电机容量（精选3篇）
电机容量 篇1
在电力系统中, 高压电器的稳定、可靠运行是整个系统正常、高效工作的前提条件, 高压电器的型式试验是检验其性能的重要环节。对高压电器而言, 由于电弧物理过程的复杂性、多变性, 目前仍然没有一种电弧模型能对电弧特性进行准确的计算分析, 而只能作为高压电器设计的辅助手段[1], 因此产品受电弧特性影响的开断性能需要在大功率试验室中进行检测, 大功率试验室仍是研发高压开关设备的必要手段。大功率试验室的电源可以由网络或大容量冲击发电机提供。由于冲击发电机不受系统发展的制约和系统运行的影响, 世界上许多著名的大功率试验室都有安装冲击发电机, 如荷兰的KEMA、意大利的CESI、中国的XIHARI等[2]。文献[3]对国内外大功率试验室的各种型号冲击发电机进行了较为详细的说明, 介绍了冲击发电机的发展状况;文献[4]结合冲击发电机特点和相关试验标准的要求对冲击发电机的选型进行阐述;文献[5]介绍了国内冲击发电机的生产情况, 并提出国内研制大容量冲击发电机的基本技术要求;文献[6-8]以电机设计制造的角度从定、转子结构特点、机组布局、电动力分析等方面介绍国产6 500MV·A冲击发电机;文献[9]介绍了双馈变频调速系统在6 500 MV·A冲击发电机机组中的应用, 实现了机组的60 Hz调速运行。文中从大功率试验室的运行角度出发, 对6 500 MV·A冲击发电机短路电流的衰减特性进行仿真研究, 分析了3种典型外阻抗条件下施加不同强励倍数时的短路电流衰减特性。
1 冲击发电机
1.1 冲击发电机特点
冲击发电机又名短路试验发电机, 专门用于短路试验。冲击发电机的每次试验都相当于常规发电机的出线端事故短路, 冲击电流有效值可达上百千安, 对定、转子的绕组和结构有特殊的要求[10]。
冲击发电机一般有以下3种特征容量: (1) 型式容量。是指与该台冲击发电机定、转子尺寸及重量相当的汽轮发电机的额定容量, 也称额定视在功率。 (2) 出端容量。是指在额定电压下, 不加任何外阻抗, 只对冲击发电机超瞬变电抗Xd"计算的最大三相对称短路容量。 (3) 允许使用容量。是指电机制造厂或者试验站为保证冲击发电机的使用寿命而规定的试验使用容量。随着电力系统的快速发展, 高压开关设备的电压和开断电流不断增长, 作为大功率试验室电源的冲击发电机有尽可能大的短路 (开断) 容量[11]。表1列出了目前国内外投入使用的大型冲击发电机特征容量。
1.2 试验对冲击发电机的要求
以冲击发电机为试验电源的大功率试验室如图1所示, 试品位于试验小室内, 整个回路应能满足不同电流、电压等级的试品。通过调节限流电抗器值 (L) 来满足不同的试验电流, 调节试验变压器 (TR) 变比来满足不同的电压等级。
对一台冲击发电机评定, 不仅要看冲击发电机的短路容量和短路电流的大小, 还要考虑短路电流的衰减特性如何。冲击发电机三相短路情况下的电流衰减趋势可由式 (1) 表示[3,4]:
式中:UN为额定线电压;Xd"为超瞬变电抗;Xd'为瞬变电抗;Td"为超瞬变时间常数;Td'为瞬变时间常数;k为强迫倍数 (强励电压与空载励磁电压之比) 。实际试验回路中需要外接阻抗 (Xe) , 此时的冲击发电机短路电流衰减曲线由式 (2) 表示:
在GB 1984—2003附录B中对高压断路器在型式试验中试验参量的公差提出了具体的要求, 例如高压断路器基本短路试验方式T100s (断路器进行100%容量的完全对称开断试验) , 规定试验值为额定短路开断电流的100%, 试验公差为0~+5%, 即只允许5%以内的正公差;标准同时对试验参量中工频恢复电压 (URV) 提出了试验公差为±5%的要求, 由于URV与开断电流I存在线性关系, 即通过强励来补偿短路电流的同时也就对工频恢复电压做了补偿。这不但要求试验回路的阻抗配置合理, 同时还要求设定合适的强励电压值来保证冲击发电机的短路电流特性, 以满足高压断路器的试验参量及其公差符合相关标准的要求。
2 国产大容量冲击发电机
2.1 6 500 MV·A冲击发电机特性
