猴子巖水輪發(fā)電機(jī)選型計(jì)算與性能分析

劉新天，喬照威

?

猴子巖水輪發(fā)電機(jī)選型計(jì)算與性能分析

劉新天，喬照威

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

猴子巖水電站是大渡河干流水電規(guī)劃22級開發(fā)方案的第9個梯級電站，本文重點(diǎn)對其發(fā)電機(jī)主要電磁參數(shù)如主要尺寸、支路數(shù)、槽電流、槽數(shù)和電負(fù)荷等參數(shù)的選型進(jìn)行分析，對發(fā)電機(jī)的幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)如電壓波形畸變系數(shù)、阻尼繞組溫升、線棒換位、誤同期并網(wǎng)、端部電動力、及短路電流等進(jìn)行計(jì)算分析。

水輪發(fā)電機(jī)；電磁；性能分析；選型計(jì)算

0 前言

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃22級開發(fā)方案的第9個梯級電站。電站裝有4臺425MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)1700MW，水輪發(fā)電機(jī)額定功率425MW，額定轉(zhuǎn)速125r/min，屬大型水輪發(fā)電機(jī)，工程建設(shè)以發(fā)電為主。為保證猴子巖水輪發(fā)電機(jī)主要性能指標(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)，對發(fā)電機(jī)主要電磁參數(shù)如主要尺寸、支路數(shù)、槽電流、槽數(shù)和電負(fù)荷等參數(shù)的選型進(jìn)行分析，對發(fā)電機(jī)的幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)如電壓波形畸變系數(shù)、阻尼繞組溫升、線棒換位、誤同期并網(wǎng)、端部電動力及短路電流等進(jìn)行計(jì)算分析。

1 方案選擇與主要電磁參數(shù)

1.1 額定值

猴子巖水輪發(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：472.22MVA/425MW

額定電壓：18kV

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：125r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：250r/min

2：105000t·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D（或極距τ）及鐵心長度l，選擇和確定D和l時應(yīng)考慮下列問題：

（1）電負(fù)荷和磁負(fù)荷應(yīng)在合理的取值范圍內(nèi)，并使X、X2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2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)徑和長度與額定容量及額定轉(zhuǎn)速有下述關(guān)系：

式中：S——額定容量，kVA；

D——鐵心內(nèi)徑，m；

l——鐵心長度，m；

n——額定轉(zhuǎn)速，r/min；

——利用系數(shù)，(kVA·m3·r)/min；

——常數(shù)，=1.35×10-6；

——定子電負(fù)荷，A/cm；

B——?dú)庀洞琶埽珿。

綜合考慮，猴子巖發(fā)電機(jī)的定子鐵心內(nèi)徑為12550mm，鐵心長度為2750 mm。

1.2.2 支路數(shù)與槽電流

對于48個磁極的水輪發(fā)電機(jī)，為滿足繞組完全對稱的條件，可選的支路數(shù)包括1、2、3、4、6、8、12、24、48，發(fā)電機(jī)額定功率為425MW，額定電壓為18kV，對應(yīng)不同支路數(shù)時的支路電流與槽電流見表1。

表1 不同支路數(shù)對應(yīng)的支路電流與槽電流

對于425MW的水輪發(fā)電機(jī)，采用全空冷方案時槽電流最好控制在5000~6000A左右，因此，最優(yōu)的支路數(shù)為6，此時槽電流為5050A。

1.2.3 電負(fù)荷與定子槽數(shù)的選擇

電負(fù)荷是水輪發(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：

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)可決定不同的值，發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)與電負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 定子槽數(shù)與電負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系

對于425MW等級的全空冷水輪發(fā)電機(jī)，電負(fù)荷一般選取在800~850A/cmm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648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

應(yīng)用運(yùn)動網(wǎng)格時變電磁場有限元對猴子巖發(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)：0.267%。

