作为我国高压电器行业的归口部门、代表国家高压电器工业技术水平的西安高压电器研究所新建的高压开关试验室需要装设6500MVA冲击发电机，如果购买国外产品价格将高达上千万美元。哈尔滨电气集团、发电设备国家工程研究中心、大电机研究所、电机厂有限责任公司，历经10年之久的科研攻关、破解了诸多难题，开发成功了世界最大容量级的6500MVA冲击发电机，经过国家验收并顺利投入运行。

　　本文主要论述大型冲击发电机的开发成果。电磁设计原则、结构特殊要求、护环设计关键、转子系统稳定性、引出铜排电动力、护环温度监则、转速转角测量等方面列为重点。

　　2电磁设计原则现代化电力设备的发展趋势是实现一体化、紧凑化，提高运行可靠性、提高效率、降低成本。针对冲击发电机来说，从设计开始就考虑到下述要求：①短路电流应当尽可能增大；②减小噪声、振动；③实现自动化运行，节电、省力；④达到安全预警，防患于未然；⑤维护方便。

　　冲击发电机的最大特点是短路电流很大、工作时间很短。由于负载短暂，所选择的气隙值应是最小的。在电磁设计阶段应使励磁绕组断面尽量小，用铜量减少，铁心截面增大，气隙磁密提高，却不使其达到饱和。

　　为了增大定子线负载，应当尽量减小漏抗，线槽的形状应当浅而宽，槽楔应当很满。选用单层绕组可以满足这种要求。

　　为了提高电磁利用率，就应加大绕组系数，采用全节距绕组。然而对于冲击发电机来说，保证电压的正弦波形很重要，就应消除5次和7次谐波，这就要求采用短节距绕组。

　　用于中高压断路器试验时，正常试验时间在0.08s以内，即使油断路器的试验开断时间也不超过0.15s.在如此短暂的时间内，短路电流主要与超瞬变电抗d X″有关，冲击发电机的标称容量就是以超瞬变电抗d X″为基准核定的机端初始合闸功率，设计的主要目标就是使d X″最小化。

　　用于低压开关试验时，一次合闸――开断的持续时间达0.3s甚至更长，它包括了短路的超瞬变期和瞬变期，在此期间内要求短路电流基本保持稳定。因此，应使超瞬变电抗d X″尽量大一些，以使其按近于瞬变电抗d X′值。由于瞬变功率必然小于超瞬功率，这种情况下的冲击发电机标称功率则以瞬变电抗d X′主基准来核定。

　　d X′和d X″之间差值的减小对有效利用短路电流的时间特性很重要，所以转子槽的设计也应当是尽量减少槽数，并使槽形达到既浅又宽。

　　3结构特殊要求冲击发电机的结构型式基本上有2种，即隐极高速型和凸极低速型。采用隐极型转子时高速发电机为2极，转速为3000r/min和3600r/min，频率为50Hz和60Hz.优点是外形尺寸较小，瞬变电抗较小，输出功率较大，可节省试验钻的空间。缺点是：转动惯量较小，不利于减缓短路电流的衰减，有时需要额外加装飞轮。虽然同属于透平型发电机，常规的隐极型高速发电机是由汽轮机或燃气轮机驱动，而冲击发电机则由实现变频调速的绕线型异步电动机拖动来达到同步转速并输出具有工频的电压、电流。

　　对冲击发电机结构设计的总体要求是：（1）提高运行可靠性，延长运行寿命；（2）减小冲击及载对基础的作用力，以及向机外传导的振动；（3）便于维护检查；（4）减小风损，减小通风功率；（5）减少基础施工费，减少挖掘量。在结构方面应当采取的具体措施如下：（1）定子铁心――拉紧螺杆应比常规型发电机多一倍，以防止铁心老化、松驰、片间移动；铁心与机座之间采用燕尾槽键，键与机座之间再插销子。

　　（2）定子绕组――端部承受的径向力、周向力、切向力都很大，加上2极高速电机的绕组端部又很长，会引起较大变形，使绝缘破坏，所以要求坚固，除了正常固定外，端部线棒之间设置间隔垫片，其空隙全部用树脂浇洗，成为整体。（3）转子绕组――端部伸出槽外，除了承受离心力、热膨胀作用外，还有短路时的冲击电磁力引起的扭振，所以应将转子铁心槽部沿轴向延长，以使转子绕组原来伸出铁心槽外的直线部分也被嵌入槽内，并在端部插入间隔垫片，防止变形。这种铁心加长措施与传统不同，但可有效地防振。

