发电机自并励励磁系统的设计
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第 2 卷第 3 期 2009 年 9 月
上 海 电 气 技 术 JOURNAL OF SH ANGH A I ELECT RIC T ECH N OL OGY
V ol . 2 N o. 3 Sep. 2009
文章编号: 1674 540X( 2009) 03 027 04
1 000 MW 发电机自并励励磁系统的设计
者来自内部的励磁保护跳闸命令, 在断开交流磁场 断路器的同时截 止脉冲并触发晶闸管跨 接器以接 通灭磁电阻。由于采取了脉冲截止的措施 , 励磁变 副边交流电压被叠加到磁场断路器的电弧电压上, 可以缩短灭磁时间。 灭磁电阻的设计要考 虑磁场断路器 的电弧电 压和励磁绕组允 许的最大电压以及励磁 绕组中的 可能的最大灭磁能量。 灭磁回路 , 在发电机停机或跳闸时可释放磁场 能量 , 防止磁场绕组和励磁系统的损坏。采用独特 的、 有冗余的 跨接器实现磁场能 量的转移 , 用固态 电子器件取代灭磁开关的机械常闭触头 , 可显著提 高灭磁可靠性。跨接器还用于转子过电压保护。 交流侧过电压保护置 于每个整流桥 的交流侧 过电压保护回路 吸收由晶闸管整流而引 起的电压 尖峰。A C 过电压保护主要由一个三相二极管整流 桥和一个连接在 DC 侧的电容组成。对于高频过电 压而言, 电 容代 表一个 低阻抗 并且 起滤 波器 的作 用。与电容并联的有一个放电电阻器 , 在电容放电 时吸收能量。这种用途的 电容应能支持 较高的电 流变化。二极管整流桥的 AC 侧由带接点指示的熔 断器保护。 直流侧过 电压 保护 发电 机端 出现 故障 , 如 短 路、 错误的同步和/ 或异步运行, 会引起反向的感应 磁场电流 , 该电流在转子回路中会产生过电压。过 电压必须被限制到足够安全的水平 , 而且应低于整 流器可控硅的峰值反向电压。 跨接器电路通 常用于直流侧 过压保护。该电 路采用雪崩二极 管用于探测转子回路中 的正向和 反向过电压。当雪崩二极管被击穿 , 相连的可控硅 则被触发 , 立即将灭磁电阻器并联连接到转子回路 上, 同时发出跳闸令使磁场断路器立即断开。 1. 5 起励装置 对于自并励励磁系统, 当机组起动后转速接近 额定值 时, 机 端电 压 一 般比 较 低, 约 为 额 定值 的 1% ~ 2% , 励磁调节器中的触发电路由于同步电压 太低不能工作 , 不能输出励磁 电流使发电机 建压。 为了提供发电机初始励磁使发电机建立稳定电压, 需另设起励电源和起励回路, 起励电源来自厂用交 流或厂用直流。 1. 6 附加功能[ 3] 1. 6. 1 电力系统稳定器 ( PSS) 电力系统稳定器
表1 符号 I EN kU UP IP fn
min
可忽略不计。 算得 U20 = 958. 4 V 额定视在功率计算 S T = 3U 20 I 2n S T = 9 386. 5 kW 由于励磁变压器为 3 台单相变压器 , 故单相额
x,
定容量为 3 128. 8 kW 。
输入参数说明 值 备 注
最大短路电流开断能力 120 kA ;
采用直流灭磁方案, 当收到来自发电机保护或
( P SS) 的功能包含于 AVR 软件中。 PSS 的目的是
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上
海 电
气
技 术
2009 年第 3 期
通过引入一个附加的反馈信号 , 以抑制同步发电机 的低频振荡, 有助于整个电网的稳定性。 PSS 的控 制算法是以 IEEE Std. 421 2A 为基础的。附加的 反馈信号为机组的加速功率 ( 由电功率信号和转子 角频率信号综合而产生的 ) 。 1. 6. 2 转子温度测量 转子温度测量是通过计算 励磁绕组的电阻来实现的 , 其表达式如下: Rf = Uf / pT 1 - U B - I f ( R B + R L ) If
假定数据 假定数据 发电机数据 发电机数据 铜母线 铜母线 铜母线 铜母线
1. 2
励磁电压调节装置 双通道自动电压调节器为全冗余系统, 具有基
