清江隔河巖水電站306MW水輪發(fā)電機(jī)核心技術(shù)簡述

劉文進(jìn)

(上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海 200240)

隔河巖水電站位于湖北省長陽縣清江上游9km處,距離葛洲壩電站60km。水電站總裝機(jī)容量1200MW,安裝4臺單機(jī)306/300MW 立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,其中 2臺單機(jī)容量為306MW的機(jī)組是從加拿大進(jìn)口;另外2臺單機(jī)容量為300MW的是國產(chǎn)機(jī)組,其自動化元件和勵磁系統(tǒng)通過“等比換貨”方式進(jìn)口。1、2號機(jī)組由加拿大聯(lián)合體(MIL公司,GE公司)負(fù)責(zé)設(shè)計、制造;3、4號機(jī)組由中國聯(lián)合體(哈爾濱電機(jī)廠責(zé)任有限公司、武漢長江動力股份有限公司)負(fù)責(zé)設(shè)計、制造。

水電站年發(fā)電量3.04×109kW ?h,年利用小時數(shù)為2530 h,在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù),整個電站已于1994年建成。水電站俯視如圖1所示,1、2號發(fā)電機(jī)總裝配如圖2所示。

圖1 清江隔河巖水電站俯視圖

1 水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)

水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)

2 核心技術(shù)特點(diǎn)

2.1 定子斜槽

該發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為136.4 r/min,44個極。根據(jù)電磁計算原理,其可選槽數(shù)見表2。MIL公司的1、2號發(fā)電機(jī)選擇528槽方案,即每極每相槽數(shù)q為4的整數(shù)槽方案。根據(jù)電機(jī)學(xué)基本原理,知道這個方案在定子接線和避免振動等方面均優(yōu)于分?jǐn)?shù)槽方案,但其缺點(diǎn)是波形畸變率較大和易產(chǎn)生電話干擾。采用整數(shù)槽繞組,對于具有阻尼繞組的水輪發(fā)電機(jī),將會由于定子槽開口引起的氣隙磁導(dǎo)周期變化產(chǎn)生磁通的脈動,從而在阻尼繞組中感應(yīng)高頻電流。該高頻電流的附加磁場將在定子繞組中感應(yīng)諧波電勢,引起定子電勢波形畸變[1]。MIL公司的技術(shù)人員還提出了整數(shù)槽繞組會產(chǎn)生繞組循環(huán)電流的概念。

表2 可選槽數(shù)表

對于整數(shù)槽繞組的發(fā)電機(jī),在電磁設(shè)計時,通常采取以下措施改善電壓波形:①定子鐵芯采用斜槽;②選擇適當(dāng)?shù)淖枘崂@組節(jié)距;③選擇較大的q值,q值越大,其齒諧波次數(shù)越高,諧波含量越少;④減少定子槽寬與氣隙的比值;⑤選擇適合的極弧系數(shù);⑥采用實心磁極[1]。

MIL公司電磁設(shè)計時采取了上述5項措施(除采用實心磁極以外),現(xiàn)重點(diǎn)介紹定子斜一個槽距對波形的改善和磁極極靴采用多段弧均勻氣隙改善極弧系數(shù)這兩項措施。

2.2 定子斜槽對波形的改善

對整數(shù)槽繞組及其電勢分析表明,當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組采用短距和分布繞組等措施時,可以消除諧波電勢,能改善電勢波形。但在水輪發(fā)電機(jī)中,由于轉(zhuǎn)速的緣故,一般都是極數(shù)很多,由于槽數(shù)的限制,每極每相槽數(shù)不可能太多。這時若采用較小的q值,一方面不能利用分布效應(yīng)來消弱磁極磁場的非正弦分布所感應(yīng)的諧波電勢;另一方面也使得齒諧波的次數(shù)較低而幅值較大;再有就是由于齒諧波的繞組系數(shù)與基波繞組系數(shù)是相同的,故不能用上述辦法來消弱齒諧波電勢,只有改用分?jǐn)?shù)槽或采用斜槽才能消弱齒諧波電勢,改善電勢波形[2]。

如圖3所示,tsk為定子線棒上下端在鐵芯長度段內(nèi)斜的水平距離,則對v次諧波斜槽系數(shù)為

圖3 定子斜一個槽距(單位:mm)

