汽輪發(fā)電機定子繞組三支路設計

李存鵬，黃 浩，李金香

(哈爾濱電機廠有限責任公司, 哈爾濱 150040)

1 前言

汽輪發(fā)電機的定子繞組和轉子繞組是發(fā)電機損耗發(fā)熱最大的兩個部件[1]。冷卻定子繞組有內冷和外冷（表面散熱）兩種方式。定子繞組的外冷是由冷卻介質將銅導體產(chǎn)生的熱量經(jīng)過主絕緣間接帶走的一種方式，但冷卻的效果受絕緣溫降高的制約。本文介紹定子繞組外冷的汽輪發(fā)電機，通過采用三支路繞組的接線方式來降低定子線棒溫升的方法。

通過電氣和結構設計減少定子繞組損耗、提高定子繞組通風散熱能力、降低定子繞組溫升對提高定子繞組外冷汽輪發(fā)電機單機容量尤為重要。一般措施如下：

（1）降低發(fā)電機定子電流和電密；

（2）減薄定子線棒主絕緣，減小絕緣熱阻；

（3）增加線棒股線數(shù)和采用有效換位技術降低定子線棒的附加損耗；

（4）加大風量；

（5）增加定子線棒散熱面積。

計算分析表明，受發(fā)電機容量﹑電壓﹑效率﹑短路比和成本等關鍵條件限制，上述(1)～(4)項措施對解決定子線棒溫升問題的貢獻極其有限，只有第(5)項是最為有效的方法。

2 三支路繞組

對于常規(guī)60°相帶的3相﹑2極﹑雙層﹑整數(shù)槽繞組的汽輪發(fā)電機，支路對稱定子繞組最多可能的并聯(lián)支路數(shù)為2，如果并聯(lián)支路數(shù)大于2，定子繞組各支路間勢必會因為支路電勢不平衡而產(chǎn)生電勢差和支路環(huán)流損耗問題。這種不平衡用不對稱度[2]表示，取各支路電勢中最大的Umax和最小的Umin，則支路電勢不對稱度ΔU為：

不對稱度值越小，對稱情況越好，支路環(huán)流越小。

支路不對稱可分為三種情況：幅值不對稱﹑相位不對稱和幅值相位均不對稱。由于第三種不對稱繞組較為復雜，汽輪發(fā)電機設計一般不予采用。因此，按支路合成電勢最大﹑各支路間電勢差最小的設計原則，并考慮生產(chǎn)工藝實際，3支路繞組只能是將每個極相組的繞組按相位差為一個槽距角連成3個支路（如圖1所示，暫稱其為極相支路），然后再將兩個極下的6條極相支路兩兩串接形成3支路。

圖1 三支路繞組接線

兩個極下的6個極相支路兩兩串接可能的串接方式理論上有15種，但為了盡量減小支路間電勢差和環(huán)流損耗，使支路合成電勢最大﹑各支路間相角差最小、諧波磁勢幅值盡可能小，則應采用3個支路的合成相位相同（如圖2和圖3所示，稱為同相接線）或合成電勢相同（如圖4所示，稱為非同相接線）兩種接線方式。

圖2 同相接線1

圖3 同相接線2

圖4 非同相接線

3 定子槽數(shù)選擇

對于常規(guī)的3相2極整數(shù)槽汽輪發(fā)電機，并聯(lián)支路數(shù)為3的定子槽數(shù)應為18的倍數(shù)。理論上可選的定子槽數(shù)為18﹑36﹑54﹑72﹑90…。實際上，如選用54槽則僅相當于2支路的36槽，由于槽數(shù)過少，電機體積較大，所需的勵磁安匝多，電壓波形不好，附加損耗大；而90槽雖然相當于2支路的60槽，但由于槽數(shù)過多，下線困難，無效用銅多，線棒/線圈制造和下線工時多。所以，72槽幾乎成了2極汽輪發(fā)電機定子繞組三支路設計的唯一理想方案。

4 三支路繞組的計算

根據(jù)電機學和交流電機繞組理論推導可知，對稱支路繞組的絕大部分計算方法仍然適用于三支路繞組，但在繞組系數(shù)[3]、不對稱度和支路環(huán)流損耗等幾個方面存在較大差異，而且這幾個參數(shù)因接線方式而不同。

科研中運用有限元法對HEC空冷350MW汽輪發(fā)電機（3相﹑2極﹑定子槽數(shù)為72﹑并聯(lián)支路數(shù)為3）設計方案分析表明，非同相接線時繞組支路間的環(huán)流較大，環(huán)流損耗大，電機發(fā)熱嚴重，故實際電機不宜選用此種接線；同相接線的兩種方式雖然具體形式不同，但其本質是一樣的，分析結果見表1。

表1 有限元方法計算結果

工程實際中常用解析法進行電磁計算。通過繪制繞組槽電勢星形圖，用解析法推導出同相接線三支路繞組的繞組系數(shù)、不對稱度和環(huán)流損耗的算式如下。

4.1 繞組系數(shù)

按上述接線方式和分析方法推導可知，支路不對稱繞組短距系數(shù)kp1和對稱繞組的短距系數(shù)計算公式是一致的：

式中，β為短距比。

三支路繞組分布系數(shù)與接線方式有關，應先從極相支路入手，逐級深入。通過用向量平移作圖推導分析可知，同相接線時，支路2的繞組分布系數(shù)為：

其余兩條支路的繞組分布系數(shù)為：

式（3）和（4）中，α為槽距角，'α為同一支路相鄰線棒間的槽距角，'q為每極相支路槽數(shù)。

4.2 不對稱度和支路電勢差

同相接線時，每相三個支路電勢的時間相位相同，其中支路1和支路3兩個支路的電勢相等并小于支路2的電勢，電勢不對稱度為：

支路電勢差為：

式（5）和（6）中，α為槽距角，U?為相電壓。

4.3 支路環(huán)流損耗

同相接線中，1﹑3兩個支路的電流相等，其兩個支路的電流和與2支路的電流大小相等，方向相反，支路環(huán)流損耗為：

式（5）中，R1(115)為115℃時的相電阻

支路環(huán)流損耗應計入定子繞組附加損耗。

注：用解析法計算兩種同相接線的電磁參數(shù)是相同的，而用有限元法計算則略有不同，且與解析法計算結果也有出入，這是因為有限元法計算既考慮了詳細的幾何結構的影響又考慮了電機的飽和及諧波對電壓的影響。實際證明，上述差別都在可接受的范圍內，解析計算結果能夠滿足工程需要。

5 結論

實際運行和計算分析表明，在定子繞組外冷汽輪發(fā)電機中運用三支路繞組設計是解決定子繞組溫升的有效手段，可大幅提高單機容量，因定子繞組支路不對稱引起的環(huán)流損耗和附加溫升也在可接受的范圍內。

[1]汪耕, 李希明, 等. 大型汽輪發(fā)電機設計、制造與運行[M]. 上?？茖W技術出版社, 2000.

[2]李林合. 大型水輪發(fā)電機支路不對稱定子繞組連接問題的探討[J]. 大電機技術, 2006, (2).

[3]湯蘊璆, 史乃.電機學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2001.