我国生产的大容量冲击发电机主要有DSF-100-2型 (型式容量为100 MV·A, 出端容量为3 200 MV·A) 与DSF-200-2型 (型式容量为200 MV·A, 出端容量为6 500 MV·A) 冲击发电机, 均由哈尔滨电机厂生产制造。DSF-100-2型短路发电机容量小, 电气暂态参数差, 不能进行有效的强励, 工频电流和工频恢复电压衰减大, 已经不能满足当代大容量试验室的发展要求[5]。DSF-200-2型冲击发电机是在DSF-100-2型冲击发电机的运行实践和借鉴国外同类型设备的基础上设计开发的, 并于2003年投入商业运行。6 500 MV·A冲击发电机的设计参数如表2所示。
2.2 短路电流衰减特性仿真及分析
根据6 500 MV·A冲击发电机的设计参数和三相短路情况下电流衰减曲线计算公式, 建立其MATLAB仿真模型, 仿真时间为0~0.3 s, 表示冲击发电机从0时刻开始短路持续0.3 s之后恢复到开路状态。
Xe为0时不同强励倍数下的相电流有效值曲线如图2所示。从响应曲线来看, 需要k>15才能支撑短路电流在0.3 s内没有明显衰减的现象。k≤15时存在短路电流衰减的情况, 并随着强励倍数的减少, 短路电流会成比例下降。
1.k=15;2.k=13;3.k=11;4.k=9;5.k=7;6.k=5;7.k=3;8.k=1
Xe为18.5 mΩ时不同强励倍数下相电流有效值曲线如图3所示。从响应曲线来看, 11
1.k=15;2.k=13;3.k=11;4.k=9;5.k=7;6.k=5;7.k=3;8.k=1
对Xe为18.5 mΩ条件下k=1和k=11两种强励电压下的短路电流响应进行比较, 如图4所示。T为0.3 s时, k=11与k=1对应的短路电流有效值Ik11, Ik1分别为120.8 k A, 72.49 k A。以Ik11为试验需要的短路电流计算, Ik1存在40%的衰减量, 即Ik1/Ik11=0.6。0.3 s时的工频恢复电压URV及其公差Δ计算见式 (3) 和 (4) :
式中:URV-ki, Iki分别为不同强励倍数下的工频恢复电压和开断时的短路电流有效值。通过计算可得:URV-k1为8.173 k V, Δk1为41.62%;URV-k11为13.62 k V, Δk11为2.71%, Δk11<5%<Δk1。可见, 施加适当的强励倍数与不加强励, 对冲击发电机的短路电流及工频恢复电压存在非常明显的影响。
Xe为36 mΩ时不同强励倍数下相电流有效值曲线如图5所示。从响应曲线来看, 在9
1.k=15;2.k=13;3.k=11;4.k=9;5.k=7;6.k=5;7.k=3;8.k=1
同一强励倍数下 (k=9) , 3种不同外阻抗条件下短路电流衰减情况如图6所示, 在同一强励电压下, 外接阻抗越小电流衰减越厉害, 随着外接阻抗的增加电流补偿效果越明显。
3种不同外阻抗以及不同强励倍数条件下, 在0.3s时短路电流有效值分布如图7所示。随着外接阻抗增加, 短路电流有效值逐步减少, 对应的允许使用容量也同步降低;在同一外阻抗条件下, 短路电流随着强励倍数的增加而变大。
1为外接阻抗0;2为外接阻抗18.5 mΩ;3为外接阻抗36 mΩ
4 结束语
大容量冲击发电机作为试验电源广泛的应用于大功率试验室, 冲击发电机组的整体性能决定了大功率试验室的检测能力。依据国产6 500 MV·A冲击发电机的相关参数建立其仿真模型, 用来分析其短路电流的衰减特性。从仿真结果来看, 冲击发电机的短路电流特性与强励电压有密切的联系, 可根据试验需求调整试验回路阻抗, 通过设定强励电压在某一范围内即可控制冲击发电机的短路电流衰减量, 以保证试验参量及其公差满足相关标准的要求。通过仿真可以初步确定满足不同试验需求时的强励电压范围, 对今后大功率试验室的运行具有较为重要的参考意义。
参考文献
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大容量发电机断路器主要特性分析 篇2
发电机断路器(Generator Circuit Breaker,GCB) 是联结于发电机和变压器之间的大电流开关设备,由于其具有能够提高厂用电可靠性和灵活性、提高发电机组和主变压器的可靠性、改善机组同期条件、满足机组频繁启停、简化继电保护接线等技术优势,以及制造水平和运行经验的成熟,近年来在多种类型发电厂中得到广泛应用[1,2]。