如果用斜槽辦法來消除v次諧波,即使

為了同時消弱2mg+1和2mg-1次諧波,取

這里的Ksk1是當(dāng) v=1時Kskv值。

由此可見,當(dāng)定子線棒采用斜一個槽距t1后,對2 mg±1次齒諧波電勢消弱,從而電勢波形得到改善。

2.3 “N-S極對稱繞組”及循環(huán)電流的抑制

在電磁設(shè)計時,應(yīng)充分考慮定子繞組支路數(shù)與槽電流的匹配關(guān)系,以及根據(jù)電機(jī)學(xué)理論中的發(fā)電機(jī)對稱條件來選取支路數(shù),只有選4個支路才滿足上述條件。

但這里需要強(qiáng)調(diào)的是,針對極數(shù)2P=44極的發(fā)電機(jī)而言,采用4支路,則每支路為11極即構(gòu)成每支路包含的極數(shù)為奇數(shù)。這樣一來,如果是以N極開頭的支路,結(jié)尾還是N極;如果是以S極開頭的支路,結(jié)尾仍是S極。再加上支路數(shù)為偶數(shù),就構(gòu)成了所謂的“N-S極對稱繞組”,如圖4所示。MIL公司技術(shù)人員強(qiáng)調(diào),具備“N-S極對稱繞組”的電路,在并聯(lián)支路中會產(chǎn)生循環(huán)電流。通過測量空載時的振動,就可以判斷支路中循環(huán)電流的大小。采用這種電磁設(shè)計的發(fā)電機(jī),不但絕緣壽命會有所影響,而且也伴隨著振動,對電話亦有干擾。因此,MIL公司規(guī)定,對整數(shù)槽繞組的發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計,必須認(rèn)真對待,通常都必須進(jìn)行波形分析計算,諧波頻率應(yīng)遠(yuǎn)離工頻(100Hz)至少在120%以上;特別是整數(shù)槽繞組,又構(gòu)成“N-S極對稱繞組”的發(fā)電機(jī),MIL公司認(rèn)為有必要采取定子斜槽的措施來消弱齒諧波和減少“N-S極對稱繞組”循環(huán)電流所產(chǎn)生的影響。

圖4 “N-S極對稱繞組”循環(huán)電流示意圖

實例:MIL公司曾經(jīng)為LG-2電站提供了8臺水輪發(fā)電機(jī),其參數(shù)如下:

額定容量為 370 MVA;額定轉(zhuǎn)速為133.3 r/min;額定頻率為60Hz;并聯(lián)支路數(shù)為6;每極每相槽數(shù)為3;極數(shù)為54。

由以上參數(shù)可見,該發(fā)電機(jī)為整數(shù)槽繞組,共54個極,分6支路,為偶數(shù),則每支路9個極是奇數(shù),即構(gòu)成了所謂的“N-S極對稱繞組”。MIL公司對這個問題進(jìn)行過專題研究,為了避免出現(xiàn)齒諧波和循環(huán)電流,在設(shè)計時定子采用了斜槽的措施。目前機(jī)組投運(yùn)平穩(wěn),線圈溫差不大,機(jī)組振動也較小;而GE公司為LG-2提供的其他機(jī)組,因沒有采用斜槽或其他有效的措施,運(yùn)行時不但鐵芯伴隨有較大的振動(100Hz諧波振幅50 μ m以上),而且噪聲和線圈溫差也較大。用戶對有問題的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了感應(yīng)電勢、諧波和振動的實測。測量數(shù)據(jù)證實了每個支路感應(yīng)電勢相差很大,支路電流不平衡和有循環(huán)電流的存在。

2.4 實現(xiàn)定子線棒斜槽的工藝技術(shù)

從理論上講,如果采用數(shù)控沖床沖制定子鐵芯扇形片的工藝技術(shù),可以做到每層沖片槽形位置漸變,這樣疊片后可以沿軸線方向使得槽傾斜,而且槽的內(nèi)壁過渡比較平滑。但是,鑒于每臺機(jī)定子鐵芯沖片凈重約200 t,沖片加工至少需2.5個月以上。制造周期長,且在工地疊片時,必須按編碼疊片,沒有互換性。如果發(fā)生沖片損壞或丟失,將會造成極大的混亂,在工程實際上不易操作和管理。