调节器功能: # 自动电压调节器( 自动控制 ) ; ∃ 有功和无 功补偿 ; % 励磁 电流调 节器 ( 手 动控 制) ; & 时间可调的软启 动功能; ∋ 运行通道和备 用通道之间的自动跟踪 ; ( 自动和手动方式之间的 双向 自 动 跟 踪 ; ) 恒 无 功 或 恒 功 率 因 数 控 制; ∗ PSS 电力系统稳定器; + 采用输入信号为有功功
DC6 930 A 0. 8 p. u. DC 874 V DC 11 774 A 50 Hz 10∀ 30 m 30 m 2V 0. 95 V 0. 13 m 3 0. 08 p. u. 0. 01 p. u. 0. 12 p. u. 0. 225 p. u. 1 120 M V A 27 kV 0. 255 m / 相 2 m /相 0. 255 m / 极 1. 9 m / 极
1 000 MW Genewenku.baidu.comator Static Excitation System Design
CA I Mai ( Shanghai Electric Pow er Generation Equipment CO. , LT D. Generator W orks, Shanhai 200240, China)
随着大容量机组 1 000 MW 发电机投入运用 , 发 电机运行的稳定性成为人们愈加关注的课题, 提高励 磁系统的稳定性是改善发电机稳定性的最有效的措 施之一[ 1] 。
硅负载而引起的谐波发热, 集肤效应和磁通饱和等因素。 ( 1) 输入参数说明如表 1 ( 2) 励磁变压器二次侧额定电流计算 I2 n = 2 I EN 3
1 设
1. 1
计
I 2 n = 5 654. 9 A ( 3) 励磁变压器二次侧额定电压 U20 计算 2 r T I p + 2V T o + 2 UB npm in x r + x net IP + rr 2 3 I EN
励磁变压器的设计 励磁变压器为干式变压器, 设计中考虑了因带可控 Up + U20 = 3 2 3 X CA C + 2R tot + K U co s
min
-
收稿日期 : 2009 08 14 作者简介 : 蔡 迈 ( 1962 ) , 女 , 高级工程师 , 长期从事汽轮发电机励磁系统研究设计工作 , E mail: caimai@ shanghai electric. com
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海 电
气
技 术
2009 年第 3 期
式中 , R tot 为产 生 电阻 性压 降 的交 直 流母 线 的 总 电阻 , R tot = R CAC + R CDC = 0. 51 10- 3 x net 为 产生 电感 性压 降的自 并激 电源 的等 值 阻抗。 x net X d !X T U P 2I EN X d !+ X T 1. 28 S G 0. 000 7 pu
Abstract: T he art icle mainly introduce t he 1 000 MW generator static excitation system design. Include selection t he t ransf ormer capacity and second voltage, converter bridge, De excitation. As w ell as the limiter, protector and assist ant f unct ion of t he excitation syst em. Key words: converter; automat ic volt age regulator; de excitation; over voltage prot ector
蔡 迈
( 上海电气电站设备有限公司发电机厂, 上海 200240)
摘 要 : 介绍了 1 000 MW 发电机自并励磁系统的设计, 包括励磁变压器容量和二次电压的选择 、 可 控硅元件、 灭磁开关的选择, 以及励磁系统限制 、 保护和附加功能。 关键词 : 可控硅整流器; 自动励磁电压调节器; 灭磁; 过电压保护 中图分类号: T M 412 文献标识码: A
VW O 工况的 1. 1 倍 招标书要求 额定励磁电压的 2 倍 额定励磁电流的 2 倍
