周 波

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

電磁設(shè)計(jì)是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到發(fā)電機(jī)電氣性能參數(shù)、重量、造價(jià)和機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。發(fā)電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)，對(duì)于定子槽電流、電負(fù)荷、熱負(fù)荷等重要參數(shù)的選擇既要考慮機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，還要考慮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還要兼顧發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性及機(jī)組運(yùn)行的可靠性，如定子鐵心電磁振動(dòng)、電壓波形、通風(fēng)冷卻、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等方面的要求。

1 瀘定水電站的概況及發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1.1 瀘定水電站概況

瀘定水電站位于四川省瀘定縣境內(nèi)的大渡河干流上，安裝4臺(tái)套單機(jī)容量230 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為920 MW，電站主要任務(wù)為發(fā)電。電站具備日調(diào)節(jié)性能，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)基本負(fù)荷及一定調(diào)峰任務(wù)。

1.2 瀘定發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定容量:255.6 MVA

額定電壓:15.75 kV

額定功率因數(shù):0.9(滯后)

額定頻率:50 Hz

額定轉(zhuǎn)速:100 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速:200 r/min

相數(shù):3

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:20000 tm2

2 電磁計(jì)算的選擇與分析

2.1 發(fā)電機(jī)支路數(shù)與槽電流的選擇

槽電流是影響發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)主要因素。槽電流太小，表明發(fā)電機(jī)有效材料的利用性差、不經(jīng)濟(jì);槽電流太大，將導(dǎo)致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，在工藝上由于線圈表面增大，增加制造難度。因此，選擇一個(gè)合理的槽電流是非常重要的。經(jīng)計(jì)算分析，瀘定發(fā)電機(jī)的槽電流合理取值范圍為4500～5500 A。表1為典型水輪發(fā)電機(jī)槽電流取值。

瀘定發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為100 r/min，可選支路數(shù)為3、4、5。當(dāng)支路數(shù)選3時(shí)，發(fā)電機(jī)槽電流為6245 A，明顯偏高;當(dāng)支路數(shù)選4時(shí)，發(fā)電機(jī)槽電流為4684 A，比較合理;當(dāng)支路數(shù)選5時(shí)，發(fā)電機(jī)槽電流為3747 A，明顯偏低。通過以上比較分析，瀘定發(fā)電機(jī)支路數(shù)應(yīng)選4，此時(shí)槽電流是相對(duì)合理的。

表1 典型水輪發(fā)電機(jī)槽電流取值

2.2 發(fā)電機(jī)定子鐵心內(nèi)徑、槽數(shù)、電負(fù)荷的選擇

定子支路數(shù)和槽電流確定以后，定子槽數(shù)、定子鐵心內(nèi)徑將決定發(fā)電機(jī)電負(fù)荷大小。電負(fù)荷是水輪發(fā)電機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)電機(jī)的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。電負(fù)荷過低，將使發(fā)電機(jī)體積增大，材料利用率低，經(jīng)濟(jì)性不好。電負(fù)荷過高，又將導(dǎo)致定子繞組溫升高，并使轉(zhuǎn)子繞組負(fù)荷加大及散熱條件惡化。因此，合理選擇定子槽數(shù)，確定電負(fù)荷是很重要的。隨著冷卻技術(shù)的進(jìn)步和絕緣材料性能的提高，目前發(fā)電機(jī)電負(fù)荷取值較以往已有較大提高。經(jīng)計(jì)算分析，瀘定發(fā)電機(jī)電負(fù)荷合理取值范圍為700～800 A/cm。另外，定子選槽時(shí)還需要考慮定子電磁振動(dòng)問題。定子槽數(shù)、電負(fù)荷及定子內(nèi)徑的選擇見表2。

