试析水轮发电机设计的优化方案

2013-10-27陈前荣

通信电源技术 2013年6期

陈前荣

（杭州长河发电设备有限公司，浙江杭州 310051）

随着科学技术的不断发展以及人们用电需求的增加，如何设计出更加优质的水轮发电机，在持续供电的同时确保自身运转高效、稳定已经成为当务之急。笔者结合多年的实践经验提出了自己的建议。

1 水轮发电机设计特点

水轮发电机的驱动依靠水轮机，水轮机的型式通常决定了水轮发电机的安装结构形式。由于水电站的具体环境以及工作状况的差别，水轮发电机组的实际容量和转速的情况也不一致，小容量的水轮发电机能够单机独立进行供电，也可以多机并联组成一个电网向周围区域供电，中、大水轮发电机通常与大电网连接。由于水轮发电机组要求快启动和迅速地开停机，调速要求灵活，因此在电力系统中，水轮发电机除了承担基本任务外，还需要担任调峰等功能。水轮发电机与其他种类的发电机相比，具有以下特点:（1）对飞轮转矩GD2有较大要求，转子的直径以及外形尺寸相对较大。（2）水电站一般离负荷中心较远，通常需要经过较长的高压线路才能顺利的实现供电，因此，水轮发电机要保证动态稳定以及静态稳定必须有较好的技术保障。（3）水轮发电机尽管实现飞逸转速的可能性不大，然而在设计过程中，设计者必须保障转动部分的机械强度能够实现飞逸转速时的正常运转。

2 水轮发电机设计分析

2.1 对水轮发电机主要尺寸的确定

水轮发电机主要尺寸确定，需要考虑到三方面的内容:（1）电磁设计要控制在合理的范围，确保参数直轴瞬变电抗Xd符合标准。（2）转子磁轭在标准的宽度以及允许应力下，要满足GD2要求。（3）运输要求、通风冷却能力以及总体结构必须科学合理。研究发现利用发电和自身GD2的数值，可以实现基本的发电机尺寸估算，计算公式:

式中，系数k满足以下标准，如表1所示。

表1 系数k的取值

对于飞逸转速的设计，依据转子的机械强度，利用发生飞逸时转子可以承受的最大周速对发电机转子最大允许直径进行确定，其公式如下:

转子磁轭允许选用最大周速值如表2所示。

表2 转子磁轭允许选用最大周速值

为了达到实际运转过程中水轮发电机能够拥有良好的通风冷却效果，必须保证铁心长度和极矩的比值不能过大，通常来说，需要满足以下要求:lt／τ≤4.5。满足以上要求便可以确定水轮发电机的基本尺寸。

2.2 电负荷A的选择

电负荷A作为水轮发电机主要的技术参数以及经济指标，对于电机尺寸、电抗以及绕组温度都有直接的影响。A的大小能够直接影响定子内圆的表面积产生的绕组铜损情况，进而对温升和效率提高进行影响。A的取值要依照每极容量、电机绝缘等级以及绝缘方式进行确定。冷却技术的不断发展，A的取值得到了大幅度的提高。

2.3 绕组型式的选择

水轮发电机的定子绕组可以分为多匝圈式叠绕组和单匝条式波绕组。大中型水轮发电机的定子绕组通常为双层圈式叠绕组，大型低速的水轮发电机一般选择双层条式波绕组。多匝圈式叠绕组:Ns＝4，6，8，10等；单匝条式波绕组:Ns＝2，其中Ns代表每槽有效导体数。圈式叠绕组能够有效节省用铜量，焊接容易，便于进行电负荷以及槽电流控制，然而其接线多，容易引发绝缘事故，换位不易。条式波绕组绝缘可靠，能够有效降低环流损耗，便于检修更换线圈，然而其电负荷和槽电流供应不稳定，焊接费事，成本高。