目前商用发电机断路器主要有SF6型断路器和真空型断路器两种。压缩空气型断路器由于其尺寸大、操作过程中机械振动较大,现已很少应用。SF6型发电机断路器额定电压一般为24 k V和36 k V,额定电流一般在10 ~ 24 k A,通常用于300 MW及以上的发电机组。真空型发电机断路器额定电压一般为15 k V及以下,额定电流为6 300 A以下,主要用于100 MW及以下的发电机组[3]。
文中分析了大容量发电机断路器的主要参数,为设备选型提供参考。
1 发电机出口故障特点
同步发电机出线突然短路后,短路电流峰值可达额定电流的20 倍,这是因为突然短路过程中发生于同步电机内部的物理现象与稳态短路有很大区别,电枢电流和相应的电枢磁场幅值会发生突然变化导致定子绕组与转子绕组电流相互影响,从而使短路过渡过程变得非常复杂。由于发电机空载短路时短路电流最大,文中主要研究发电机出口空载短路后短路电流直流分量的产生与发展。
1.1 发电机出口短路直流分量的产生
发电机空载时,由于定子绕组开路,气隙主磁通Φ0仅由励磁电流If建立,对于定子绕组而言是一个频率为ω的交变磁场。短路后,定子绕组已闭合,根据磁通守恒定理,定子绕组将产生感应电流以阻止气隙磁场的变化。短路时刻同步电机磁场分布示意如图1 所示。
图1 中n1为转子转速;Φ0为气隙磁场主磁通;N0、S0为转子等效磁极。
式(1) 中Φia、Φib、Φic为定子a、b、c相主磁通;Φf为励磁磁通;Φ0a、Φ0b、Φ0c为定子a、b、c相漏磁通。
当忽略定子回路电阻时,由式(1) 可知,为实现气隙磁场磁通守恒,短路后定子电流产生的磁链应由两部分构成,一部分为交流分量,用于补偿励磁电流产生的旋转磁通Φfsinωt ;另一部分为直流分量,用于维持短路瞬间气隙磁场磁通 Φ0,该部分磁通空间上保持静止( 下文称气隙静止磁场)。因此,定子电流将会出现交流分量和直流分量,且磁路不饱和情况下,短路电流直流分量与气隙静止磁场成正比。由于短路瞬间气隙磁场也是由励磁电流建立,故其可能出现的最大值为 Φf,从而可知定子短路电流直流分量可能出现的最大值与交流分量初始峰值相等。
1.2 发电机出口短路直流分量的发展
短路电流直流分量是由气隙磁场静止分量在定子绕组上感应出的电流,因短路后气隙磁场静止分量失去励磁,短路直流分量也随即失去电源,故定子直流回路等效为零状态电路,其衰减时间常数Ta将有定子绕组电阻Ra和气隙静止磁场对应的等效电感La确定,对应能量转换过程为气隙静止磁场能量转变为定子电阻消耗的热能。由于气隙静止磁场与旋转的转子交、直轴交替的重合,故其对应的电抗可取即Xd″与Xq″的算术平均值,即负序电抗X-。
发电机短路电流直流分量衰减时间常数Ta与发电机容量、型式以及制造工艺等等有关。GB 14824—2008《高压交流发电机断路器》中推荐发电机时间常数值为150 ms,《水电站机电设计手册》中推荐水轮发电机组时间常数为110 ~ 300 ms。由于短路交流分量衰减快于直流分量衰减[4],导致短路电流延时过零点,如图2 所示,严重时甚至短路后的多个周期无过零点。随着发电机容量增加,发电机负序电抗( 标幺值) 并未显著变化,但电阻值( 标幺值) 却明显减小,因此导致大容量发电机时间常数超过上述值[3],部分发电机组时间常数见表1。
图2 中A为短路电流非周期分量幅值;IDC为短路电流非周期分量衰减曲线;T为电网周期;Ik″为短路电流基波分量峰值;ip为短路电流峰值。
但发电机断路器在发生短路后必须尽快断开以避免故障进一步发展,一般发电机断路器开断时间取60 ms( 包括继电保护时间、断路器开断时间),此时短路直流分量仍较大,因此发电机断路器应具备较高直流分断能力。
1.3 发电机断路器开断瞬态恢复电压
发电机励磁电流下降或失磁时,需从电力系统吸收大量的无功,此时若励磁调节无法补充无功,发电机很容易陷入失步状态,其结果是电压将明显下降,转子和定子产生过热,有功发生严重周期性变化使发电机及其部件产生异常机械冲击,还可能导致相邻正常运行的发电机与电力系统之间或电力系统各部分之间也产生失步,严重时可能导致电力系统解列甚至崩溃。如果这个时候通过调节励磁都不能恢复同步,一般要求断路器断开发电机和系统之间的联系,即失步开断。发电机失步开断时,短路电流并不大,仅为额定短路开断电流的25%,但断路器瞬态恢复电压(TRV) 上升陡度非常高,通常为2.45 ~ 10 k V/μs,远高于普通断路器0.24 ~0.57 k V/μs的上升陡度。高瞬态恢复电压上升率很容易引起灭弧室的断口击穿,从而使电弧重燃。发电机断路器开断后定子回路等效电路如图3 所示。