表2 定子內(nèi)徑、定子槽數(shù)、電負(fù)荷選擇

如按每極容量來選取定子鐵心內(nèi)徑，定子鐵心內(nèi)徑取12400 mm左右是比較合理的。方案1槽數(shù)選648，每極每相槽數(shù)為3+3/5，相對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷為778 A/cm，取值合理。但經(jīng)過定子鐵心電磁振動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)該槽存在冷態(tài)電磁振動(dòng)問題。驗(yàn)算每極每相槽數(shù)分母為5的其他槽數(shù)的方案，發(fā)現(xiàn)都存在冷態(tài)電磁振動(dòng)問題。由于發(fā)電機(jī)支路數(shù)選4，因此為了避免出現(xiàn)電磁振動(dòng)，瀘定發(fā)電機(jī)可選的每極每相槽數(shù)只能為整數(shù)。方案2槽數(shù)選540，每極每相槽數(shù)為3，相對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷為650 A/cm，直軸瞬態(tài)電抗僅為0.263，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)明顯偏低，不是理想方案。方案3將定子鐵心內(nèi)徑放大到13800 mm，槽數(shù)選720，每極每相槽數(shù)為4，相對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷為778 A/cm，直軸瞬態(tài)電抗為0.31，參數(shù)選擇合理，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也正常。瀘定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求為20000 tm2，對(duì)于230 MW，100 r/min的瀘定發(fā)電機(jī)來講有些偏大。放大定子鐵心內(nèi)徑也有利于滿足機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求，同時(shí)發(fā)電機(jī)風(fēng)罩內(nèi)徑為19000 mm，能夠滿足定子鐵心內(nèi)徑為13800 mm的布置要求。定子繞組每極每相槽數(shù)為整數(shù)槽時(shí)，需要考慮線電壓波形畸變率和電話諧波因數(shù)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)計(jì)算，瀘定發(fā)電機(jī)電壓波形畸變率為0.58%，電話諧波因數(shù)為0.811%，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜上所述，從機(jī)組的安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)布置合理性上考慮，瀘定發(fā)電機(jī)定子鐵心內(nèi)徑取13800 mm，槽數(shù)為720，電負(fù)荷為780 A/cm是合理的。表3為典型水輪發(fā)電機(jī)電負(fù)荷取值。

表3 典型水輪發(fā)電機(jī)電負(fù)荷取值

2.3 定子繞組電流密度及熱負(fù)荷的選擇

定子繞組電流密度的選擇直接影響定子銅線和定子沖片的重量，即直接影響到發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)將決定繞組溫升和效率。通常定子繞組的電流密度取值范圍為2.5～3.5 A/mm2。同時(shí)定子繞組電流密度的選取還與電負(fù)荷和熱負(fù)荷有關(guān)。其中熱負(fù)荷是有效控制定子繞組溫升及確定發(fā)電機(jī)冷卻方式的重要參數(shù)，其數(shù)值為定子電流密度與電負(fù)荷的乘積。較高的熱負(fù)荷將導(dǎo)致槽絕緣內(nèi)溫差增大，線圈溫升增高。對(duì)應(yīng)于瀘定發(fā)電機(jī)，依據(jù)哈電公司設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，熱負(fù)荷應(yīng)控制在2400 A2/cm·mm2及以下。經(jīng)計(jì)算，定子電流密度取2.96 A/mm2，相對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷為2309 A2/cm·mm2，在合理取值范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

瀘定發(fā)電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)過程中，在滿足機(jī)組的基本參數(shù)及性能指標(biāo)的要求的前提下，充分考慮了發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定性，在發(fā)電機(jī)電負(fù)荷、熱負(fù)荷值的選取上也充分體現(xiàn)了時(shí)代的先進(jìn)性。瀘定電站的4臺(tái)發(fā)電機(jī)已于2011年全部并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行狀況良好，性能指標(biāo)均滿足合同及電網(wǎng)的要求，也充分證明了瀘定發(fā)電機(jī)在電磁選型上的合理性。瀘定發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)詳見附錄。

附錄 瀘定發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

(續(xù)表)