　　（4）定子装配――四角装设了单性支撑装置，以缓和向基础传递很大的冲击负载。（5）硅钢片――采用沿切向为取向型低损耗材料，以便减小铁损和磁应力。（6）屏蔽环――铁心端部采用无磁性的压指和端扳，并在绕组端部采用内外2层铜屏蔽环，以防止端部漏磁的页面影响。（7）阻尼绕组――阻尼条与槽楔做成一体由嵌在护环凹槽中的锻制黄铜环短接；转子槽楔则由锻造铝青铜制成。

　　4护环设计关键针对大型冲击发电机端部磁场的特殊状况，开发了一种新的实用的计算分析方法，即将电机端部三维磁场分鲜为横截面和纵截面上的2个二维磁场，分别进行计算，然后将二者相叠加，换算出实际三维磁场的整体分布，以获得端部电磁场的实际结果。根据多台透平型发电机护环的计算分析结果证明：（1）定子加齿槽效应在气隙中引起磁通脉动，并产生齿谐波。

　　这种齿谐波的磁通密度从定子表面到转子表面逐渐衰减。因此，气隙越大，对转子的影响越小；在气隙中的护环距定子表面越近，则受到的影响越大；反之，则受到的影响越小。（2）护环的设计，除了考虑结构强度外，还必须考虑电磁发热方面的因素。护环的设计应使它尽量退出电机本体的有效铁心部分。如果要求它必须与定子铁心重叠一部分，也要考虑加大这个重叠部分的气隙，比如通过对端部铁心采用台阶状，或使护环制成斜坡状结构，以便相应加大护环与定子铁心表面之间的距离。（3）实践证明，如果违背这个护环设计准则，就会使护环烧切，甚至引起更大事故。

　　护环的这种设计关键技术已推广用于其他透平型大容量发电机上，效果显著。

　　冲击发电机在运行稳定性方面有特殊要求，即失稳转速必须达1.25倍额定转速以上，而且轴承的刚度系数和阻尼系数还必须保证轴系以临界转速避开额定转速的20%.2极高速型冲击发电机的额定转速为3000r/min（50Hz）和3600r/min（60Hz），这就是要求在2400r/min和4300r/min范围内不允许出现临界转速，设计难度很大。

　　在设计轴承时，其结构型式的选择和参数的计算要满足承载能力、轴承――转子系统振动及其稳定性的要求。？圆型轴承的承载能力较高，可以考虑。其性能计算则采用有限差分―特征矢量法联立求解雷诺方程、能量方程和润滑没温度―粘度关系式，可获得轴承的承载能力、功耗、温升、流量和刚度阻尼系数。在4500r/min转速以下，油膜流态按层流工况考虑，轴承稳定性计算则采用传递矩阵特征方程求根方法计算。临界转速（包括各阶临界转速）、失稳转速、固有频率、对数衰减率、共振放大因子等可同时获得。为了验证计算结果，还采用求解转子系统质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵广义特征值方法进行轴承稳定性计算，并考虑到了油膜阻尼、交叉刚度、交叉阻尼以及陀螺效应的影响。

　　6引线铜排电动力冲击发电机电流很大，其出线端子到高压电器试验室母排之间的连接铜排（即引线铜排），频繁地受到巨大电动力的冲击，必须采用可靠的固定结构。

　　按照自主开发的程序，分析计算了引出线铜排的电抗、冲击电流、电动力，并按严重的三相突然短路工况考虑，给出了电动力计算公式，计算了电动力的幅值系数，给出了振幅系数沿铜排长度方向的分布曲线，为固定结构件和铜排本身以及基础预埋件的应力分析提供依据。这种先进方法可推广用于各种汇流排的设计。

　　7护环温度临测开发了一种先进的红外光纤辐射温度计测试系统，它能在发电机内部强电磁场影响下实现对转子护环温度的在线临测。它采用的红外测温、红外光纤技术，能实现在狭窄的空间下进行非接触测温，从而解决了辐射能量的传输问题。