L AC L DC UB V To rT N pmin x r xT X d! SG U10 R C AC X CAC R CDC X CDC
励磁变二次侧 与可控硅整流桥交流侧间的距离 , 假定值 励磁系统出线端与发电机滑环间的距离 , 假定值 假定数据
下要求: # 能在 1. 1 倍在额定励磁电流长期运行 ; ∃ 能满足发电机强励运行的要求 ; % 可控硅 整流 器应能承受由于发电机端或主变 高压侧上的三 相 短路而产生的感应电流; & 可控硅的重复峰值反向 电压以及重复峰值断开电压应不 低于励磁变压 器 次级峰值电压的 2 7 倍; ∋ 可控硅整流器的冗余配 置是 n 1 型配置, 即 n 个可控硅整流器并联 , 故障 退出一个可控硅整流桥时满足 1. 1 倍励磁电流和强 励要求。 装置用于可控硅桥的监视和保护, 具有以下功 能: # 可 控 硅 导 通 监 视; ∃ 整 流 柜 温 度 监 视 ; % ARCnet 总线和脉冲总线接口; & 并联支路的分 支电流控制 ; ∋ 将整流桥电流测量值输出到整流柜 就地显示器; ( 风机控制用开关量输入 / 输出, 可控 硅快熔监视; ) 脉冲闭锁控制, 过压保护投切控制。 额定电压下的单柜主要数据: 可控硅型号 可控硅通态平均电流 可控硅反向重复峰值电压 最大直流输出电流( 无强励) 1. 4 灭磁和过电压保护装置 型号 额定电流 额定电压 开断弧压 主触头极数 合闸机构 跳闸线圈数量 辅助接点数量 GERAP ID8007 2x 2; 8 000 A; 2 000 V; 2 800 V; 1; 电磁线圈; 2; 6 常开 6 常闭。 5ST P 38Q4200; 4 275 A; 4 200 V; 3 995 A 。
本控制、 各种附加控制、 限制器和 电力系统稳定 器 等, 设有齐全的系统监 测和保护功能 , 具有很高 的 可靠性。限制 器用于防止发电机 在非正常工况 下 运行
[ 2]
。
2009 年第 3 期
蔡
迈 : 1 000 MW 发电机自并励励磁系统的设计
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率和频率的 IEEE 421. 5 PSS 2B 模型。 限制器功能: # 励磁电流限制 , 带瞬时和反时 限延时动作特性 ; ∃ 基于 P / Q 图的低励限制, 瞬时 动作 ; % 定子电流限制 , 过励区反时限延时动作, 欠 励区瞬时动作; & 过激磁限制( V/ H z 限制) 。 监视和保护功能 : # 过励保护 , 瞬时和反时限 动作 ; ∃ 失磁保护监视; % PT 断线监视; & V / H z 保护 ; ∋ 可 控硅 快熔 监 视; ( 可 控 硅导 通 监视 ; ) 励磁变压器温度监视 ; ∗ 起励时间监视 ; + 电子 装置自检测( 看门狗 ) 。 1. 3 可控硅整流装置 静态励磁系 统的可控硅整流 器的设计满足 以
不平衡电流到检测电路, 当不平衡电流超过 − 段设 定值时, 发报警信号; 当超过 . 段设定值时 , 发跳闸 信号。报警信号有可调延时 , 闭锁和复位。 装置需要交流电源供 电, 需要引 入转子正、 负 极和轴碳刷 3 个信号, 发电机 2 段报警信号。电源: 220 VA C/ 110 VAC, 50 H Z/ 60 H Z。 1. 6. 4 轴电压问题 自并励静止励磁系统中 , 由 于加在转子绕组的励磁电压为三相全控直流输出, 转子绕组对轴、 轴经油膜对地存 在分布电容 , 整流 电压在分布电容上产生电压 , 形成轴对地电压。轴 对地的峰值电压可达 35 V 以上 , 从而击穿油膜, 损 坏轴承 和轴瓦。在 自并励 静止 励磁 系统 中, 设置 RC 轴电压吸收装置, 抑制可控硅换相产生的高频 轴电压, 把轴电压限制在 20 V 以下的安全范围内。
说
明
数
系统额定连续输出电流 强励时的电压跌落系数 kUmi n 下 系统强励电压 系统强励电流 额定频率 最小控制角 到交流电源的接线长度 ( 电 缆) 到滑环连线的长度 ( 电缆 ) 碳刷压降 可控硅阈值压降 可控硅斜率电阻 可控硅最小并联支路数 励磁变压器短路电感 励磁变压器短路电阻 升压变压器短路阻抗 直轴超瞬变电抗 发电机最大额定容量 发电机额定电压 交流母线电阻 交流母线电抗 直流母线电阻 直流母线电抗
