高海拔地區(qū)大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)研發(fā)

肖智毓，宋術(shù)青，房俊偉

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的深入落實(shí)，我國西部高海拔地區(qū)大中型電站建設(shè)迅猛增加。尤其是國家審批建設(shè)的20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，近一半建設(shè)在高海拔地區(qū)。根據(jù)《GB/T 20626.1—2006特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品第1部分：通用技術(shù)要求》，高海拔地區(qū)具有較惡劣的自然環(huán)境條件，如空氣壓力低或空氣密度較低、溫度較低且變化較大、絕對(duì)濕度較小、太陽輻射照度較高、降水量較少、年度大風(fēng)日較多、土壤溫度較低和冷凍期較長等。大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品一般采用密閉空氣循環(huán)冷卻方式，布置在廠房內(nèi)，雖然海拔增加環(huán)境溫度降低，但對(duì)發(fā)電機(jī)的溫升影響不大，因此其應(yīng)用于高海拔地區(qū)時(shí)的主要影響是空氣壓力低或空氣密度較低。其中，空氣壓力低或空氣密度較低主要影響的是大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)的出力、絕緣強(qiáng)度和起暈電壓。

本文對(duì)我公司高海拔地區(qū)大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，主要介紹其與應(yīng)用于低海拔地區(qū)時(shí)的區(qū)別。

1 海拔修正系數(shù)

根據(jù)《GB/T 7064—2008隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》，常規(guī)空冷發(fā)電機(jī)應(yīng)按安裝地點(diǎn)不大于海拔1 000 m設(shè)計(jì)。當(dāng)安裝地點(diǎn)海拔高度大于1 000 m時(shí)，必須對(duì)發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。我國對(duì)高海拔地區(qū)大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)尚不夠多，目前并無相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定確切的海拔修正系數(shù)。目前大多數(shù)發(fā)電機(jī)制造廠家按如下公式計(jì)算海拔修正系數(shù)：

(1)

式中：HA為設(shè)備安裝地點(diǎn)海拔高度(m)。

我們知道，實(shí)際上大氣壓力是隨海拔增加呈指數(shù)下降的，因此按該公式計(jì)算海拔修正系數(shù)是不夠準(zhǔn)確的?！禛B 311.1—2012絕緣配合 第1部分：定義、原則和規(guī)則》提出了海拔修正系數(shù)Ka計(jì)算公式如下：

(2)

式中：HA為設(shè)備安裝地點(diǎn)海拔高度(m)；q為指數(shù)，取值為1.0。

從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)于高海拔地區(qū)大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)，公式(2)的海拔修正系數(shù)是比較準(zhǔn)確的。

2 發(fā)電機(jī)的出力

由于空氣密度與氣壓成正比關(guān)系，可知冷卻風(fēng)量與大氣壓力成正比關(guān)系，而冷卻風(fēng)量決定了發(fā)電機(jī)的溫升，發(fā)電機(jī)溫升限制著其輸出功率。因此對(duì)于同一發(fā)電機(jī)，其他條件不變時(shí)，其額定輸出功率與海拔高度的關(guān)系公式應(yīng)為：

(3)

式中：PN*為發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)額定輸出功率(MW)；PN為發(fā)電機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)(海拔高度1 000 m處)額定輸出功率(MW)；Ka為海拔修正系數(shù)。

以某臺(tái)安裝地點(diǎn)海拔高度為3 000 m、額定功率為50 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)為例，如其他條件不變，經(jīng)過公式(3)修正，則其在試驗(yàn)地點(diǎn)(海拔高度1 000 m處)的額定輸出功率應(yīng)約為63.9 MW。

3 發(fā)電機(jī)主絕緣強(qiáng)度

由于海拔升高，大氣壓力降低，發(fā)電機(jī)主絕緣強(qiáng)度也會(huì)降低，因此對(duì)于高海拔地區(qū)的大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)，其主絕緣厚度應(yīng)有所增大。各發(fā)電機(jī)制造廠的發(fā)電機(jī)絕緣材料、絕緣方式不盡相同，其主絕緣厚度也就不太一樣。由于工廠批量制造工藝需要，一般會(huì)有不同的電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的主絕緣厚度等級(jí)。對(duì)于同一發(fā)電機(jī)，其他條件不變時(shí)，其定子繞組交流工頻耐電壓試驗(yàn)值與海拔高度的關(guān)系公式應(yīng)為：

(4)

式中：Uap*為發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)的試驗(yàn)電壓(kV)；Uap為發(fā)電機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)(海拔高度1 000 m處)試驗(yàn)電壓(kV)；Ka為海拔修正系數(shù)。

