劉新天，喬照威

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150040）

0 前言

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第10級(jí)電站，上接猴子巖水電站，下接黃金坪水電站。電站裝有4臺(tái)650MW水輪發(fā)電機(jī)組，工程建設(shè)以發(fā)電為主。為保證長(zhǎng)河壩水輪發(fā)電機(jī)各次性能指標(biāo)，本文主要從電磁方案的選型和主要性能的分析計(jì)算出發(fā)，對(duì)該發(fā)電機(jī)的參數(shù)選擇的合理性和主要電磁性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 方案選擇與主要電磁參數(shù)

1.1 額定值

長(zhǎng)河壩水輪發(fā)電機(jī)需按以下基本參數(shù)進(jìn)行方案選型計(jì)算：

額定容量/功率：722.3MVA/650MW

額定電壓：20kV

額定功率因數(shù)：0.9（滯后）

額定頻率：50Hz

相數(shù)：3

額定轉(zhuǎn)速：142.9r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：255r/min

GD2：120000t·m2

1.2 方案選擇

1.2.1 主要尺寸確定

電機(jī)的主要尺寸是指定子鐵心內(nèi)徑Di（或極距τ）及鐵心長(zhǎng)度lt，選擇和確定Di和lt時(shí)應(yīng)考慮下列問(wèn)題[1，2]：

（1）電負(fù)荷和磁負(fù)荷應(yīng)在合理的取值范圍內(nèi)，并使Xd′、Xd′等參數(shù)滿足要求；

（2）選擇的主要尺寸應(yīng)使轉(zhuǎn)子磁軛在正常的寬度和允許應(yīng)力下，自然滿足所要求的GD2值；

（3）由主要尺寸所決定的定子和轉(zhuǎn)子等大部件的尺寸應(yīng)滿足運(yùn)輸條件的要求；

（4）滿足發(fā)電機(jī)本身通風(fēng)冷卻的要求；

（5）機(jī)組總體結(jié)構(gòu)布置合理。

鐵心內(nèi)徑和長(zhǎng)度與額定容量及額定轉(zhuǎn)速有下述關(guān)系：

式中：

SN—額定容量/kVA；

Di—鐵心內(nèi)徑/m；

lt—鐵心長(zhǎng)度/m；

nN—額定轉(zhuǎn)速/r/min ；

C—利用系數(shù) /kVA·m3·r/min；

K—常數(shù) /K=1.35×10-6；

專題教學(xué)可以是同一作者相似作品連類而成的學(xué)習(xí)，比如，學(xué)習(xí)蘇軾的《前赤壁賦》時(shí)，和《后赤壁賦》進(jìn)行比較閱讀；學(xué)習(xí)莫泊桑的《項(xiàng)鏈》時(shí)，和其《珠寶》進(jìn)行比較閱讀。相對(duì)于《前赤壁賦》和《項(xiàng)鏈》的單篇學(xué)習(xí)，這樣的比較閱讀會(huì)讓學(xué)生更好地把握單篇的特點(diǎn)，豐富對(duì)作者及作品的認(rèn)識(shí)。

A—定子電負(fù)荷/A/cm；

Bδ—?dú)庀洞琶?G。

綜合考慮，長(zhǎng)河壩發(fā)電機(jī)的定子鐵心內(nèi)徑為12600mm，鐵心長(zhǎng)度為3100mm。

1.2.2 支路數(shù)與槽電流

對(duì)于42個(gè)磁極的水輪發(fā)電機(jī)，為滿足繞組完全對(duì)稱的條件，可選的支路數(shù)包括 1、2、3、6、7、14、21、42，發(fā)電機(jī)額定功率為650MW，額定電壓為20kV，對(duì)應(yīng)不同支路數(shù)時(shí)的支路電流與槽電流見(jiàn)表1。

表1 不同支路數(shù)對(duì)應(yīng)的支路電流與槽電流

對(duì)于650MW的水輪發(fā)電機(jī)，采用全空冷方案時(shí)槽電流最好控制在5500～7000A左右，因此，最優(yōu)的支路數(shù)為6，此時(shí)槽電流為6949A。

電負(fù)荷A是水輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)之一，它對(duì)發(fā)電機(jī)的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。為控制電機(jī)的主要尺寸，必須盡量提高電機(jī)的利用系數(shù)，其表達(dá)式為：

A值的大小決定了定子內(nèi)圓單位表面積所產(chǎn)生的繞組銅損的大小，因而直接影響溫升和效率的高低。在定子鐵心內(nèi)徑確定的前提下，選擇不同的槽數(shù)可決定不同的A值，發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)與電負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 定子槽數(shù)與電負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于650MW等級(jí)的全空冷水輪發(fā)電機(jī)，電負(fù)荷一般選取在800～900A/cm左右，可以獲得合理的利用系數(shù)。另外，從控制熱負(fù)荷、運(yùn)行穩(wěn)定域?qū)捒紤]，選擇504槽方案是比較適宜的。

1.3 主要電磁參數(shù)

發(fā)電機(jī)主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主要性能指標(biāo)

