瀘定電站發(fā)電機電磁設計的選擇與分析

周 波

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

電磁設計是發(fā)電機設計過程中一個重要環(huán)節(jié)，關系到發(fā)電機電氣性能參數、重量、造價和機組運行的安全穩(wěn)定性。發(fā)電機在電磁設計時，需要綜合考慮發(fā)電機的性能參數，對于定子槽電流、電負荷、熱負荷等重要參數的選擇既要考慮機組運行的安全穩(wěn)定性，還要考慮機組的經濟性，同時還要兼顧發(fā)電機結構的合理性及機組運行的可靠性，如定子鐵心電磁振動、電壓波形、通風冷卻、轉動慣量等方面的要求。

1 瀘定水電站的概況及發(fā)電機基本參數

1.1 瀘定水電站概況

瀘定水電站位于四川省瀘定縣境內的大渡河干流上，安裝4臺套單機容量230 MW混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為920 MW，電站主要任務為發(fā)電。電站具備日調節(jié)性能，在系統(tǒng)中擔負基本負荷及一定調峰任務。

1.2 瀘定發(fā)電機基本參數

發(fā)電機額定容量:255.6 MVA

額定電壓:15.75 kV

額定功率因數:0.9(滯后)

額定頻率:50 Hz

額定轉速:100 r/min

飛逸轉速:200 r/min

相數:3

發(fā)電機轉動慣量:20000 tm2

2 電磁計算的選擇與分析

2.1 發(fā)電機支路數與槽電流的選擇

槽電流是影響發(fā)電機經濟性的一個主要因素。槽電流太小，表明發(fā)電機有效材料的利用性差、不經濟;槽電流太大，將導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，選擇一個合理的槽電流是非常重要的。經計算分析，瀘定發(fā)電機的槽電流合理取值范圍為4500～5500 A。表1為典型水輪發(fā)電機槽電流取值。

瀘定發(fā)電機額定轉速為100 r/min，可選支路數為3、4、5。當支路數選3時，發(fā)電機槽電流為6245 A，明顯偏高;當支路數選4時，發(fā)電機槽電流為4684 A，比較合理;當支路數選5時，發(fā)電機槽電流為3747 A，明顯偏低。通過以上比較分析，瀘定發(fā)電機支路數應選4，此時槽電流是相對合理的。

表1 典型水輪發(fā)電機槽電流取值

2.2 發(fā)電機定子鐵心內徑、槽數、電負荷的選擇

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

表2 定子內徑、定子槽數、電負荷選擇

如按每極容量來選取定子鐵心內徑，定子鐵心內徑取12400 mm左右是比較合理的。方案1槽數選648，每極每相槽數為3+3/5，相對應的電負荷為778 A/cm，取值合理。但經過定子鐵心電磁振動分析，發(fā)現該槽存在冷態(tài)電磁振動問題。驗算每極每相槽數分母為5的其他槽數的方案，發(fā)現都存在冷態(tài)電磁振動問題。由于發(fā)電機支路數選4，因此為了避免出現電磁振動，瀘定發(fā)電機可選的每極每相槽數只能為整數。方案2槽數選540，每極每相槽數為3，相對應的電負荷為650 A/cm，直軸瞬態(tài)電抗僅為0.263，經濟性指標明顯偏低，不是理想方案。方案3將定子鐵心內徑放大到13800 mm，槽數選720，每極每相槽數為4，相對應的電負荷為778 A/cm，直軸瞬態(tài)電抗為0.31，參數選擇合理，經濟性指標也正常。瀘定發(fā)電機轉動慣量要求為20000 tm2，對于230 MW，100 r/min的瀘定發(fā)電機來講有些偏大。放大定子鐵心內徑也有利于滿足機組轉動慣量的要求，同時發(fā)電機風罩內徑為19000 mm，能夠滿足定子鐵心內徑為13800 mm的布置要求。定子繞組每極每相槽數為整數槽時，需要考慮線電壓波形畸變率和電話諧波因數是否滿足國家標準的要求。經計算，瀘定發(fā)電機電壓波形畸變率為0.58%，電話諧波因數為0.811%，均滿足國家標準的要求。綜上所述，從機組的安全穩(wěn)定性、經濟性指標、結構布置合理性上考慮，瀘定發(fā)電機定子鐵心內徑取13800 mm，槽數為720，電負荷為780 A/cm是合理的。表3為典型水輪發(fā)電機電負荷取值。

表3 典型水輪發(fā)電機電負荷取值

2.3 定子繞組電流密度及熱負荷的選擇

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)電機的經濟性，同時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。同時定子繞組電流密度的選取還與電負荷和熱負荷有關。其中熱負荷是有效控制定子繞組溫升及確定發(fā)電機冷卻方式的重要參數，其數值為定子電流密度與電負荷的乘積。較高的熱負荷將導致槽絕緣內溫差增大，線圈溫升增高。對應于瀘定發(fā)電機，依據哈電公司設計經驗，熱負荷應控制在2400 A2/cm·mm2及以下。經計算，定子電流密度取2.96 A/mm2，相對應的熱負荷為2309 A2/cm·mm2，在合理取值范圍內。

3 結語

瀘定發(fā)電機在電磁設計過程中，在滿足機組的基本參數及性能指標的要求的前提下，充分考慮了發(fā)電機的安全穩(wěn)定性，在發(fā)電機電負荷、熱負荷值的選取上也充分體現了時代的先進性。瀘定電站的4臺發(fā)電機已于2011年全部并網發(fā)電，運行狀況良好，性能指標均滿足合同及電網的要求，也充分證明了瀘定發(fā)電機在電磁選型上的合理性。瀘定發(fā)電機的主要技術參數詳見附錄。

附錄 瀘定發(fā)電機主要技術參數

(續(xù)表)