敦化發(fā)電電動機(jī)電磁設(shè)計

周波，馬信武，訾士才

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

國內(nèi)對于高轉(zhuǎn)速大容量，特別是額定轉(zhuǎn)速為500r/min的發(fā)電電動機(jī)設(shè)計、制造經(jīng)驗尚不十分豐富，技術(shù)儲備比較缺乏。而隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)一批700m左右及以上的超高水頭大容量抽水蓄能電站正在或有待建設(shè)，如陽江、敦化、長龍山、洛寧、平江、渾源等電站。因此，依托敦化發(fā)電電動機(jī)對此類電磁設(shè)計進(jìn)行研究，研究成果將為后續(xù)類似項目提供寶貴經(jīng)驗及技術(shù)儲備，特別是長龍山、洛寧、平江發(fā)電電動機(jī)的容量和轉(zhuǎn)速與敦化完全相同。

1 額定數(shù)據(jù)及主要性能要求

發(fā)電工況額定容量：388.9MVA

電動工況軸輸出功率：≥373MW

額定電壓：18kV

額定功率因數(shù)：0.9(發(fā)電工況)

0.975(電動工況)

額定頻率：50Hz

額定轉(zhuǎn)速：500r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：740r/min

飛輪力矩GD2：≥4000 t·m2

冷卻方式：全空冷

短路比：≥0.93

直軸瞬態(tài)電抗X′du：≤0.325

直軸超瞬態(tài)電抗X″du：≥0.195

2 電磁設(shè)計

2.1 定子鐵心內(nèi)徑確定

電機(jī)的定子鐵心內(nèi)徑選取通?？紤]以下主要因素

(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′d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，自然滿足機(jī)組GD2要求；

(3)滿足發(fā)電機(jī)本身通風(fēng)冷卻的要求；

(4)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度允許的最大圓周速度。

對于超高水頭、大容量的敦化發(fā)電電動機(jī)，主要考慮的是轉(zhuǎn)子部分的機(jī)械強(qiáng)度，由于機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速較高，因此定子鐵心內(nèi)徑不宜選取過大，直徑過大將會增加磁極、磁軛材料的采購難度。同時也不宜過小，鐵心內(nèi)徑太小，將影響電機(jī)的通風(fēng)冷卻及軸系穩(wěn)定性。為了選取更為合理的定子鐵心內(nèi)徑，對以往類似機(jī)組進(jìn)行了統(tǒng)計，詳細(xì)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 額定轉(zhuǎn)速為500r/min電站的定子鐵心內(nèi)徑統(tǒng)計

表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計，300MW、500r/min發(fā)電電動機(jī)定子鐵心內(nèi)徑取值在4400～4800mm之間，由于敦化發(fā)電電動機(jī)額定功率超過300MW，定子鐵心內(nèi)徑取值在轉(zhuǎn)子材料應(yīng)力允許的情況下，應(yīng)盡量選大些。根據(jù)當(dāng)時轉(zhuǎn)子應(yīng)力計算成果，最終定子鐵心內(nèi)徑確定為4840mm。

2.2 槽電流和電負(fù)荷選取

槽電流與發(fā)電機(jī)的容量、電壓、并聯(lián)支路數(shù)、繞組型式及冷卻方式等有關(guān)。槽電流太小，表明發(fā)電機(jī)有效材料的利用較差、不經(jīng)濟(jì)，且槽距過小可能導(dǎo)致定子繞組安裝困難；槽電流太大，將導(dǎo)致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，可能會產(chǎn)生繞組局部發(fā)熱，在工藝上由于線圈表面增大，使制造較復(fù)雜。

電負(fù)荷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。電負(fù)荷的取值與每極容量、絕緣等級以及冷卻方式有關(guān)。

敦化發(fā)電電動機(jī)為大容量、高轉(zhuǎn)速，槽電流及電負(fù)荷均不宜選取過低。為了選取更為合理的槽電流及電負(fù)荷，對以往類似機(jī)組進(jìn)行了統(tǒng)計，詳細(xì)數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 300MW及以上發(fā)電電動機(jī)槽電流和電負(fù)荷統(tǒng)計

敦化發(fā)電電動機(jī)不同并聯(lián)支路下的槽電流詳見表3，不同定子槽數(shù)下的電負(fù)荷詳見表4。

表3 敦化發(fā)電電動機(jī)不同并聯(lián)支路數(shù)下的槽電流

表4 敦化發(fā)電電動機(jī)不同槽數(shù)下的電負(fù)荷

表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，類似的發(fā)電電動機(jī)槽電流值范圍是5079～7142A，電負(fù)荷值范圍是713～884A/cm。

根據(jù)表3槽電流計算，當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)為3時，槽電流值為8316A，明顯偏大，不適用于全空冷結(jié)構(gòu)，不可選。當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)為4時，槽電流值為6237A，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)范圍內(nèi)之間，且非常理想。當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)為6時，槽電流值為4158A，明顯偏小，不在統(tǒng)計數(shù)據(jù)范圍內(nèi)之間，不宜優(yōu)先選取。因此，對于敦化發(fā)電電動機(jī)，并聯(lián)支路選4是更為合理的，此時槽電流為6237A。