2.1 電壓波形畸變系數(shù)分析計(jì)算

電壓波形畸變率是水輪發(fā)電機(jī)的重要性能指標(biāo)，反映電壓波形的正弦性[3]。應(yīng)用運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格時(shí)變電磁場(chǎng)有限元對(duì)長(zhǎng)河壩發(fā)電機(jī)的空載線電壓全諧波進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

空載線電壓全諧波因數(shù)：0.648%。

空載磁場(chǎng)分布如圖1所示。

圖1 空載磁場(chǎng)分布

2.2 阻尼繞組穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性分析計(jì)算

應(yīng)用專用軟件程序?qū)﹂L(zhǎng)河壩發(fā)電機(jī)的阻尼系統(tǒng)進(jìn)行全面分析計(jì)算。分析計(jì)算表明，對(duì)應(yīng)額定容量長(zhǎng)期不對(duì)稱負(fù)荷運(yùn)行工況，當(dāng)負(fù)序電流的標(biāo)么值為9%時(shí)，阻尼繞組的最高溫升和溫度值分別為44.6K和97.6℃。

在瞬態(tài)短路工況，阻尼系統(tǒng)的負(fù)荷能力按I22t≥40考慮，對(duì)應(yīng)額定容量相間不對(duì)稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為58.7K和111.7℃；單相對(duì)地不對(duì)稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為52.9K和105.9℃。

在長(zhǎng)期不對(duì)稱負(fù)荷和突然不對(duì)稱短路工況下，長(zhǎng)河壩發(fā)電機(jī)的阻尼繞組溫升計(jì)算值在運(yùn)行實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，并具有一定的裕度，滿足安全可靠運(yùn)行要求。

2.3 定子線棒特殊換位分析計(jì)算

通常水輪發(fā)電機(jī)有3種換位方式：360°換位、不完全換位和空換位。為使定子繞組中環(huán)流引起的熱損耗和發(fā)熱量最小，以減小股線在槽部漏磁場(chǎng)中不同位置產(chǎn)生環(huán)流引起的附加損耗和股線間溫差，應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元程序?qū)Σ煌膿Q位方式進(jìn)行分析計(jì)算并計(jì)及集膚效應(yīng)和電流密度的變化[4]。結(jié)果表明，定子線棒采用的最佳換位方式為325.71°不完全換位。

2.4 發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)分析計(jì)算

發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)時(shí)，將產(chǎn)生沖擊電流，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩[5]。應(yīng)用仿真軟件程序?qū)Πl(fā)電機(jī)120°和180°誤同期并網(wǎng)時(shí)的U、V、W三相電流及電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行全面分析計(jì)算，并計(jì)及發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及飽和的影響。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 誤同期并網(wǎng)計(jì)算結(jié)果

2.5 定子繞組端部電動(dòng)力分析計(jì)算

發(fā)電機(jī)發(fā)生短路或誤同期工況時(shí)，將產(chǎn)生沖擊電流，此時(shí)定子繞組端部受到?jīng)_擊電動(dòng)力，嚴(yán)重情況下致使繞組發(fā)生變形，影響機(jī)組安全運(yùn)行[6]。應(yīng)用計(jì)算軟件對(duì)6種工況的定子繞組端部電動(dòng)力進(jìn)行分析計(jì)算，詳見(jiàn)表5。從表5可知，120°誤同期工況定子繞組端部承受的電動(dòng)力最大。端部固定結(jié)構(gòu)據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)和核算，以滿足機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行要求。

表5 定子繞組端部電動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

2.6 短路電流分析計(jì)算

發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)，繞組中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流，其值可達(dá)額定值的10余倍以上，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電磁力，影響機(jī)組安全運(yùn)行[7]。應(yīng)用專用計(jì)算軟件對(duì)發(fā)電機(jī)突然短路電流進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮參數(shù)飽和的影響。額定容量對(duì)應(yīng)短路電流各分量在不同時(shí)刻的計(jì)算值見(jiàn)表6、圖2。

表6 額定容量對(duì)應(yīng)短路電流分量計(jì)算值/kA

圖2 三相突然短路電流隨時(shí)間變化曲線

2.7 已經(jīng)運(yùn)行的類似機(jī)組

目前已經(jīng)運(yùn)行同轉(zhuǎn)速的巨型電站有四川二灘550MW、四川錦屏一級(jí)600MW、青海拉西瓦700MW。主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)論

本文通過(guò)分析水輪發(fā)電機(jī)主要尺寸與參數(shù)關(guān)系、支路數(shù)與槽電流關(guān)系、電負(fù)荷與定子槽數(shù)關(guān)系，確定了長(zhǎng)河壩水輪發(fā)電機(jī)電磁方案。電壓波形畸變系數(shù)、阻尼繞組穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性、定子線棒換位、誤同期并網(wǎng)、定子繞組端部電動(dòng)力、短路電流等主要性能指標(biāo)的分析結(jié)果表明，長(zhǎng)河壩水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)合理，其運(yùn)行結(jié)果符合巨型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)與類似容量運(yùn)行機(jī)組比較，長(zhǎng)河壩發(fā)電機(jī)具有運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定域?qū)?、功率裕度大、易于調(diào)節(jié)及維護(hù)的特性。目前，4臺(tái)機(jī)組均已發(fā)電，且運(yùn)行良好。