清江隔河岩水电站306MW水轮发电机核心技术简述

刘文进

(上海福伊特水电设备有限公司，上海 200240)

隔河岩水电站位于湖北省长阳县清江上游9km处,距离葛洲坝电站60km。水电站总装机容量1200MW,安装4台单机306/300MW 立轴混流式水轮发电机组,其中 2台单机容量为306MW的机组是从加拿大进口;另外2台单机容量为300MW的是国产机组,其自动化元件和励磁系统通过“等比换货”方式进口。1、2号机组由加拿大联合体(MIL公司,GE公司)负责设计、制造;3、4号机组由中国联合体(哈尔滨电机厂责任有限公司、武汉长江动力股份有限公司)负责设计、制造。

水电站年发电量3.04×109kW ◦h,年利用小时数为2530 h,在系统中担负调峰和调频任务,整个电站已于1994年建成。水电站俯视如图1所示,1、2号发电机总装配如图2所示。

图1 清江隔河岩水电站俯视图

1 水轮发电机的基本参数

水轮发电机的基本参数如表1所示。

表1 水轮发电机的基本参数

2 核心技术特点

2.1 定子斜槽

该发电机额定转速为136.4 r/min,44个极。根据电磁计算原理,其可选槽数见表2。MIL公司的1、2号发电机选择528槽方案,即每极每相槽数q为4的整数槽方案。根据电机学基本原理,知道这个方案在定子接线和避免振动等方面均优于分数槽方案,但其缺点是波形畸变率较大和易产生电话干扰。采用整数槽绕组,对于具有阻尼绕组的水轮发电机,将会由于定子槽开口引起的气隙磁导周期变化产生磁通的脉动,从而在阻尼绕组中感应高频电流。该高频电流的附加磁场将在定子绕组中感应谐波电势,引起定子电势波形畸变[1]。MIL公司的技术人员还提出了整数槽绕组会产生绕组循环电流的概念。

表2 可选槽数表

对于整数槽绕组的发电机,在电磁设计时,通常采取以下措施改善电压波形:①定子铁芯采用斜槽;②选择适当的阻尼绕组节距;③选择较大的q值,q值越大,其齿谐波次数越高,谐波含量越少;④减少定子槽宽与气隙的比值;⑤选择适合的极弧系数;⑥采用实心磁极[1]。

MIL公司电磁设计时采取了上述5项措施(除采用实心磁极以外),现重点介绍定子斜一个槽距对波形的改善和磁极极靴采用多段弧均匀气隙改善极弧系数这两项措施。

2.2 定子斜槽对波形的改善

对整数槽绕组及其电势分析表明,当发电机定子绕组采用短距和分布绕组等措施时,可以消除谐波电势,能改善电势波形。但在水轮发电机中,由于转速的缘故,一般都是极数很多,由于槽数的限制,每极每相槽数不可能太多。这时若采用较小的q值,一方面不能利用分布效应来消弱磁极磁场的非正弦分布所感应的谐波电势;另一方面也使得齿谐波的次数较低而幅值较大;再有就是由于齿谐波的绕组系数与基波绕组系数是相同的,故不能用上述办法来消弱齿谐波电势,只有改用分数槽或采用斜槽才能消弱齿谐波电势,改善电势波形[2]。

如图3所示,tsk为定子线棒上下端在铁芯长度段内斜的水平距离,则对v次谐波斜槽系数为

图3 定子斜一个槽距(单位:mm)

如果用斜槽办法来消除v次谐波,即使

为了同时消弱2mg+1和2mg-1次谐波,取

这里的Ksk1是当 v=1时Kskv值。

由此可见,当定子线棒采用斜一个槽距t1后,对2 mg±1次齿谐波电势消弱,从而电势波形得到改善。

2.3 “N-S极对称绕组”及循环电流的抑制

在电磁设计时,应充分考虑定子绕组支路数与槽电流的匹配关系,以及根据电机学理论中的发电机对称条件来选取支路数,只有选4个支路才满足上述条件。

但这里需要强调的是,针对极数2P=44极的发电机而言,采用4支路,则每支路为11极即构成每支路包含的极数为奇数。这样一来,如果是以N极开头的支路,结尾还是N极;如果是以S极开头的支路,结尾仍是S极。再加上支路数为偶数,就构成了所谓的“N-S极对称绕组”,如图4所示。MIL公司技术人员强调,具备“N-S极对称绕组”的电路,在并联支路中会产生循环电流。通过测量空载时的振动,就可以判断支路中循环电流的大小。采用这种电磁设计的发电机,不但绝缘寿命会有所影响,而且也伴随着振动,对电话亦有干扰。因此,MIL公司规定,对整数槽绕组的发电机电磁设计,必须认真对待,通常都必须进行波形分析计算,谐波频率应远离工频(100Hz)至少在120%以上;特别是整数槽绕组,又构成“N-S极对称绕组”的发电机,MIL公司认为有必要采取定子斜槽的措施来消弱齿谐波和减少“N-S极对称绕组”循环电流所产生的影响。

