汽轮发电机定子绕组三支路设计

李存鹏，黄 浩，李金香

(哈尔滨电机厂有限责任公司, 哈尔滨 150040)

1 前言

汽轮发电机的定子绕组和转子绕组是发电机损耗发热最大的两个部件[1]。冷却定子绕组有内冷和外冷（表面散热）两种方式。定子绕组的外冷是由冷却介质将铜导体产生的热量经过主绝缘间接带走的一种方式，但冷却的效果受绝缘温降高的制约。本文介绍定子绕组外冷的汽轮发电机，通过采用三支路绕组的接线方式来降低定子线棒温升的方法。

通过电气和结构设计减少定子绕组损耗、提高定子绕组通风散热能力、降低定子绕组温升对提高定子绕组外冷汽轮发电机单机容量尤为重要。一般措施如下：

（1）降低发电机定子电流和电密；

（2）减薄定子线棒主绝缘，减小绝缘热阻；

（3）增加线棒股线数和采用有效换位技术降低定子线棒的附加损耗；

（4）加大风量；

（5）增加定子线棒散热面积。

计算分析表明，受发电机容量﹑电压﹑效率﹑短路比和成本等关键条件限制，上述(1)～(4)项措施对解决定子线棒温升问题的贡献极其有限，只有第(5)项是最为有效的方法。

2 三支路绕组

对于常规60°相带的3相﹑2极﹑双层﹑整数槽绕组的汽轮发电机，支路对称定子绕组最多可能的并联支路数为2，如果并联支路数大于2，定子绕组各支路间势必会因为支路电势不平衡而产生电势差和支路环流损耗问题。这种不平衡用不对称度[2]表示，取各支路电势中最大的Umax和最小的Umin，则支路电势不对称度ΔU为：

不对称度值越小，对称情况越好，支路环流越小。

支路不对称可分为三种情况：幅值不对称﹑相位不对称和幅值相位均不对称。由于第三种不对称绕组较为复杂，汽轮发电机设计一般不予采用。因此，按支路合成电势最大﹑各支路间电势差最小的设计原则，并考虑生产工艺实际，3支路绕组只能是将每个极相组的绕组按相位差为一个槽距角连成3个支路（如图1所示，暂称其为极相支路），然后再将两个极下的6条极相支路两两串接形成3支路。

图1 三支路绕组接线

两个极下的6个极相支路两两串接可能的串接方式理论上有15种，但为了尽量减小支路间电势差和环流损耗，使支路合成电势最大﹑各支路间相角差最小、谐波磁势幅值尽可能小，则应采用3个支路的合成相位相同（如图2和图3所示，称为同相接线）或合成电势相同（如图4所示，称为非同相接线）两种接线方式。

图2 同相接线1

图3 同相接线2

图4 非同相接线

3 定子槽数选择

对于常规的3相2极整数槽汽轮发电机，并联支路数为3的定子槽数应为18的倍数。理论上可选的定子槽数为18﹑36﹑54﹑72﹑90…。实际上，如选用54槽则仅相当于2支路的36槽，由于槽数过少，电机体积较大，所需的励磁安匝多，电压波形不好，附加损耗大；而90槽虽然相当于2支路的60槽，但由于槽数过多，下线困难，无效用铜多，线棒/线圈制造和下线工时多。所以，72槽几乎成了2极汽轮发电机定子绕组三支路设计的唯一理想方案。

4 三支路绕组的计算

根据电机学和交流电机绕组理论推导可知，对称支路绕组的绝大部分计算方法仍然适用于三支路绕组，但在绕组系数[3]、不对称度和支路环流损耗等几个方面存在较大差异，而且这几个参数因接线方式而不同。

科研中运用有限元法对HEC空冷350MW汽轮发电机（3相﹑2极﹑定子槽数为72﹑并联支路数为3）设计方案分析表明，非同相接线时绕组支路间的环流较大，环流损耗大，电机发热严重，故实际电机不宜选用此种接线；同相接线的两种方式虽然具体形式不同，但其本质是一样的，分析结果见表1。

表1 有限元方法计算结果

工程实际中常用解析法进行电磁计算。通过绘制绕组槽电势星形图，用解析法推导出同相接线三支路绕组的绕组系数、不对称度和环流损耗的算式如下。

4.1 绕组系数

按上述接线方式和分析方法推导可知，支路不对称绕组短距系数kp1和对称绕组的短距系数计算公式是一致的：

式中，β为短距比。

三支路绕组分布系数与接线方式有关，应先从极相支路入手，逐级深入。通过用向量平移作图推导分析可知，同相接线时，支路2的绕组分布系数为：

其余两条支路的绕组分布系数为：

式（3）和（4）中，α为槽距角，'α为同一支路相邻线棒间的槽距角，'q为每极相支路槽数。

4.2 不对称度和支路电势差

同相接线时，每相三个支路电势的时间相位相同，其中支路1和支路3两个支路的电势相等并小于支路2的电势，电势不对称度为：

支路电势差为：

式（5）和（6）中，α为槽距角，Uϕ为相电压。

4.3 支路环流损耗

同相接线中，1﹑3两个支路的电流相等，其两个支路的电流和与2支路的电流大小相等，方向相反，支路环流损耗为：

式（5）中，R1(115)为115℃时的相电阻

支路环流损耗应计入定子绕组附加损耗。

注：用解析法计算两种同相接线的电磁参数是相同的，而用有限元法计算则略有不同，且与解析法计算结果也有出入，这是因为有限元法计算既考虑了详细的几何结构的影响又考虑了电机的饱和及谐波对电压的影响。实际证明，上述差别都在可接受的范围内，解析计算结果能够满足工程需要。

5 结论

实际运行和计算分析表明，在定子绕组外冷汽轮发电机中运用三支路绕组设计是解决定子绕组温升的有效手段，可大幅提高单机容量，因定子绕组支路不对称引起的环流损耗和附加温升也在可接受的范围内。

[1]汪耕, 李希明, 等. 大型汽轮发电机设计、制造与运行[M]. 上海科学技术出版社, 2000.

[2]李林合. 大型水轮发电机支路不对称定子绕组连接问题的探讨[J]. 大电机技术, 2006, (2).

[3]汤蕴璆, 史乃.电机学[M]. 北京: 机械工业出版社,2001.