MIL公司實現(xiàn)斜槽的辦法是將定子鐵芯的定位筋斜一個槽距。由于定位筋分布在φ 124 m的圓柱面上,斜一個槽距在軸線垂直平面投影上只傾斜2°左右,定位筋上中下各點(diǎn)的半徑基本相等,圓柱面對槽形的螺旋影響可以忽略。在工藝上,定位筋通過點(diǎn)焊固定好上下2點(diǎn),中間通過C型夾工具往外徑方向拉,根據(jù)圖紙尺寸到位后點(diǎn)焊固定,其余工藝與直槽定位筋焊接工藝基本沒有區(qū)別。斜定位筋設(shè)計尺寸如圖5所示。工地實作記錄:未滿焊的定位筋半徑為6210±0.35mm,最后一組定位筋弦距誤差在0.25mm以內(nèi),最終滿焊后定位筋半徑為6210±0.5mm。1號機(jī)設(shè)計槽寬23.8mm,線棒設(shè)計寬度23.4mm,間隙由不同厚度的U型半導(dǎo)體紙?zhí)畛?雙邊0.02mm 過盈緊量。實際上,通過1、2號發(fā)電機(jī)定子鐵芯在工地疊片、線圈機(jī)坑下線的工程實踐,證實了采用定位筋實現(xiàn)定子斜槽的工藝是比較簡單和可行的。

2.5 均勻氣隙

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論,凸極同步發(fā)電機(jī)的氣隙一般是不均勻的。磁極極靴邊緣處的氣隙為最大氣隙長度δmax,極靴中心處的為最小氣隙長度δmin,為使主極磁場接近正弦分布,采用δmax/δmin=1.5。

圖5 定子斜定位筋裝配圖

MIL公司設(shè)計的水輪發(fā)電機(jī)大都采用均勻氣隙,即δmax/δmin=1.0。嚴(yán)格來講,磁極極靴外圓弧是由3段或5段組成的多段弧,中間一段弧約為極距30%～45%是與定子鐵芯內(nèi)徑同心的,即形成的氣隙是均勻的,兩邊各有2段圓弧相切構(gòu)成連續(xù)多段圓弧。MIL公司極靴外緣多段弧尺寸是由名為“Magnet”極靴形狀有限元優(yōu)化程序計算分析確定的,與定子是否采用斜槽無關(guān)。優(yōu)化的目的是為了使主極磁場更加接近正弦分布,同時減少諧波分量的幅值,改善電機(jī)參數(shù)[3]。從有限元計算結(jié)果可見,優(yōu)化極靴形狀的明顯好處是大大減少了極間漏磁通[4]。過去一個階段,我國傳統(tǒng)的凸極同步發(fā)電機(jī)一直沿用δmax/δmin=1.2～1.5一段弧的不均勻氣隙。這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),對于巨型水輪發(fā)電機(jī)而言,其磁極極靴端部漏磁較大,是造成定子繞組發(fā)熱,產(chǎn)生股線環(huán)流的主要原因。不均勻氣隙形成的氣隙磁密和齒磁密分配也不均勻,這樣的氣隙磁密和齒磁密利用率較低。據(jù)MIL公司介紹,不均勻氣隙導(dǎo)致磁路損失達(dá)8%～10%。我國早期引進(jìn)的八盤峽、富春江等水電機(jī)組的發(fā)電機(jī)也都是采用多段弧的均勻氣隙結(jié)構(gòu)。近幾年引進(jìn)的機(jī)組,如三峽左岸發(fā)電機(jī)(原ABB公司設(shè)計),其磁極極靴也都是采用多段弧的均勻氣隙結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計,ALSTOM和VOITH的大型同步發(fā)電機(jī)一般也都采用均勻氣隙結(jié)構(gòu)。

2.6 定子線棒股線換位

定子線棒采用空換位或不完全換位,都是通過人為地制造槽中主磁通感應(yīng)產(chǎn)生附加電勢來抵消端部漏磁通在線棒端部感應(yīng)出來的電勢,使同一線棒各股線之間的電流基本均勻,從而達(dá)到消除線棒中股線溫升過高問題。但這種方法是屬于被動的措施,并沒有從根本上減少端部漏磁的產(chǎn)生和作用,因為定子線棒中股線溫差主要是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁磁通引起的。

是否需要采取特殊換位技術(shù),完全取決于定子端部漏感電勢的大小,對于不同結(jié)構(gòu)的機(jī)組不能一概而論。MIL公司認(rèn)為,目前的不完全換位或空換位還不完全適合于他們設(shè)計的機(jī)組。國外設(shè)計的機(jī)組磁極形狀復(fù)雜,邊界條件難以簡化模擬,采用特殊換位后,計算的換位角度與實際最佳換位角度有較大的偏差,從而使減損效果大打折扣。有的機(jī)組反而造成了股線環(huán)流增大、線棒溫差變大的情況發(fā)生。對此,國內(nèi)《大電機(jī)技術(shù)》、《水電站機(jī)電技術(shù)》等刊物已發(fā)表過許多論證文獻(xiàn)[5]。

