冲击发电机简介

冲击发电机是高压断路器、高压开关、变压器等设备进行冲击性高压大电流试验检测的设备，对促进电力系统的发展有着举足轻重的影响。其设计制造技术难度很高。冲击发电机相当于以事故工况运行的发电机。冲击发电机的运行特点就是整个运行工况都是处于突然短路的瞬变过程。每一次试验都

相当于常规发电机出线端口的一次突然短路。常规发电机发生出线端口的突然短路事故后必须进行必要的检修及加固处理，整个寿命期内不允许超过三次突然短路事故，而冲击发电机每天都可能进行几十次短路试验。

冲击发电机基本数据与外形

发电机基本数据见表1。

冲击发电机由定子、转子、端盖、座式轴承、空气冷却器、座板、刷架等部件组成，外形见图1。

冲击发电机定子结构

冲击发电机应能经受突然短路时的巨大冲击力。机座结构应比一般发电机更为牢固，应具有足够的刚强度以满足短路运行的要求。机座是用钢板焊接的，外壳采用优质钢板滚制拼焊而成。整个机座焊接后经过消除焊接应力处理。定子铁心由经绝缘处理的高导磁、低损耗无取向冷轧硅钢板冲制扇形片叠装而成。定位筋为刚性定位筋。这种定位筋结构固定可靠，抗冲击能力强。定位筋数量比常规发电机多。定子线棒在直线部分采用罗贝尔换位，可使因集肤效应引起的附加损耗和股间环流损耗，包括端部横向磁场差异引起的附加损耗大为减少。

定子线棒对地绝缘采用F级云母带连续缠绕模压成型。线棒绝缘电压等级采用15.75kV等级。为了消除定子绕组的电晕放电现象，在槽内采用低阻结构，端部采用低、中、高阻搭接过渡防晕结构，同时一次模压成型。定子线棒具有良好的绝缘强度、机械强度和防晕性能。定子绕组端部结构是大型冲击发电机的关键问题，它直接影响发电机的可靠性。冲击发电机在短短几周波内流过的巨大电流，产生电动力作用在绕组端部，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，所以必须把端部绕组牢牢地固定，把变形和振动控制在最小数值，以获得较长的使用寿命。因此冲击发电机不能采用常规发电机绕组端部的结构和固定形式。定子端部所有固定件与线圈或引线之间均垫适形材料，以保证线圈绝缘不受损坏。根据冲击发电机端部电动力大这一特点，采用了能满足该机械性能要求的新型灌注胶结构。定子内压圈和外压圈将定子绕组端部整体地固定在一起，内部灌环氧树脂。这样组成了牢固结构以保证槽部线圈及定子绕组端部能够满足长期可靠运行。定子引线由压板牢固地固定在定子压圈上，以防突然短路时变形。固定螺钉及螺母材料均为非磁性材料，螺钉处套绝缘管以增大爬电距离。定子线圈端部外侧用非磁性铸钢圈，内侧用铸硅黄铜压圈将线圈端部固紧。线圈间间隙用云母板和胶填充，以防突然短路时线圈变形。

冲击发电机转子结构

转子轴采用强度高，导磁性能好，脆性转变温度低的25CrNi3MoV锻件制造。护环采用强度高、耐应力腐蚀的18Mn18Cr锻件制造。由于试验时发电机和线路中的损耗由发电机转子的动能提供，因而在一次试验后转子转速在瞬间急剧下降。这将可能引起护环与转子本体间有相对位移，护环的热套紧量应考虑在短路试验时由于配合部分温升使热套面的压力不减小，以及短路试验时配合部分的温升和超速时线圈护环的变形不能超过标准。为此，护环与本体应采用足够大的紧量，其间的摩擦应足以防止护环移动。冲击发电机转子为气体表面冷却。铜导体中热量经绝缘传到转子齿，再由转子表面到气隙，所以转子线圈结构较为简单。转子线圈采用含银铜线。因为含银铜线具有比一般铜线较好的抗蠕变性能和较高的屈服点以满足频繁起停机运行的要求。

转子槽衬采用有足够的绝缘性能和机械性能材料。它应能承受不同膨胀系数的作用而不致变形和开裂，而且它还必须承受压缩和局部应力集中弯曲和剪切应力，同时应适应冲击发电机的反复强励的要求。为了满足强励电压的要求，转子绕组匝间绝缘、槽衬、引线绝缘、导电杆绝缘等处绝缘均采用特殊高压绝缘材料以适应频繁起动和冲击负荷的特点，厚度应高于常规发电机。转子绕组中的绝缘垫块、匝间绝缘，护环下的扇形绝缘均采用高强度F级的绝缘材料以适应频繁起动和冲击负荷的特点。转子出厂耐压应远高于正常电机。作试验时，有时为两相负载，负序电流大。为了提高发电机承受不平衡负荷能力，有效地削弱负序电流对转子发热的不利影响，冲击发电机采用全阻尼系统。为了防止不平衡试验时转子齿及槽楔过热，采取下列特殊结构:

