清远抽水蓄能电站发电电动机设计特点

黄小红，吴金水，小野田勉

［1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式会社东芝，日本横滨市 230-0045］

清远抽水蓄能电站发电电动机设计特点

黄小红1，吴金水1，小野田勉2

［1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式会社东芝，日本横滨市 230-0045］

清远抽水蓄能电站为目前国内已投运的单机容量最大的抽水蓄能电站，其发电电动机的设计采用了东芝公司成熟的、典型的发电电动机技术。本文重点介绍清远发电电动机的设计特点，既是对东芝发电电动机技术的引进和消化吸收，同时为今后类似的大容量、高转速机组发电电动机的设计提供借鉴。

发电电动机；大容量；高转速

0 引言

清远抽水蓄能电站位于清远市清新县太平镇境内，与广州直线距离约75km。该电站共装设4台单机容量为320MW的发电电动机机组，投运时是当时国内已投运的单机容量最大的抽水蓄能电站。电站主要承担南方电网的调峰、填谷、调频、紧急事故备用等任务。其发电电动机的设计采用了东芝公司成熟的、典型的发电电动机技术。

1 主要技术参数

发电工况额定容量：356MVA

电动工况轴输出功率：不小于331MW

额定电压：15.75kV

额定电流：13050A

额定功率因数：发电机0.9（滞后），电动机0.975

额定频率：50Hz

额定转速：428.6r/min

飞逸转速：690r/min

发电电动机GD2≥5700tm2

电动工况启动方式：变频启动（正常启动）背靠背启动作为备用

绝缘等级：F/F（定子/转子）

通风冷却：径向通风密闭自循环空气冷却

旋转方向：发电机工况时俯视顺时针，电动机工况时俯视逆时针

励磁方式：自并励静止晶闸管硅

2 总体结构

清远抽水蓄能电站机组发电电动机为立轴半伞式、三相凸极同步发电电动机，采用密闭自循环、空气冷却的通风冷却方式。

发电电动机主要由定子、转子、上机架、下机架、上下导轴承及推力轴承和辅助部分组成（见图1）。

图1 发电电动机断面图Fig.1 Section of generator motor

3 结构设计特点

3.1 定子

定子由定子机座、定子铁芯、定子绕组等组成。在工地安装场进行定子机座组装、铁芯叠装和绕组下线工作。

定子机座为焊接结构，正十六边形，对边尺寸为8300mm，高4515mm。机座在工厂组焊加工，受运输条件限制，分2瓣运至工地，合缝面上设有多个连接螺栓及铰制螺栓，在现场安装间直接进行把合，使机座成为一体。为了适应国内现场安装的需要，在合缝位置的上环和外侧分别设有骑缝销，以方便现场将两分瓣位置按照出厂前解体位置迅速进行对齐组装。

定子机座设上环、中环和下环，穿过中环沿圆周与鸽尾筋相对应位置设置支撑棒，作为铁芯压紧时齿压板外径侧的支撑点。定子机座具有足够的强度和刚度，使其在制造、运输、安装时能承受各种力的作用而不产生有害变形。

定子机座与下机架共用一个环形基础，为了适应抽水蓄能机组频繁开停机的运行条件，减少由于定子机座和铁芯热膨胀的差异引起的作用在铁芯上的压应力，避免铁芯在过大的压应力作用下发生翘曲变形，机座与环形基础的支座间采用松螺栓连接，螺栓轻轻带上即可。现场定中心工作完成后，在定子与环形基础支撑座结合位置加工径向销孔，通过径向销来传递扭矩。径向销固定在机座上，机座可随径向销相对基础发生径向滑动。

定子铁芯采用单位铁损不大于1.0W/kg的优质冷轧薄硅钢片叠压而成。优质的硅钢片减少了铁损，使铁芯和机座间的温差进一步减小。为有效地冷却定子铁芯和绕组，在定子铁芯合适位置设有多道径向通风沟，使铁芯轴向温度均匀。优质的硅钢片和合适数量的通风道，使得铁芯内部的热应力也随之减小，有效防止铁芯产生翘曲变形。为降低端部漏磁和损耗，在铁芯的上下两端齿部分别设置有阶梯段落。