　　该系统采用现场LED显示，4～20mA电流长距离传输显示，以及通过RS-485串行讯口与上位计算机进行长距离信息传输等技术，实现了测试系统工作过程的直观、方便、完全适合现场在线监测等要求。

　　8转速转角测量大容量冲击发电机的运行工况始终是各种突然短路、跳闸、合闸等瞬变过程，为了准确摸拟电网中开关合闸、分闸瞬变过程的实际情况，必须准确测定电机转速和合闸角度。它短路时的巨大瞬时转矩会使转速急剧下降，因而对测量装置的测试速度和精度提出很高要求。采用STD总线V40系统Ⅱ工业控制计算机开发的具有高测量精度、高测量速度、宽测量范围的瞬时转速转角开环测控系统完全满足这种要求，其性能达到国际先进水平。

　　9国内开发产品早在80年代初期，哈电机公司就为西安高压电器研究所研制成功单机合闸功率为2450MVA的冲击发电机组，用于高压断路器试验。1989年又为上海电器科学研究所制造单机使用功率为135MVA的冲击发电机组，用于低压开关试验。到了90年代初期，哈电机公司为中国船舶总公司712研究所提供标称容量为350MVA的冲击发电机，属于交、直流两用。

　　交流电压6.3kV时，最大短路电流为14.7kA；经过变压器和整流装置后，在直流电压690V时，最大直流短路电流可超过120kA.除了冲击发电机外，提供的配套设备还有：高倍强励高速静止励磁系统，变频调速绕线型异步电动机，轴承润滑油系统，转速和相位测控装置，辅助发电机。90年代末期，哈电机公司历经10年之久的研发，终于制成我国最大的、同时也属世界最大容量级的冲击发电机，经国家验收后已在西安高压电器研究所新建的高压开关试验室顺利投入运行。该机的初始合闸容量为6500MVA，电压14/15kV，最大短路电流超过140kA，该机频率：50/60Hz，转速：3000/3600r/min，d X″：0.0296？，d X′：0.0446？，强励倍数：16，定子重：280t，转子重：61.7t，运输重：390t，拖动电机功率：4000kW.

　　该机采用了下述新结构新工艺：①定子单层三相叠绕组；②定子绕组端部内外两层铜屏蔽；③转子全阻尼绕组；④转子通长槽楔；⑤无环键护环。

　　作为一个向世界顶级水平冲刺的高科技含量的产品，在清华大学、哈电工学院等高院校的合作下，哈大电机所、哈电机公司开发成功的6500MVA冲击发电机达到世界先进水平，取代了进口产品、节省外汇1千万美元以上。

　　旋转三工位隔离开关／接地开关为薄形圆柱形状，故可以有效地利用圆筒容器空间，与原来的GIS用三工位隔离开关／接地开关相比，除操动机构外，所占空间只为原来的15％，高度缩小到原来的50％。

　　与操动机构的连接为一种直连式结构。还有，因为是一种依靠齿轮的传递方式，故动作时的误差非常小，即使多次动作，也不会出现松动，提高了设备可靠性。

　　4、重量轻、占地面积小XAE2V型C－GIS壳体为铝铸件，使之轻量化，重量减轻了40％。由于使用了高压力（0.5Mpa）干燥空气绝缘、真空断图6与原来型GIS的比较路器及薄型旋转式三工位隔离／接地开关，故节省占地面积50％（图6）。

　　67产品与应用进行充电，因此，能够识别哪些电池可以安全充电、哪些电池不能充电对于充电器而言将是一个非常关键的功能，能够为用户提供进一步的安全保障。

　　350MVA冲击发电机时，哈电机公司在国际竞标会上击败了欧洲强手阿尔斯通公司，获得了这项合同。显示了我国竞争实力。

　　10结论1.我国开发成功的大容量冲击发电机采用了最新科研成果，产品性能达到世界先进水平，不仅能满足国内需要，而且可以取代进口产品、向国外出口。

　　2.实践证明，国内企业应以自主开发为主，通过创新求发展。哈电机公司的新品开发业绩再次突出了这条路线的重要性。

　　3.在开发冲击发电机这种特殊产品方面所取得的成果，已经或正在推广应用于其他透平型发电机上，将取得重大经济和社会效益。