1）采用导电性能良好的槽楔以增强阻尼作用；

2） 在槽部槽楔下放4层通长阻尼条与在护环下装有弧状扇形件带有突出的齿，以便插入槽内与槽内阻尼条搭接；

3） 在大齿上开有轴向槽，在槽内装有同正常槽一样的阻尼绕组和槽楔。这样由转子本体、槽楔、阻尼绕组形成更有效的阻尼系统。

冲击发电机通风冷却系统

冲击发电机瞬时短路容量很大，损耗也很大，但持续时间很短，产生的发热量较同体积常规发电机的热量小。因此，采用封闭空冷系统，定子、转子、绕组和铁心都采用空气表面冷却，以便于使用和维护，使系统简单化。

1）机壳的安装工艺。

机壳安装时，具体参考标准如下：机组设备的X、Y基准线是机壳安装时的重要参考，安装时，应遵循以下规范：安装后机壳与机组X、Y基准线的偏差应小于±1mm，高度上的偏差应小于±2mm，机壳上法兰面的水平偏差应小于0.05mm/m；任何机壳安装时都应该注意密封工作，对于没有采用密封机壳的设备，机壳的组合面表层应涂密封胶；特别是对于立式机组来说，在机壳上人工焊接的各喷嘴法兰，它们的高度应保持一致，允许误差范围是±1mm，另外，各喷嘴法兰与机组X、Y基准线的距离应符合各设备的不同标准要求，其垂直度必须保证小于0.30mm/m；中心距的确定应考虑发电机转子的实际长度和它的热膨胀伸长值等因素。对于配置两个机组的发电机来说，两个机组机壳的相对高差应保证小于1mm。

2）水轮机轴的安装工艺。

法兰面的平整度，光洁度对于水轮机轴的安装至关重要，在安装前应仔细检查；相对于普通机组，立式机组的水轮机轴安装时，其上法兰面的安装应比预先设计好的高程低20mm-25mm；对于一些发电机转子直接与水轮机轴连接的机组，安装时应注意保持发电机转子法兰与水轮机轴法兰的同轴度、平行度等符合具体安装标准，此外，水轮机主轴的水平与垂直偏差应小于0.02mm/m；在安装水导轴承时，应事先与机组轴线进行比对，如符合设计要求，再进行安装。

3）转轮的安装工艺。

转轮的安装应符合下列要求：转轮水斗分刃旋转平面应通过机壳上装喷管的法兰中心，其偏差确保小于2mm；转轮轴的水平与垂直偏差应小于0.02mm/m；转轮端面跳动量不应大于0.05mm/m；转轮与挡水板间隙，一般为4～10mm；防漏装置与主轴的间隙应大于轴承间隙0.3～0.5mm。安装后各间隙与实际平均间隙之差，不应超过实际平均间隙值的±40%；其排水孔应畅通。2.4引水管路的安装工艺。引水管路安装时，其进口中心线与机组X、Y基准线的距离偏差应小于进口直径的±2‰；在配水环管法兰与喷嘴法兰之间应设有一定厚度的调整垫板，用于修正配水环管在安装焊接、浇注混凝土过程中引起的偏差；焊接分流管法兰时，应严格控制，避免法兰产生有害的变形，分流管焊接完成后，应检查每一个法兰及喷嘴支撑面的高程、每个法兰相互之间的距离、垂直度等指标，控制其偏差范围，符合设计要求；分流管与叉管焊接时应严格按要求进行，避免发生渗漏现象，同时保证叉管法兰不产生有害变形；

5）控制机构的安装工艺。

控制机构安装时要注意各元件活动的灵活性，并保证各元件的中心偏差小于±2mm，高度的偏差小于±1.5mm；调整折向器与喷针行程的协联关系，使之符合设计要求。保证喷针在任意行程时，折向器开口都大于该行程时射流半径3mm，但必须小于6mm。同时保证折各向器动作的同步性，符合设计要求。统计调速器开度与喷针行程和折向器开口的关系；作紧急停机模拟试验，记录喷针和折向器自全开至全关的动作时间，其数值应符合设计要求。