敦化發(fā)電電動機(jī)極數(shù)為12，所選支路數(shù)為4，為保證定子繞組的對稱，定子槽數(shù)只能選每極每相槽數(shù)為整數(shù)的槽。表4數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)定子槽數(shù)選252槽時，電負(fù)荷值為1044A/cm，明顯偏高，不適合全空冷結(jié)構(gòu)，不可選。當(dāng)定子槽數(shù)選180槽和216槽時，電負(fù)荷值分別為746A/cm和895A/cm，均在合理選值范圍內(nèi)，考慮到敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，為提高機(jī)組軸系穩(wěn)定性，發(fā)電電動機(jī)利用率應(yīng)盡量選高些，以降低定子鐵心高度，電負(fù)荷選取偏上限更為合理。因此，從綜合因素考慮，敦化發(fā)電電動機(jī)最終定子槽數(shù)選216槽，此時電負(fù)荷為895A/cm。

2.3 定、轉(zhuǎn)子繞組電流密度選取

對于全空冷發(fā)電(電動)機(jī)，通常定子繞組的電流密度取值范圍為2.5～3.5A/mm2。同時定子繞組電流密度的選取還與電負(fù)荷和熱負(fù)荷有關(guān)，其中熱負(fù)荷是有效控制定子繞組溫升及確定發(fā)電機(jī)冷卻方式的重要參數(shù)，其數(shù)值為定子電流密度與電負(fù)荷的乘積。較高的熱負(fù)荷將導(dǎo)致槽絕緣內(nèi)溫差增大，線圈溫升增高。對于大型空冷發(fā)電電動機(jī)而言，熱負(fù)荷宜在2500A2/c m·mm2以內(nèi)，最大不應(yīng)超過2700A2/c m·mm2。最后經(jīng)過計算，敦化發(fā)電電動機(jī)定子繞組電流密度選取2.79A/mm2，此時熱負(fù)荷為2494A2/c m·mm2。

敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用散熱匝結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子繞組電流密度平均值選值通常不高于2.5A/mm2。對于高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)電電動機(jī)，轉(zhuǎn)子的電磁設(shè)計難度最大，由于發(fā)電電動機(jī)直徑較小，在控制轉(zhuǎn)子磁極極身根部磁通密度不過大的情況下，想降低轉(zhuǎn)子繞組電流密度難度較大。最終經(jīng)過綜合考慮，敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流密度為2.71/2.34A/mm2(普通匝/冷卻匝)，此時轉(zhuǎn)子磁極極身根部磁通密度為1.757T，為哈電設(shè)計的發(fā)電電動機(jī)最高值。

從降低轉(zhuǎn)子溫度角度上看，轉(zhuǎn)子繞組宜考慮雙面通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，以改善轉(zhuǎn)子繞組散熱條件，但由于當(dāng)時我公司仍在對轉(zhuǎn)子繞組雙面通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)研究過程中，技術(shù)還并不成熟，從機(jī)組安全可靠性考慮，敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組最終未采用雙面通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

2.4 磁負(fù)荷

與電機(jī)磁路相對應(yīng)的主要磁通密度有氣隙磁通密度Bδ、定子齒部磁通密度Bt、定子軛部磁通密度Bj及極身根部磁通密度Bm。

氣隙平均磁通密度Bδ和電負(fù)荷一樣，對發(fā)電機(jī)的利用系數(shù)影響較大，Bδ越大發(fā)電機(jī)的利用系數(shù)就越高，但Bδ值的提高受鐵心所用硅鋼片飽和的限制。哈電計算程序計算的Bδ是平頂波的峰值，取值范圍在0.8～1.01T之間，敦化發(fā)電電動機(jī)Bδ最終設(shè)計值為0.948T。

定子齒部磁通密度Bt的取值受槽電流的影響，槽電流選值偏大時，Bt取值可偏小些。我公司計算程序計算的Bt是平頂波的峰值，正常情況下，定子齒部最窄處的Bt取值不宜超過1.85T，敦化發(fā)電電動機(jī)Btmin最終設(shè)計值為1.778T。

定子軛部磁通密度Bj正常取值為1.2～1.3T。由于敦化發(fā)電電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、容量較大，定子沖片的徑向?qū)挾容^寬，為保證定子鐵心疊片壓緊質(zhì)量，定子沖片的徑向?qū)挾炔灰诉^寬，因此為了控制定子沖片的徑向?qū)挾?，敦化發(fā)電電動機(jī)的Bj取值比正常選值要高些，經(jīng)過綜合考慮，Bj最終取值為1.352T，此時定子沖片徑向?qū)挾葹?55mm。

敦化發(fā)電電動機(jī)磁極采用塔形向心結(jié)構(gòu)，磁極極身根部較窄，極身根部磁通密度Bm較大。在電磁設(shè)計時，已在盡量考慮將磁極極身根部寬度加大，但由于電機(jī)直徑尺寸偏小，極身根部寬度受到一定限制，最終極身根部寬度為615mm，此時Bm計算值為1.757T，為哈電設(shè)計機(jī)組中Bm取值最大的，負(fù)載時極身磁通密度為1.825T，負(fù)載時極身磁通密度最大不能超過1.85T。