图4 “N-S极对称绕组”循环电流示意图

实例:MIL公司曾经为LG-2电站提供了8台水轮发电机,其参数如下:

额定容量为 370 MVA;额定转速为133.3 r/min;额定频率为60Hz;并联支路数为6;每极每相槽数为3;极数为54。

由以上参数可见,该发电机为整数槽绕组,共54个极,分6支路,为偶数,则每支路9个极是奇数,即构成了所谓的“N-S极对称绕组”。MIL公司对这个问题进行过专题研究,为了避免出现齿谐波和循环电流,在设计时定子采用了斜槽的措施。目前机组投运平稳,线圈温差不大,机组振动也较小;而GE公司为LG-2提供的其他机组,因没有采用斜槽或其他有效的措施,运行时不但铁芯伴随有较大的振动(100Hz谐波振幅50 μ m以上),而且噪声和线圈温差也较大。用户对有问题的发电机进行了感应电势、谐波和振动的实测。测量数据证实了每个支路感应电势相差很大,支路电流不平衡和有循环电流的存在。

2.4 实现定子线棒斜槽的工艺技术

从理论上讲,如果采用数控冲床冲制定子铁芯扇形片的工艺技术,可以做到每层冲片槽形位置渐变,这样叠片后可以沿轴线方向使得槽倾斜,而且槽的内壁过渡比较平滑。但是,鉴于每台机定子铁芯冲片净重约200 t,冲片加工至少需2.5个月以上。制造周期长,且在工地叠片时,必须按编码叠片,没有互换性。如果发生冲片损坏或丢失,将会造成极大的混乱,在工程实际上不易操作和管理。

MIL公司实现斜槽的办法是将定子铁芯的定位筋斜一个槽距。由于定位筋分布在φ 124 m的圆柱面上,斜一个槽距在轴线垂直平面投影上只倾斜2°左右,定位筋上中下各点的半径基本相等,圆柱面对槽形的螺旋影响可以忽略。在工艺上,定位筋通过点焊固定好上下2点,中间通过C型夹工具往外径方向拉,根据图纸尺寸到位后点焊固定,其余工艺与直槽定位筋焊接工艺基本没有区别。斜定位筋设计尺寸如图5所示。工地实作记录:未满焊的定位筋半径为6210±0.35mm,最后一组定位筋弦距误差在0.25mm以内,最终满焊后定位筋半径为6210±0.5mm。1号机设计槽宽23.8mm,线棒设计宽度23.4mm,间隙由不同厚度的U型半导体纸填充,双边0.02mm 过盈紧量。实际上,通过1、2号发电机定子铁芯在工地叠片、线圈机坑下线的工程实践,证实了采用定位筋实现定子斜槽的工艺是比较简单和可行的。

2.5 均匀气隙

根据电机学理论,凸极同步发电机的气隙一般是不均匀的。磁极极靴边缘处的气隙为最大气隙长度δmax,极靴中心处的为最小气隙长度δmin,为使主极磁场接近正弦分布,采用δmax/δmin=1.5。

图5 定子斜定位筋装配图

MIL公司设计的水轮发电机大都采用均匀气隙,即δmax/δmin=1.0。严格来讲,磁极极靴外圆弧是由3段或5段组成的多段弧,中间一段弧约为极距30%～45%是与定子铁芯内径同心的,即形成的气隙是均匀的,两边各有2段圆弧相切构成连续多段圆弧。MIL公司极靴外缘多段弧尺寸是由名为“Magnet”极靴形状有限元优化程序计算分析确定的,与定子是否采用斜槽无关。优化的目的是为了使主极磁场更加接近正弦分布,同时减少谐波分量的幅值,改善电机参数[3]。从有限元计算结果可见,优化极靴形状的明显好处是大大减少了极间漏磁通[4]。过去一个阶段,我国传统的凸极同步发电机一直沿用δmax/δmin=1.2～1.5一段弧的不均匀气隙。这种传统结构,对于巨型水轮发电机而言,其磁极极靴端部漏磁较大,是造成定子绕组发热,产生股线环流的主要原因。不均匀气隙形成的气隙磁密和齿磁密分配也不均匀,这样的气隙磁密和齿磁密利用率较低。据MIL公司介绍,不均匀气隙导致磁路损失达8%～10%。我国早期引进的八盘峡、富春江等水电机组的发电机也都是采用多段弧的均匀气隙结构。近几年引进的机组,如三峡左岸发电机(原ABB公司设计),其磁极极靴也都是采用多段弧的均匀气隙结构。据统计,ALSTOM和VOITH的大型同步发电机一般也都采用均匀气隙结构。