6）喷嘴及接力器的安装工艺。

喷嘴、接力器所处的位置决定了它们必须保证耐压性，所以在安装前应按设计要求要其耐压能力的试验，如在一定额定压力下，喷针及接力器的动作应保持灵活、喷针头和喷嘴口间应保持紧密；冶勒水电站的已有经验显示，6个喷嘴带来很多益处，喷嘴数量的增多能有效提高机组的比转速、效率和技术经济指标，同原有5个喷嘴相比，效率提高了0.5%，6个喷嘴同时优化了机组的刚度和结构，提高了机组的可靠性和稳定性；另外当喷针的接力器为内置式接力器时，必须保证排污腔的密封性，不能出现渗漏情况；喷嘴中心线应与转轮圆面严格保持相切关系；缓冲簧应符合设计要求，其压缩长度的偏差应小于±1mm。

7）水轮机轴承的安装工艺。

相比于普通水轮机，立式水轮机轴承的安装存在一些特殊要求：轴承的位置必须固定，安装后要检查轴承法兰的坐标，其高程偏差应小于±2mm，水平偏差应小于±0.4mm；水导轴承安装前应做好准备工作，其支架要进行预装配，水导轴承支架的中心与机组中心要保持一致，以保证机组的稳定性。预装完成后再按要求进行实际安装。

8）配水环管的安装工艺。

以机组X、Y轴线为基准，进行配水环管进口法兰的调整。保证与后面安装的水轮机进口球阀和压力钢管在同一轴线上。进水口与喷针法兰的垂直度要按要求严格检查：每个法兰的垂直度要用线坠检查；在稳水栅上自制安装专用平台，用全站仪找出机组中心点。用以测量喷嘴法兰到机组中心点的距离，保证转轮与喷嘴法兰同心；在每个喷嘴法兰面相平行的100mm的位置，安装一个槽钢架，通过计算角度和精密全站仪找出法兰的中心点并做标记，该点作为法兰调整测量的基准点。

冲击同步发电机专门设计的短路容量大、阻抗小、机械强度高、能反复承受短路方式的巨型同步发电机，其单台容t达100~300MW。为了降低冲击同步发电机的阻抗，其磁通密度设计得较低，且气隙小，结构的精度和强度要求高，因而材料消耗大。例如，日本东芝公司的7400型两极机的标称短路容量为740。MV·A，总重464t，德国的西门子公司的4350型八极机标称三相短路容量为4350MV·A，总重达630t，比同容童普通机组的重量高出约2倍。冲击同步发电机多为两极强阻尼型或多极弱阻尼型，运行时，借助于电动机拖动，待达到额定转速后，将其定子出线端突然短路以获得数百千安的大电流。

有两种方法：①描述冲击波形本身的固有特性。可在时域内用波形的形状、峰值、脉冲宽度（即持续时间）等参量描述，这种描述适用于简单脉冲型冲击；也可在频域内用傅里叶谱求出冲击的主要频率分量和频率范围，这种描述既适用于简单脉冲型冲击也适用于复杂脉冲型冲击。图2为半正弦脉冲及其傅里叶幅值谱。②描述冲击对系统的作用效果。可采用冲击响应谱（简称冲击谱），即无阻尼的或有阻尼的单自由度系统对作用在系统基座上的冲击的响应峰值同该系统同有频率的函数关系。冲击谱又可细分为：仅在作用期间获得的冲击谱称为初始冲击谱（简称主谱）；在冲击作用之后获得的冲击谱称为剩余冲击谱（简称余谱）；主谱和余谱中取最大值后形成的冲击谱称为最大谱。图3为半正弦脉冲作用于无阻尼单自由度系统后得到的冲击谱。

冲击谱的概念提出较早，由于它比较简单，而且很多系统在一定程度上可以当作单自由度系统，所以可以通过冲击谱了解机器设备因受冲击而破坏的程度，因此冲击谱至今仍是研究冲击的重要工具。但它没有考虑到相位因素，提供的只是一种不完整的信息。

冲击同步发电机它可以单台独立运行，也可以多台并联运行以获得更大的短路容量。两极机组的本体及基础承受的力矩均较小，但端部绕组受力较大.拖动电动机一般为数兆瓦的感应电动机，将冲击同步发电机带到额定转速后，拖动电动机即行脱离电源，整个机组靠自身惯性运行，使电力系统免受冲击负荷的影响。尾接电抗器安装在冲击同步发电机各相定子绕组尾部的线性电抗器，借以限制发电机的内部短路电流。发展状况1912年德国AEG公司建成世界第一个冲击同步发电机试验站。70年代，冲击同步发电机试验站发展迅速，以建于荷兰电工器材试验有限公司的荷兰KEMA大功率实脸站的规棋最大，它是世界性的权威机构。能生产冲击同步发电机的公司及制造厂有ABB集团公司、意大利的TIBB公司、日本的东芝公司和日立公司、德国的西门子公司和AEG公司、苏联的电力工厂以及中国的哈尔滨电机厂。