢固运行可靠性高，见图10、图11单层整根篮式端部的定子绕组。

采用单层整根篮式端部定子绕组和内含铜屏蔽的定子内外压圈灌注端部两种特殊结构有机的结合，两者互补，扬长避短，使6500MVA冲击发电机既达到了优秀的出力性能指标，又解决了抗机械、电气冲击性能和长期运行耐久性能这一冲击发电机设计上十分棘手的问题。

内外铜屏蔽结构将定子绕组可靠固定，对减小端部漏抗有明显作用，同时该结构也使端部能够形成牢固的整体结构。采用无磁性金属外压圈，附设铜屏蔽结构5，内压圈采用黄铜铸造结构，同样具有屏蔽作用，绕组端部被牢牢夹在内外压圈6之间，线圈鼻端被容纳在内压圈端头部位的齿槽内。线圈端部斜边间隙填充适形垫片，线圈端部及鼻端处于内外压圈之间所有空隙用特殊配方的环氧胶灌注，该环氧胶能够在固化过程不产生收缩裂纹及具备耐受运行冲击力的足够韧性。绕组端部被固定成一个坚实整体，确保在强大短路电流、电磁力作用下不被损坏。这种结构在冲击发电机设计上是创新，确定了冲击发电机的安全可靠运行。此结构可减少漏抗，使冲击发电机具有较小的超瞬变电抗，保证出口短路容量和瞬时的短路容量，见图9内含铜屏蔽的定子内外压圈灌注端部。

采用弹性隔离传动轴可以减小短路试验时的冲击扭转振荡对拖动电动机的影响，并提高整个轴系的运行可靠性。

采用外置风扇通风冷却系统，见图12、图13，冲击发电机启动后绝大多数时间处于怠速惰走状态，冲击试验前升速至额定转速，试验周期结束后随即降低转速，等待下一个试验周期。所以采用专用鼓风机进行冷却通风循环，来保证冷却效果。6500MVA冲击发电机采用机身下方基础内安置鼓风机并布置通风道的闭式循环空气冷却系统。鼓风机为轴流式风机，用三相绕线式异步电动机同轴驱动。风机与驱动电动机一体结构，底部附带带有轮缘的滚轮，可以在风室地面铺设的钢轨上推动，便于检修维护。

采用座式轴承，使冲击振荡不容易对轴承座产生振动影响，有利于轴承稳定运行。

Claims (1)

1.一种冲击发电机，其特征是：转子磁极上有纵向槽(2)，磁性钢条(12)安装在槽内，两端突出转子轴端面，与极心垫块(13)的凹槽配合，顺轴垫块(14)填充在转子线圈之间，构成完整的环状结构，转子槽采用整根转子槽楔(4)，槽楔下安装交叉编织全阻尼阻尼绕组(3)，转子采用座式轴承(8)支撑，采用弹性隔离传动轴(9)，定子采用单层整根篮式端部的定子绕组(7)，定子绕组端部装有铜屏蔽(5)，定子内压圈(1)和外压圈(6)将定子绕组端部固定在一起，内部灌环氧树脂，采用外置风扇(10)和外置通风道(11)的通风冷却装置。

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