以某臺(tái)安裝地點(diǎn)海拔高度為3 000 m、額定電壓為10.5 kV空冷汽輪發(fā)電機(jī)為例，如其他條件不變，經(jīng)過公式(4)修正，則其在試驗(yàn)地點(diǎn)(海拔高度1 000 m處)的試驗(yàn)電壓Uap≈28.1 kV。即在其他條件不變時(shí)，安裝在海拔3 000 m的發(fā)電機(jī)，對(duì)額定電壓UN為10.5 kV的發(fā)電機(jī)，其定子繞組交流工頻耐電壓試驗(yàn)值應(yīng)為28.1 kV，此值更接近于額定電壓13.8 kV的試驗(yàn)值，因此其主絕緣厚度等級(jí)應(yīng)對(duì)應(yīng)于額定電壓13.8 kV等級(jí)。

4 發(fā)電機(jī)防暈措施

國內(nèi)外各大發(fā)電機(jī)制造企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在高壓電機(jī)的防暈技術(shù)研究方面已做了大量的工作，對(duì)發(fā)電機(jī)電暈產(chǎn)生的原因和危害及防范措施有了比較完整的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在定子線棒的絕緣設(shè)計(jì)上采用了不同的防暈結(jié)構(gòu)和絕緣工藝，如分段式防暈、內(nèi)防暈、應(yīng)用SiC等非線性電阻防暈材料及定子VPI整浸工藝等很多技術(shù)和工藝措施。對(duì)于大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)，可以采用這些成熟經(jīng)驗(yàn)，本文不再贅述。需要注意的是，由于大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈是靠空氣表面冷卻，對(duì)防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求會(huì)更高。

對(duì)于安裝在高海拔地區(qū)的大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)，由于海拔升高，空氣稀薄，大氣壓力、溫度和絕對(duì)濕度都會(huì)降低，相比于平原地區(qū)的發(fā)電機(jī)，其起暈電壓會(huì)明顯下降。因此在進(jìn)行高海拔地區(qū)的大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)研發(fā)時(shí)，需要注意加強(qiáng)其防暈強(qiáng)度?！禞B/T 8439—2008使用于高海拔地區(qū)的高壓交流電機(jī)防電暈技術(shù)要求》規(guī)定，電機(jī)線圈(或線棒)的起暈電壓值應(yīng)不低于公式(5)的計(jì)算值。電機(jī)繞組的起暈電壓值應(yīng)不低于公式(6)的計(jì)算值。

UBS=1.5UN(1-KHS)/(1-KHA)

(5)

式中：UBS為線圈(或線棒)的電暈起始電壓(kV)；UN為電機(jī)的額定電壓(kV)；K為電暈起始電壓隨海拔升高的遞減率，取K=0.1(km-1)；HS為電機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔(km)；HA為電機(jī)安裝地點(diǎn)的海拔(km)。

UIS=1.3Uφ(1-KHS)/(1-KHA)

(6)

式中：UIS為電機(jī)繞組的電暈起始電壓(kV)；Uφ為電機(jī)的額定相電壓(kV)。

由于空氣密度是隨海拔增加呈指數(shù)下降的，公式(5)、公式(6)中電暈起始電壓隨海拔升高的遞減率簡單的取K=0.1/km是不夠準(zhǔn)確的。因此，公式(5)、公式(6)應(yīng)分別改為如下公式(7)、公式(8)。

UBS=1.5UN(1-KaHA)/(1-KaHS)

(7)

式中：UBS為線圈(或線棒)的電暈起始電壓(kV)；UN為電機(jī)的額定電壓(kV)；Ka為海拔修正系數(shù)；HS為電機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔(km)；HA為電機(jī)安裝地點(diǎn)的海拔(km)。

UIS=1.3Uφ(1-KaHA)/(1-KaHS)

(8)

式中：UIS為電機(jī)繞組的電暈起始電壓(kV)；Uφ為電機(jī)的額定相電壓(kV)。

5 結(jié)語

1) 大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)安裝于高海拔地區(qū)時(shí)，由于受空氣壓力低或空氣密度較低的影響，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的出力、絕緣強(qiáng)度、起暈電壓等進(jìn)行修正。

2) 我國對(duì)高海拔地區(qū)大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)尚不夠多，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的海拔修正系數(shù)計(jì)算公式不夠完善。隨著我國高海拔地區(qū)投入的大中型空冷汽輪發(fā)電機(jī)越來越多，急切需要修訂相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。