定子铁芯内径φ5300mm，外径φ6570mm，铁芯高度3320mm。采用单片一叠、1/2搭接叠片方式，定子铁芯叠装工作在机座组圆后进行。这种整体结构的定子铁芯无接缝，运行中的铁芯振动小，无槽底错位，刚度、圆度、整体性好。

定子铁芯压紧采用分块式上、下齿压板压紧结构（见图2）。为了增加定子铁芯防翘曲的强度，采用1.5MPa高的定子铁芯压紧面压，并设有高性能碟簧压紧，保证机组长期运行后铁芯的压紧。拉紧螺杆为矩形结构，两端为螺纹部分，铁芯段装鸽尾筋，设置于铁芯外径侧，不会形成涡流回路，不需要对拉紧螺杆进行绝缘处理，结构简单。定子铁芯依靠装于鸽尾筋（拉紧螺杆）内径侧的鸽尾键定位，合适数量的鸽尾筋可以增加铁芯防翘曲的强度。定子的整体重量通过整个定子机座来承受的这种分块式小齿压板压紧结构使铁芯具有较高抗“翘曲”的强度。压指采用非磁性材料，以减小漏磁引起的附加损耗导致的端部发热。通过电磁场有限元分析，可以对定子端部漏磁场作用下齿压板的温度分布情况进行确认（见图3）。

图2 定子铁芯压紧Fig.2 Fastening of stator core

图3 齿压板断面温度分布Fig.3 Temperature distribution of tooth press plate

定子绕组为双层条式波绕组、受磁极数和绕组对称的限制，为7支路星形连接。定子线棒采用槽内360°罗贝尔换位，以降低附加损耗和均衡线棒中股线间的温差。绕组绝缘等级为F级，线棒采用真空液压多胶VPR绝缘制造工艺，既环保，且线棒的各项电气性都能得到可靠保证，是东芝公司特有的定子线棒绝缘工艺。对于定子线棒这样的关键部件，清远1号机组的定子线棒由东芝水电生产供货，根据国家标准及清远机组国产化的要求，2号机组以后由东芝水电供货，东芝水电在已有的VPR绝缘技术基础上，通过对绝缘材料及工艺的全方位改善，生产出综合性能不亚于1号机组的定子线棒。

为了防止发电电动机长期运行后定子线圈下沉，在定子线圈上端出槽口的斜边处，每隔一槽设置一组线棒止沉块，止沉块支撑于上齿压板的压指上，并绑扎在线棒上。

绕组端部用非磁性不导通端箍固定，线棒和线棒间用斜边垫块进行可靠绑扎。

3.2 转子

转子由磁极、磁轭和转子支架等组成。在工地进行磁轭组装和磁极挂装工作。

转子支架由转轴、上中下三层环板及环板外侧的7个楔形磁轭键用的立筋组成，转子支架的所有焊接和加工均在厂内完成，现场不需焊接。转子支架的上、下环板上各开有7个通风用孔及风量调节用板安装用孔，中间环板不设通风孔。

转子支架通过螺栓固定在发电电动机下端轴上，并通过径向销传递扭矩。

清远转子外径为5225mm，其飞逸周速度高达188.8m/s，鉴于抽水蓄能机组频繁开停机的特点，在转子材料选择时，还需要进行疲劳强度的校核，因此，磁轭材料强度等级要求高，清远选用屈服强度等级为640MPa的材料，以确保其能满足在额定运行时最大集中应力小于0.55бs，甩负荷时最大集中应力小于 1.1бs（见图4）。

图4 甩负荷和飞逸时磁轭应力分布Fig.4 Stress distribution of rim

清远磁轭由50mm和75mm厚的高强度环形钢板组成，在轴向每300mm或350mm磁轭段设置一通风道，每段磁轭用对应长度的螺杆连接成一体。9段磁轭间通过内径侧的止口进行定位，磁轭尺寸大，厂内加工要求高，但现场只需进行9段磁轭的叠装工作，安装周期短。厚板环形磁轭的整体刚性好，对高转速机组来说尤为适用。

清远磁轭为浮动式结构，磁轭与中心体之间通过组合T型磁轭键（图5）周向楔紧，在现场打入T型键两侧的打入键。在转子磁轭具有足够的刚度，磁轭键数量合适的前提下，均可以通过设置这样的圆周方向采用楔形键形式的组合式磁轭键结构，这种辐射型布置的多个磁轭键的限制下，机组运行时磁轭只能同心伸缩。冷态下，即机组停机状态下转子支架和磁轭不受径向力。这种磁轭键结构简单，现场组装方便，无须热打键。