空載磁場分布如圖1所示。

圖1 空載磁場分布

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)镒訋r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，對應(yīng)額定容量長期不對稱負(fù)荷運(yùn)行工況，當(dāng)負(fù)序電流的標(biāo)么值為9%時，阻尼繞組的最高溫升和溫度值分別為35.1K和88.1℃。

在瞬態(tài)短路工況，阻尼系統(tǒng)的負(fù)荷能力按22≥40考慮，對應(yīng)額定容量相間不對稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為56.4K和109.4℃；單相對地不對稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為51.4K和104.4℃。

在長期不對稱負(fù)荷和突然不對稱短路工況下，猴子巖發(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。結(jié)果表明，定子線棒采用的最佳換位方式為330.97°不完全換位。

2.4 發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)分析計(jì)算

應(yīng)用仿真軟件程序?qū)Πl(fā)電機(jī)120°和180°誤同期并網(wǎng)時的U、V、W三相電流及電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)過程進(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 定子繞組端部電動力分析計(jì)算

應(yīng)用計(jì)算軟件對7種工況的定子繞組端部電動力進(jìn)行分析計(jì)算，詳見表5。從表5可知，180o誤同期工況定子繞組端部承受的電動力最大。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 定子繞組端部電動力計(jì)算結(jié)果

2.6 短路電流分析計(jì)算

應(yīng)用專用計(jì)算軟件對發(fā)電機(jī)突然短路電流進(jìn)行計(jì)算，同時考慮參數(shù)飽和的影響。額定容量對應(yīng)短路電流各分量在不同時刻的計(jì)算值見表6及圖2。

表6 額定容量對應(yīng)短路電流分量計(jì)算值 kA

圖2 三相突然短路電流隨時間變化曲線

3 結(jié)論

發(fā)電機(jī)的容量、電壓、支路數(shù)及槽電流等參數(shù)的合理選擇和匹配，表明猴子巖發(fā)電機(jī)的計(jì)算結(jié)果完全在設(shè)計(jì)制造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。通過對發(fā)電機(jī)相關(guān)電氣特性進(jìn)行全面分析和計(jì)算，猴子巖發(fā)電機(jī)能夠真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)一流、運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定域?qū)挕⒐β试６却?、易于調(diào)節(jié)及維護(hù)檢修和操作的綜合目標(biāo)。目前4臺均已發(fā)電，運(yùn)行良好。

[1] 白延年. 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算（第二章電磁設(shè)計(jì)）[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[2] 李發(fā)海. 電機(jī)學(xué)(第四章同步電機(jī))M. 科學(xué)出版社, 2001.

[3] 廉濤. 利用等效電路法計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部電動力[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2007(6).

[4] 胡剛, 等. 大型發(fā)電機(jī)定子繞組端部電動力三維有限元計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013(2).

[5] 李金香, 等. 超高壓發(fā)電機(jī)短路特性和參數(shù)計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(6).

[6] 周波, 等. 溪洛渡電站水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[J] 上海大中型電機(jī), 2016(1).

[7] 林雪成, 等. 阿海水電站水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2009(9).

[8] 林雪成. 錦屏一級水輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算與設(shè)計(jì)難度分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2014(8).

Design and Analysis for Model Selection of Houziyan Hydro-generator

LIU Xintian, QIAOZhaowei

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Houziyan hydro-power station is the 9th station located in Dadu River. The main electromagnetic parameters, such as main dimension, parallel number, slot current, slot number and linear current density, etc. are determined, and the key technical indexes, such as THD, temperature rise of damp bar, transposition of stator bar, out-of-phase shunting, electrical force, and short-circuit current, etc. are analyzed.

hydro-generator; electromagnetics; performance analysis; calculation for model selection

TM312.1

A

1000-3983(2018)02-0045-03

2016-12-20

劉新天（1961-），1982年7月畢業(yè)于哈爾濱電工學(xué)院電機(jī)專業(yè)，長期從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作，高級工程師。