對于減少端部漏磁,MIL公司則是從定、轉(zhuǎn)子的幾何形狀設(shè)計入手,如前面提到了磁極采用特殊的多端弧極靴、矩形銅排、特殊材料和形狀的磁極壓板結(jié)構(gòu)等,以及定子鐵心端部采用特殊尺寸臺階或齒部開槽等措施。通過定、轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu)的相互配合,可從根本上消減產(chǎn)生股線環(huán)流的附加感應(yīng)電勢,進(jìn)而達(dá)到降低股線最高溫度、提高絕緣適用壽命的目的。

1、2號發(fā)電機(jī)繞組在整個定子鐵心長度上采用羅貝爾360°的股線全換位,而國產(chǎn)的3、4號發(fā)電機(jī)則采用不均勻氣隙和定子線棒316°不完全換位。圖6為發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子安裝現(xiàn)場。隔河巖機(jī)組多年的運(yùn)行實踐證明,這兩種設(shè)計都可以減少因股線在磁場中不同位置,以及因槽部漏磁產(chǎn)生的循環(huán)電流而引起的附加損耗,達(dá)到降低股線電勢差及溫差的效果。

圖6 發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子安裝現(xiàn)場

3 結(jié) 語

隔河巖水電站引進(jìn)的306MW水輪發(fā)電機(jī)是國內(nèi)罕見的采用了定子斜槽技術(shù)的大型水輪發(fā)電機(jī),具有一定的技術(shù)特色,代表了當(dāng)代世界水電機(jī)組技術(shù)的多樣性,對設(shè)計研發(fā)具有實用的參考價值。尤其是定子斜槽,工藝簡單,而且從根本上解決了整數(shù)槽發(fā)電機(jī)齒諧波帶來的運(yùn)行隱患。建議在特殊機(jī)組上,如貫流或蓄能電站的整數(shù)槽機(jī)組上推廣采用。對巨型同步發(fā)電機(jī),如果選用整數(shù)槽方案,又恰好構(gòu)成了“N-S極對稱繞組”,那么根據(jù)國外經(jīng)驗采用斜槽工藝技術(shù)改善性能消除隱患,還是有可取之處的。

國外廠家認(rèn)為,所謂的“N-S極對稱繞組”會產(chǎn)生循環(huán)電流。這種說法至今國內(nèi)未見文獻(xiàn)報道,屬電機(jī)學(xué)空白領(lǐng)域,尤其是有些電站的發(fā)電機(jī)采用了整數(shù)槽,其振動、發(fā)熱是否與此有關(guān),應(yīng)做進(jìn)一步分析研究和電站實測。對于國內(nèi)傳統(tǒng)的凸極同步發(fā)電機(jī)極靴形狀,建議不斷改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計,以提高氣隙磁密的利用率和減少極靴端部漏磁,從根本上消減線棒產(chǎn)生股線環(huán)流的附加感應(yīng)電勢。

隔河巖發(fā)電機(jī)多年實際運(yùn)行證明,定子斜槽、羅貝爾360°股線全換位,配合減少端部漏磁的有效措施,既可以降低成本,也完全可以滿足用戶要求,這些技術(shù)極有推廣利用價值。

[1]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982:49.

[2]陳鐵華,趙萬清,郭 巖.水輪發(fā)電機(jī)原理及運(yùn)行[M].北京:中國水利水電出版社,2009:57-88.

[3]楊仕友,唐任遠(yuǎn),劉文進(jìn),等.凸極同步電機(jī)極弧優(yōu)化設(shè)計中電磁場逆問題的求解計算[C]//1994第五屆理論電工學(xué)術(shù)討論會論文集.北京:中國電工技術(shù)學(xué)會理論電工專業(yè)委員會,1994.

[4]楊仕友,唐任遠(yuǎn),劉文進(jìn),等.模擬退火算法及其在凸極同步電機(jī)電磁場逆問題中的應(yīng)用[C]//1994第五屆理論電工學(xué)術(shù)討論會論文集.北京:中國電工技術(shù)學(xué)會理論電工專業(yè)委員會,1994.

[5]成德明.端部漏磁給水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行帶來的影響及相應(yīng)對策[J].水電站機(jī)電技術(shù),2008,5:1-5.