图5 磁轭组合键Fig.5 Rin key

磁极铁芯由1.6mm厚高强度专用冷轧磁极冲片叠成，通过6个拉紧螺杆压紧。

磁极线圈由异形断面的半硬紫铜排焊接而成，具有散热面积大，散热效果好的特点。线圈匝间垫以Nomex绝缘纸，与铜排热压成一体。线圈与铁芯间用绝缘板塞紧，线圈内侧铁芯四周设有角部绝缘，对地绝缘可靠。磁极线圈设上绝缘法兰。磁轭侧的第一匝贴好层间绝缘后用无碱玻璃丝带半叠包一层，用硅胶填满极身与线圈间的间隙，磁极到现场后无需脱出线圈清扫即可直接挂装。

清远1号机组磁极由东芝公司完成组装，后续机组的磁极全部由东芝水电独立制作。为了生产清远这样大型的磁极并确保与进口同等品质，东芝水电提前按东芝公司一样的工艺进行细致的设计和制造研究。每只磁极出厂前的检验项目在国家标准要求之外均做高频冲击耐压试验，保证了磁极绝缘的高质量。

磁极挂装时，在磁极铁芯T尾两侧沿半径方向打入长楔形键将磁极楔紧在磁轭上，再用压板将楔形键进行锁定。磁极线圈之间轴向设置4处线圈支撑，防止磁极在运行过程中由于离心力的作用而产生有害变形和应力。两端设置有挡风板，减少磁极端部风的涡流引起的损耗。

极间连接采用多层薄磷铜片制成的柔性连接片连接，用螺栓固定在磁轭上，安装、拆卸和检修方便，同时防止由于极间连接线所产生的离心力使磁极绕组末匝产生变形和滑动。

转子设有纵横阻尼绕组，阻尼条与阻尼环的连接采用银铜焊，阻尼绕组间采用双Ω柔性连接，用螺栓固定在磁轭上，防止因振动和热位移而引起故障。其连接既牢固可靠，又便于检修拆卸。

下端轴由推力头和轴身构成，采用20SiMn钢锻造制成，在最大飞逸转速下运行不会产生有害的振动和摆度。镜板为与推力头分体的整圆镜板，采用锻钢材料，通过螺栓把紧在推力头上面。

3.3 轴承

推力轴承装于下机架中心体的油槽内。推力轴承承受水轮发电电动机组所有转动部件的重量和水推力构成的组合载荷。推力轴承由12块扇形瓦组成，采用巴氏合金瓦，并采用东芝公司特有的小弹簧簇支承结构均衡每块推力瓦负荷，推力瓦平均面压为3.9MPa，平均周速度为49.5m/s，其PV值高达194.3MPa·m/s，轴承损耗大。为适应抽水蓄能机组正反两方向旋转的需要，每块瓦下面的弹簧簇呈中心对称布置，弹簧簇支撑具有性能可靠、瓦间受力均匀、瓦变形小和安装维护方便等优点（见图6）。

图6 额定运行时瓦坯的变形Fig.6 Deformation of pad

推力瓦可以通过旋转推力弹簧座，从检修窗口单独取出，对推力轴承进行就近或机坑外检修。

为适应抽水蓄能机组频繁的开停机需要，为推力轴承配置了高可靠性能的推力高油顶起装置，交流电机和直流电机互为备用。

上、下导轴承均采用分块、油浸式、自润滑、可调式巴氏合金瓦结构。通过调整螺栓，可方便调整轴承瓦与滑转子之间的间隙。瓦的背面有球面支柱，径向力通过球面支柱传到机架上。

上导轴承由12块瓦组成，采用蛇管内藏式油冷却器进行冷却。

下导轴承与推力轴承共用同一油槽，由18块瓦组成，采用外加泵+外置板式油冷却器循环冷却方式。板式油冷却器结构简单，换热容量大，体积小，并列布置在机坑外面，安装维护方便，每台机组3只，其中1只备用。