2.6 定子线棒股线换位

定子线棒采用空换位或不完全换位,都是通过人为地制造槽中主磁通感应产生附加电势来抵消端部漏磁通在线棒端部感应出来的电势,使同一线棒各股线之间的电流基本均匀,从而达到消除线棒中股线温升过高问题。但这种方法是属于被动的措施,并没有从根本上减少端部漏磁的产生和作用,因为定子线棒中股线温差主要是由发电机转子励磁磁通引起的。

是否需要采取特殊换位技术,完全取决于定子端部漏感电势的大小,对于不同结构的机组不能一概而论。MIL公司认为,目前的不完全换位或空换位还不完全适合于他们设计的机组。国外设计的机组磁极形状复杂,边界条件难以简化模拟,采用特殊换位后,计算的换位角度与实际最佳换位角度有较大的偏差,从而使减损效果大打折扣。有的机组反而造成了股线环流增大、线棒温差变大的情况发生。对此,国内《大电机技术》、《水电站机电技术》等刊物已发表过许多论证文献[5]。

对于减少端部漏磁,MIL公司则是从定、转子的几何形状设计入手,如前面提到了磁极采用特殊的多端弧极靴、矩形铜排、特殊材料和形状的磁极压板结构等,以及定子铁心端部采用特殊尺寸台阶或齿部开槽等措施。通过定、转子优化结构的相互配合,可从根本上消减产生股线环流的附加感应电势,进而达到降低股线最高温度、提高绝缘适用寿命的目的。

1、2号发电机绕组在整个定子铁心长度上采用罗贝尔360°的股线全换位,而国产的3、4号发电机则采用不均匀气隙和定子线棒316°不完全换位。图6为发电机定子及转子安装现场。隔河岩机组多年的运行实践证明,这两种设计都可以减少因股线在磁场中不同位置,以及因槽部漏磁产生的循环电流而引起的附加损耗,达到降低股线电势差及温差的效果。

图6 发电机定子及转子安装现场

3 结 语

隔河岩水电站引进的306MW水轮发电机是国内罕见的采用了定子斜槽技术的大型水轮发电机,具有一定的技术特色,代表了当代世界水电机组技术的多样性,对设计研发具有实用的参考价值。尤其是定子斜槽,工艺简单,而且从根本上解决了整数槽发电机齿谐波带来的运行隐患。建议在特殊机组上,如贯流或蓄能电站的整数槽机组上推广采用。对巨型同步发电机,如果选用整数槽方案,又恰好构成了“N-S极对称绕组”,那么根据国外经验采用斜槽工艺技术改善性能消除隐患,还是有可取之处的。

国外厂家认为,所谓的“N-S极对称绕组”会产生循环电流。这种说法至今国内未见文献报道,属电机学空白领域,尤其是有些电站的发电机采用了整数槽,其振动、发热是否与此有关,应做进一步分析研究和电站实测。对于国内传统的凸极同步发电机极靴形状,建议不断改进和优化设计,以提高气隙磁密的利用率和减少极靴端部漏磁,从根本上消减线棒产生股线环流的附加感应电势。

隔河岩发电机多年实际运行证明,定子斜槽、罗贝尔360°股线全换位,配合减少端部漏磁的有效措施,既可以降低成本,也完全可以满足用户要求,这些技术极有推广利用价值。

[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京:机械工业出版社,1982:49.

[2]陈铁华,赵万清,郭 岩.水轮发电机原理及运行[M].北京:中国水利水电出版社,2009:57-88.

[3]杨仕友,唐任远,刘文进,等.凸极同步电机极弧优化设计中电磁场逆问题的求解计算[C]//1994第五届理论电工学术讨论会论文集.北京:中国电工技术学会理论电工专业委员会,1994.

[4]杨仕友,唐任远,刘文进,等.模拟退火算法及其在凸极同步电机电磁场逆问题中的应用[C]//1994第五届理论电工学术讨论会论文集.北京:中国电工技术学会理论电工专业委员会,1994.

[5]成德明.端部漏磁给水轮发电机运行带来的影响及相应对策[J].水电站机电技术,2008,5:1-5.