上 海 电 气 技 术 JOURNAL OF SH ANGH A I ELECT RIC T ECH N OL OGY
V ol . 2 N o. 3 Sep. 2009
文章编号: 1674 540X( 2009) 03 027 04
1 000 MW 发电机自并励励磁系统的设计
者来自内部的励磁保护跳闸命令, 在断开交流磁场 断路器的同时截 止脉冲并触发晶闸管跨 接器以接 通灭磁电阻。由于采取了脉冲截止的措施 , 励磁变 副边交流电压被叠加到磁场断路器的电弧电压上, 可以缩短灭磁时间。 灭磁电阻的设计要考 虑磁场断路器 的电弧电 压和励磁绕组允 许的最大电压以及励磁 绕组中的 可能的最大灭磁能量。 灭磁回路 , 在发电机停机或跳闸时可释放磁场 能量 , 防止磁场绕组和励磁系统的损坏。采用独特 的、 有冗余的 跨接器实现磁场能 量的转移 , 用固态 电子器件取代灭磁开关的机械常闭触头 , 可显著提 高灭磁可靠性。跨接器还用于转子过电压保护。 交流侧过电压保护置 于每个整流桥 的交流侧 过电压保护回路 吸收由晶闸管整流而引 起的电压 尖峰。A C 过电压保护主要由一个三相二极管整流 桥和一个连接在 DC 侧的电容组成。对于高频过电 压而言, 电 容代 表一个 低阻抗 并且 起滤 波器 的作 用。与电容并联的有一个放电电阻器 , 在电容放电 时吸收能量。这种用途的 电容应能支持 较高的电 流变化。二极管整流桥的 AC 侧由带接点指示的熔 断器保护。 直流侧过 电压 保护 发电 机端 出现 故障 , 如 短 路、 错误的同步和/ 或异步运行, 会引起反向的感应 磁场电流 , 该电流在转子回路中会产生过电压。过 电压必须被限制到足够安全的水平 , 而且应低于整 流器可控硅的峰值反向电压。 跨接器电路通 常用于直流侧 过压保护。该电 路采用雪崩二极 管用于探测转子回路中 的正向和 反向过电压。当雪崩二极管被击穿 , 相连的可控硅 则被触发 , 立即将灭磁电阻器并联连接到转子回路 上, 同时发出跳闸令使磁场断路器立即断开。 1. 5 起励装置 对于自并励励磁系统, 当机组起动后转速接近 额定值 时, 机 端电 压 一 般比 较 低, 约 为 额 定值 的 1% ~ 2% , 励磁调节器中的触发电路由于同步电压 太低不能工作 , 不能输出励磁 电流使发电机 建压。 为了提供发电机初始励磁使发电机建立稳定电压, 需另设起励电源和起励回路, 起励电源来自厂用交 流或厂用直流。 1. 6 附加功能[ 3] 1. 6. 1 电力系统稳定器 ( PSS) 电力系统稳定器
表1 符号 I EN kU UP IP fn
min
可忽略不计。 算得 U20 = 958. 4 V 额定视在功率计算 S T = 3U 20 I 2n S T = 9 386. 5 kW 由于励磁变压器为 3 台单相变压器 , 故单相额
x,
定容量为 3 128. 8 kW 。
输入参数说明 值 备 注
最大短路电流开断能力 120 kA ;
采用直流灭磁方案, 当收到来自发电机保护或
( P SS) 的功能包含于 AVR 软件中。 PSS 的目的是
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2009 年第 3 期
通过引入一个附加的反馈信号 , 以抑制同步发电机 的低频振荡, 有助于整个电网的稳定性。 PSS 的控 制算法是以 IEEE Std. 421 2A 为基础的。附加的 反馈信号为机组的加速功率 ( 由电功率信号和转子 角频率信号综合而产生的 ) 。 1. 6. 2 转子温度测量 转子温度测量是通过计算 励磁绕组的电阻来实现的 , 其表达式如下: Rf = Uf / pT 1 - U B - I f ( R B + R L ) If
假定数据 假定数据 发电机数据 发电机数据 铜母线 铜母线 铜母线 铜母线
1. 2
励磁电压调节装置 双通道自动电压调节器为全冗余系统, 具有基
调节器功能: # 自动电压调节器( 自动控制 ) ; ∃ 有功和无 功补偿 ; % 励磁 电流调 节器 ( 手 动控 制) ; & 时间可调的软启 动功能; ∋ 运行通道和备 用通道之间的自动跟踪 ; ( 自动和手动方式之间的 双向 自 动 跟 踪 ; ) 恒 无 功 或 恒 功 率 因 数 控 制; ∗ PSS 电力系统稳定器; + 采用输入信号为有功功