对图3 回路列出电压微分方程:
由于电感电流不能突变的边界条件可求解TRV上升率表达式:
式(3)、式(4) 中:uc为电源电压;φ为电源电压相位;Um为电源电压峰值;δ=L/R,为电感电流初始量衰减时间常数;ω0=(LC)-1/2,为电路固有频率。
2 发电机断路器发展现状
由上节分析可知,与普通配电断路器相比,发电机断路器的特点为短路电流直流分量大和瞬态恢复电压高,为此,发电机断路器需要特殊的结构设计以完成开断。
2.1 利用电弧特性避免短路电流长延时过零
由式(4) 可知,短路后增大定子回路电阻和减小定子回路电抗均可减小直流衰减时间常数,从而避免短路电流长延时过零。然而定子回路电抗主要由发电机容量、结构型式等因素决定,且本身数值已较大,短路时串接大电抗难以实现,因此国内外生产厂家主要通过增大定子回路电阻以加快直流分量衰减。电弧是断路器开断非纯阻性回路必然产生的一种自恃放电现象。断路器开断过程中动静触头距离是由零增大的过程,动静触头分离瞬间即使很小的电压也会产生很大的电场,从而导致动静触头间气体击穿,产生电弧。电弧熄灭的必要条件是电流过零点,不过由于电弧伏安特性呈纯阻性,发电机断路器灭弧室虽然不能切断未过零的电弧电流,但却可以利用电弧电阻加快直流分量衰减,直流衰减时间常数将变为:
式(5) 中Radd为电弧电阻;Ra为定子回路电阻;La为定子回路电感;X-为定子回路电抗。可见,快速有效地开断具有延迟电流零点短路电流的关键在于断路器触头分离过程中电弧的伏安特性[5]。
2.2 两端加装吸收电容限制TRV上升率
瞬态恢复电压是断路器开断过程中必然产生的,其上升率有两方面决定:开断后断路器动静触头承担电压和开断的短路电流幅值。分别对应发电机失步和发电机出口短路两种工况,其本质均因发电机和变压器组设备的分布电容小,截流后由于两端回路的电感磁场能量没有相匹配释放通道,从而电荷迅速在断路器动静触头间堆积,造成TRV高上升率。由式(4) 可知,TRV上升率由工频部分和高频部分共同决定。工频部分由工频电源决定,无法改变;高频部分中,δ<<ω0,可变参数ω0起主要作用,若要改善TRV条件,降低TRV的上升率,可以考虑减小ω0,达到减小TRV上升率的作用。参考文献[6] 通过试验得出某机组设置不同电容器时TRV上升率,如表2 所示。
由表2 可以看出,断路器两端加装电容器可有效降低TRV上升率,目前一些公司生产的发电机断路器也均采用这种方法限制TRV。但由式(4) 也可以得出,改变定子回路固有频率可能会增大TRV的幅值,因此发电机断路器选型时应综合考虑TRV幅值,以及机组分布电容值来确定并联冲击电容大小。
3 结语
发电机断路器与普通配电断路器差异主要为短路电流延迟过零和瞬态恢复电压TRV上升率高。在中小容量机组发电机断路器选型时,由于短路电流不大,电压等级低,如果短路电流延时过零在继电保护允许时间范围内,且分布电容已满足TRV满足要求,可用普通配电断路器代替发电机断路器。但对于大容量机组,普通配电断路器无法满足,仍需采用发电机专用断路器。
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电机容量 篇3
据了解, 国家电网电力科学研究院、沈阳变压器研究院等专家, 以及大唐桂冠合山发电有限公司等用户单位的代表见证了该产品试验的全过程。
由于受交通运输条件限制, 用户对该产品的运输重量及设计尺寸提出了特殊要求。衡变公司采取由三个单相变压器通过共用低压通道连接成三相变压器, 再分成三个单相进行运输的方法, 有效降低了单体运输重量和尺寸。该产品容量大、结构复杂, 采用了世界领先的变压器验证分析软件, 对计算结果进行电磁场、波过程、短路机械力、温升、油流分布等验证分析。尤其是油箱壁采用独特屏蔽结构, 形成良好漏磁通道, 有效降低了结构损耗, 解决了超大容量变压器产品结构件局部易过热的难题。