2.5 通風(fēng)冷卻

為了提高敦化發(fā)電電動機(jī)通風(fēng)冷卻效果，在電磁設(shè)計時將定子通風(fēng)溝高度由以往的6mm優(yōu)化為5mm，在通風(fēng)截面積不變的情況下，通風(fēng)溝數(shù)量增加了20%，增大定子鐵心的散熱面積，可有效降低定子的溫度。

2.6 發(fā)電電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

按照上述選值理論，對敦化發(fā)電電動機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計，主要技術(shù)參數(shù)，此電磁設(shè)計已應(yīng)用于哈電設(shè)計的敦化發(fā)電電動機(jī)上。

敦化發(fā)電電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下。

發(fā)電電動機(jī)結(jié)構(gòu)型式立軸懸式；發(fā)電工況額定容量388.9MVA；電動工況軸輸出功率≥373MW；額定電壓18kV；額定功率因數(shù)0.9(發(fā)電工況)，0.975(電動工況)；額定頻率50Hz；額定轉(zhuǎn)速500r/min；最大飛逸轉(zhuǎn)速740r/min；相數(shù)3；發(fā)電機(jī)飛輪力矩≥4000 t·m2；額定電流12474A；冷卻方式全空冷；定子槽數(shù)216；每極每相槽數(shù)6；每相并聯(lián)支路數(shù)4；槽電流6237A；電負(fù)荷895A/cm；定子繞組電流密度2.79A/mm2；定子鐵心外徑6150mm；定子鐵心內(nèi)徑4840mm；定子鐵心長度3200mm；轉(zhuǎn)子外圓最大周速184m/s；定、轉(zhuǎn)子最小氣隙長度50mm；轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)32+16(普通匝/冷卻匝)；轉(zhuǎn)子繞組線規(guī)5.6×112/130mm；轉(zhuǎn)子繞組電密2.71/2.34A/mm2；氣隙磁密0.948T；定子齒磁密1.778T；定子軛磁密1.352T；磁極極身根部最大磁密1.757T；直軸同步電抗Xdu(不飽和值)1.16p.u.；直軸瞬變電抗(不飽和值)0.318p.u.；直軸超瞬變電抗(飽和值)0.215p.u.；交軸同步電抗Xqu(不飽和值)0.80p.u.；交軸超瞬變電抗(不飽和值)0.203p.u.；零序電抗X0u(不飽和值)0.128p.u.；負(fù)序電抗X2u(不飽和值)0.216p.u.；定子漏抗0.128p.u.；短路比0.94；直軸瞬態(tài)短路時間常數(shù)直軸瞬態(tài)開路時間常數(shù)交軸超瞬態(tài)開路時間常數(shù)定子繞組短路時間常數(shù)Ta0.635s；空載勵磁電流925A；空載勵磁電壓120V；額定勵磁電流1698A；額定勵磁電壓311V；最大勵磁電流1763A；最大勵磁電壓323V；定子繞組115℃時電阻0.001021Ω；轉(zhuǎn)子繞組115℃時電阻0.1745Ω；定子繞組每相電容1.129μF；定子繞組每相對地電容電流3.69A；發(fā)電機(jī)工況進(jìn)相容量169.5MVar；調(diào)相容量(發(fā)電工況)253MVar；發(fā)電機(jī)工況額定效率98.80%；電動機(jī)工況額定效率98.91%。

3 結(jié)語

敦化是國內(nèi)首個額定轉(zhuǎn)速為500r/min及以上，單機(jī)容量達(dá)到350MW的發(fā)電電動機(jī)，設(shè)計難度非常大。

在電磁設(shè)計過程中，調(diào)研了已運行的其他類似電站，并在此基礎(chǔ)上，確定更為合理的電磁選型，并采取優(yōu)化改進(jìn)措施，如盡量提高電負(fù)荷、降低定子通風(fēng)溝高度從而增加通風(fēng)溝數(shù)量、提高定子軛部磁通密度取值。

敦化發(fā)電電動機(jī)的電磁設(shè)計為后續(xù)轉(zhuǎn)速為500r/min、單機(jī)容量為350MW及以上的發(fā)電電動機(jī)設(shè)計提供了技術(shù)儲備和經(jīng)驗。通過敦化發(fā)電電動機(jī)設(shè)計研究，高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電電動機(jī)主要的設(shè)計難度在于轉(zhuǎn)子，軸系穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)子繞組通風(fēng)冷卻、磁極根部最大磁密等均與轉(zhuǎn)子設(shè)計相關(guān)，而改善或降低這些方面的設(shè)計難度最有效的方法就是增大定子鐵心內(nèi)徑，但此方面又受到轉(zhuǎn)子應(yīng)力的限制。因此如何增大定子鐵心內(nèi)徑且保證轉(zhuǎn)子安全性是高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電電動機(jī)將來的一個主要研究方向。再有就是研究改善轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻的措施，如轉(zhuǎn)子繞組采用雙面通風(fēng)。