DC6 930 A 0. 8 p. u. DC 874 V DC 11 774 A 50 Hz 10∀ 30 m 30 m 2V 0. 95 V 0. 13 m 3 0. 08 p. u. 0. 01 p. u. 0. 12 p. u. 0. 225 p. u. 1 120 M V A 27 kV 0. 255 m / 相 2 m /相 0. 255 m / 极 1. 9 m / 极
1 000 MW Genewenku.baidu.comator Static Excitation System Design
CA I Mai ( Shanghai Electric Pow er Generation Equipment CO. , LT D. Generator W orks, Shanhai 200240, China)
随着大容量机组 1 000 MW 发电机投入运用 , 发 电机运行的稳定性成为人们愈加关注的课题, 提高励 磁系统的稳定性是改善发电机稳定性的最有效的措 施之一[ 1] 。
硅负载而引起的谐波发热, 集肤效应和磁通饱和等因素。 ( 1) 输入参数说明如表 1 ( 2) 励磁变压器二次侧额定电流计算 I2 n = 2 I EN 3
1 设
1. 1
计
I 2 n = 5 654. 9 A ( 3) 励磁变压器二次侧额定电压 U20 计算 2 r T I p + 2V T o + 2 UB npm in x r + x net IP + rr 2 3 I EN
励磁变压器的设计 励磁变压器为干式变压器, 设计中考虑了因带可控 Up + U20 = 3 2 3 X CA C + 2R tot + K U co s
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收稿日期 : 2009 08 14 作者简介 : 蔡 迈 ( 1962 ) , 女 , 高级工程师 , 长期从事汽轮发电机励磁系统研究设计工作 , E mail: caimai@ shanghai electric. com
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技 术
2009 年第 3 期
式中 , R tot 为产 生 电阻 性压 降 的交 直 流母 线 的 总 电阻 , R tot = R CAC + R CDC = 0. 51 10- 3 x net 为 产生 电感 性压 降的自 并激 电源 的等 值 阻抗。 x net X d !X T U P 2I EN X d !+ X T 1. 28 S G 0. 000 7 pu
Abstract: T he art icle mainly introduce t he 1 000 MW generator static excitation system design. Include selection t he t ransf ormer capacity and second voltage, converter bridge, De excitation. As w ell as the limiter, protector and assist ant f unct ion of t he excitation syst em. Key words: converter; automat ic volt age regulator; de excitation; over voltage prot ector
蔡 迈
( 上海电气电站设备有限公司发电机厂, 上海 200240)
摘 要 : 介绍了 1 000 MW 发电机自并励磁系统的设计, 包括励磁变压器容量和二次电压的选择 、 可 控硅元件、 灭磁开关的选择, 以及励磁系统限制 、 保护和附加功能。 关键词 : 可控硅整流器; 自动励磁电压调节器; 灭磁; 过电压保护 中图分类号: T M 412 文献标识码: A
VW O 工况的 1. 1 倍 招标书要求 额定励磁电压的 2 倍 额定励磁电流的 2 倍
L AC L DC UB V To rT N pmin x r xT X d! SG U10 R C AC X CAC R CDC X CDC
