泸定电站发电机电磁设计的选择与分析

周 波

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

电磁设计是发电机设计过程中一个重要环节，关系到发电机电气性能参数、重量、造价和机组运行的安全稳定性。发电机在电磁设计时，需要综合考虑发电机的性能参数，对于定子槽电流、电负荷、热负荷等重要参数的选择既要考虑机组运行的安全稳定性，还要考虑机组的经济性，同时还要兼顾发电机结构的合理性及机组运行的可靠性，如定子铁心电磁振动、电压波形、通风冷却、转动惯量等方面的要求。

1 泸定水电站的概况及发电机基本参数

1.1 泸定水电站概况

泸定水电站位于四川省泸定县境内的大渡河干流上，安装4台套单机容量230 MW混流式水轮发电机组，总装机容量为920 MW，电站主要任务为发电。电站具备日调节性能，在系统中担负基本负荷及一定调峰任务。

1.2 泸定发电机基本参数

发电机额定容量:255.6 MVA

额定电压:15.75 kV

额定功率因数:0.9(滞后)

额定频率:50 Hz

额定转速:100 r/min

飞逸转速:200 r/min

相数:3

发电机转动惯量:20000 tm2

2 电磁计算的选择与分析

2.1 发电机支路数与槽电流的选择

槽电流是影响发电机经济性的一个主要因素。槽电流太小，表明发电机有效材料的利用性差、不经济;槽电流太大，将导致铜损及附加损耗增加，从而使槽绝缘温差增大，在工艺上由于线圈表面增大，增加制造难度。因此，选择一个合理的槽电流是非常重要的。经计算分析，泸定发电机的槽电流合理取值范围为4500～5500 A。表1为典型水轮发电机槽电流取值。

泸定发电机额定转速为100 r/min，可选支路数为3、4、5。当支路数选3时，发电机槽电流为6245 A，明显偏高;当支路数选4时，发电机槽电流为4684 A，比较合理;当支路数选5时，发电机槽电流为3747 A，明显偏低。通过以上比较分析，泸定发电机支路数应选4，此时槽电流是相对合理的。

表1 典型水轮发电机槽电流取值

2.2 发电机定子铁心内径、槽数、电负荷的选择

定子支路数和槽电流确定以后，定子槽数、定子铁心内径将决定发电机电负荷大小。电负荷是水轮发电机的一项重要技术、经济参数指标，对电机的主要尺寸、电抗和绕组温度等有直接影响。电负荷过低，将使发电机体积增大，材料利用率低，经济性不好。电负荷过高，又将导致定子绕组温升高，并使转子绕组负荷加大及散热条件恶化。因此，合理选择定子槽数，确定电负荷是很重要的。随着冷却技术的进步和绝缘材料性能的提高，目前发电机电负荷取值较以往已有较大提高。经计算分析，泸定发电机电负荷合理取值范围为700～800 A/cm。另外，定子选槽时还需要考虑定子电磁振动问题。定子槽数、电负荷及定子内径的选择见表2。

表2 定子内径、定子槽数、电负荷选择

如按每极容量来选取定子铁心内径，定子铁心内径取12400 mm左右是比较合理的。方案1槽数选648，每极每相槽数为3+3/5，相对应的电负荷为778 A/cm，取值合理。但经过定子铁心电磁振动分析，发现该槽存在冷态电磁振动问题。验算每极每相槽数分母为5的其他槽数的方案，发现都存在冷态电磁振动问题。由于发电机支路数选4，因此为了避免出现电磁振动，泸定发电机可选的每极每相槽数只能为整数。方案2槽数选540，每极每相槽数为3，相对应的电负荷为650 A/cm，直轴瞬态电抗仅为0.263，经济性指标明显偏低，不是理想方案。方案3将定子铁心内径放大到13800 mm，槽数选720，每极每相槽数为4，相对应的电负荷为778 A/cm，直轴瞬态电抗为0.31，参数选择合理，经济性指标也正常。泸定发电机转动惯量要求为20000 tm2，对于230 MW，100 r/min的泸定发电机来讲有些偏大。放大定子铁心内径也有利于满足机组转动惯量的要求，同时发电机风罩内径为19000 mm，能够满足定子铁心内径为13800 mm的布置要求。定子绕组每极每相槽数为整数槽时，需要考虑线电压波形畸变率和电话谐波因数是否满足国家标准的要求。经计算，泸定发电机电压波形畸变率为0.58%，电话谐波因数为0.811%，均满足国家标准的要求。综上所述，从机组的安全稳定性、经济性指标、结构布置合理性上考虑，泸定发电机定子铁心内径取13800 mm，槽数为720，电负荷为780 A/cm是合理的。表3为典型水轮发电机电负荷取值。

表3 典型水轮发电机电负荷取值

2.3 定子绕组电流密度及热负荷的选择

定子绕组电流密度的选择直接影响定子铜线和定子冲片的重量，即直接影响到发电机的经济性，同时将决定绕组温升和效率。通常定子绕组的电流密度取值范围为2.5～3.5 A/mm2。同时定子绕组电流密度的选取还与电负荷和热负荷有关。其中热负荷是有效控制定子绕组温升及确定发电机冷却方式的重要参数，其数值为定子电流密度与电负荷的乘积。较高的热负荷将导致槽绝缘内温差增大，线圈温升增高。对应于泸定发电机，依据哈电公司设计经验，热负荷应控制在2400 A2/cm·mm2及以下。经计算，定子电流密度取2.96 A/mm2，相对应的热负荷为2309 A2/cm·mm2，在合理取值范围内。

3 结语

泸定发电机在电磁设计过程中，在满足机组的基本参数及性能指标的要求的前提下，充分考虑了发电机的安全稳定性，在发电机电负荷、热负荷值的选取上也充分体现了时代的先进性。泸定电站的4台发电机已于2011年全部并网发电，运行状况良好，性能指标均满足合同及电网的要求，也充分证明了泸定发电机在电磁选型上的合理性。泸定发电机的主要技术参数详见附录。

附录 泸定发电机主要技术参数

(续表)