励磁变二次侧 与可控硅整流桥交流侧间的距离 , 假定值 励磁系统出线端与发电机滑环间的距离 , 假定值 假定数据
下要求: # 能在 1. 1 倍在额定励磁电流长期运行 ; ∃ 能满足发电机强励运行的要求 ; % 可控硅 整流 器应能承受由于发电机端或主变 高压侧上的三 相 短路而产生的感应电流; & 可控硅的重复峰值反向 电压以及重复峰值断开电压应不 低于励磁变压 器 次级峰值电压的 2 7 倍; ∋ 可控硅整流器的冗余配 置是 n 1 型配置, 即 n 个可控硅整流器并联 , 故障 退出一个可控硅整流桥时满足 1. 1 倍励磁电流和强 励要求。 装置用于可控硅桥的监视和保护, 具有以下功 能: # 可 控 硅 导 通 监 视; ∃ 整 流 柜 温 度 监 视 ; % ARCnet 总线和脉冲总线接口; & 并联支路的分 支电流控制 ; ∋ 将整流桥电流测量值输出到整流柜 就地显示器; ( 风机控制用开关量输入 / 输出, 可控 硅快熔监视; ) 脉冲闭锁控制, 过压保护投切控制。 额定电压下的单柜主要数据: 可控硅型号 可控硅通态平均电流 可控硅反向重复峰值电压 最大直流输出电流( 无强励) 1. 4 灭磁和过电压保护装置 型号 额定电流 额定电压 开断弧压 主触头极数 合闸机构 跳闸线圈数量 辅助接点数量 GERAP ID8007 2x 2; 8 000 A; 2 000 V; 2 800 V; 1; 电磁线圈; 2; 6 常开 6 常闭。 5ST P 38Q4200; 4 275 A; 4 200 V; 3 995 A 。
本控制、 各种附加控制、 限制器和 电力系统稳定 器 等, 设有齐全的系统监 测和保护功能 , 具有很高 的 可靠性。限制 器用于防止发电机 在非正常工况 下 运行
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2009 年第 3 期
蔡
迈 : 1 000 MW 发电机自并励励磁系统的设计
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率和频率的 IEEE 421. 5 PSS 2B 模型。 限制器功能: # 励磁电流限制 , 带瞬时和反时 限延时动作特性 ; ∃ 基于 P / Q 图的低励限制, 瞬时 动作 ; % 定子电流限制 , 过励区反时限延时动作, 欠 励区瞬时动作; & 过激磁限制( V/ H z 限制) 。 监视和保护功能 : # 过励保护 , 瞬时和反时限 动作 ; ∃ 失磁保护监视; % PT 断线监视; & V / H z 保护 ; ∋ 可 控硅 快熔 监 视; ( 可 控 硅导 通 监视 ; ) 励磁变压器温度监视 ; ∗ 起励时间监视 ; + 电子 装置自检测( 看门狗 ) 。 1. 3 可控硅整流装置 静态励磁系 统的可控硅整流 器的设计满足 以
不平衡电流到检测电路, 当不平衡电流超过 − 段设 定值时, 发报警信号; 当超过 . 段设定值时 , 发跳闸 信号。报警信号有可调延时 , 闭锁和复位。 装置需要交流电源供 电, 需要引 入转子正、 负 极和轴碳刷 3 个信号, 发电机 2 段报警信号。电源: 220 VA C/ 110 VAC, 50 H Z/ 60 H Z。 1. 6. 4 轴电压问题 自并励静止励磁系统中 , 由 于加在转子绕组的励磁电压为三相全控直流输出, 转子绕组对轴、 轴经油膜对地存 在分布电容 , 整流 电压在分布电容上产生电压 , 形成轴对地电压。轴 对地的峰值电压可达 35 V 以上 , 从而击穿油膜, 损 坏轴承 和轴瓦。在 自并励 静止 励磁 系统 中, 设置 RC 轴电压吸收装置, 抑制可控硅换相产生的高频 轴电压, 把轴电压限制在 20 V 以下的安全范围内。
说
明
数
系统额定连续输出电流 强励时的电压跌落系数 kUmi n 下 系统强励电压 系统强励电流 额定频率 最小控制角 到交流电源的接线长度 ( 电 缆) 到滑环连线的长度 ( 电缆 ) 碳刷压降 可控硅阈值压降 可控硅斜率电阻 可控硅最小并联支路数 励磁变压器短路电感 励磁变压器短路电阻 升压变压器短路阻抗 直轴超瞬变电抗 发电机最大额定容量 发电机额定电压 交流母线电阻 交流母线电抗 直流母线电阻 直流母线电抗