3.4 机架

上机架为非负荷机架，承受转子径向机械不平衡力和因气隙不均匀产生的单边磁拉力的作用。上机架由中心体和8条支臂组成，支臂与中心体在现场进行组焊。上机架与风罩间采用防振支撑，将上机架所受径向力通过顶丝螺栓传递到风罩上，根据机组机械不平衡力的大小，对螺栓进行一定的初期预紧，以保证各支臂对混凝土基础始终保持有一定的压力。防振支撑基础板为弹性板，可吸收机架支臂热膨胀的位移，不会使基础混凝土产生有害变形。

下机架为负荷机架，承受机组所有转动部件重量、水轮机的轴向水推力、下机架自重和推力轴承、下导轴承重量以及各种工况下作用在下机架上的径向和切向负荷。下机架通过与定子共用的环形基础板用地脚螺栓固定在基础上。下机架为圆盘式整体结构。下机架可通过发电电动机定子内腔整体吊出机坑。下机架同时也兼作推力和下导油槽的一部分，受定子铁芯内径的影响，油槽自身的容积很难设计得很大，难以满足大容量高转速机组的需要，因此在环形基础的外侧设有辅助油槽，以增大油槽体积，以保证在冷却水中断15min的情况下推力轴承仍安全运行。

3.5 集电装置

集电环热套于集电环支架上，安装在发电电动机集电环轴上部，并与刷架共同配置于发电电动机的集电环罩内。上部集电环罩可单独拆除，将集电环、碳刷暴露在外面，方便集电环的检修和维护。下部集电环罩内嵌于机组上盖板与上机架之间，且与发电电动机循环风道隔离，以保证碳刷粉尘不污染定、转子。

3.6 通风、冷却系统

通风冷却系统采用双路径自循环端部旁路通风无风扇通风冷却系统。冷却风压由转子转动时的离心作用产生。定子机座外壁装设8只空气冷却器（见图7）。

（1）上侧风路：空冷器出风→定子机座上侧→转子支架立筋上部间大风孔→转子磁轭→磁极→定子→空冷器冷却。

图7 径向通风特性曲线Fig.7 Characteristic of radial flow

（2）下侧风路：空冷器出风→定子环形基础板风孔之间→转子支架立筋下部间大风孔→转子磁轭→磁极→定子→空冷器冷却。

清远空冷器冷却管为双层铜镍合金管，可避免由空冷器冷却水管漏水喷向定子引起的短路。

3.7 防油雾装置

在上导、推力及下导轴承油槽盖上设置与轴无间隙的刷型密封装置，以防止油或油雾进入发电机内部及冷却循环系统。

在轴承盖上设有油气引出管，引到机坑外的油气分离装置，消除油雾对发电机的污染。

4 结束语

清远抽水蓄能电站机组发电电动机的设计完全采用了东芝公司成熟的、经典的发电电动机技术，是东芝水电首次实现对东芝公司发电电动机技术的全面引进和吸收。2015年11月30日，清远抽水蓄能电站首台机组投入商业运行，各主要部件的温度、振动、摆度等各项指标均处于优良范围，2015年3月16日第二台机组也投入了商业运行，性能比1号机组略优。这标志着东芝水电在大容量高转速发电电动机的设计、制造上已同步达到东芝公司的高水平，为今后同类型机组的设计提供借鉴。

［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.

［2］孟繁聪，蒋明君，王莉.大型抽水蓄能电站发电机定子95%接地保护动作跳闸分析［J］.水电与抽水蓄能，2015，1（2）：31-34.MENG Fancong,JIANG Mingjun,WANG Li.Analysis on 95% Gentrator Stator Grounding Protection Tripping of Pumed Storage Power Plant［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(2):31-34.

黄小红（1975—），女，工程师，主要研究方向：发电机设计等。E-mail:huang.xiaohong@toshiba-thpc.com

吴金水（1963—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：发电机设计和绝缘。E-mail:wu.jinshui@toshiba-thpc.com

小野田勉（1958—），男，主任工程师，主要研究方向：发电机设计等。

Design Feature of Qingyuan Pump Storage Power Station Generator-motor

HUANG Xiaohong1,WU Jinshui1,ONODA Tsutomu2
［1.Toshiba Hydro Power（Hangzhou）Co.,Ltd.,Hangzhou 310016,China; 2.Toshiba Corporation,Yokohama 230-0045,Japan］

Qingyuan pump storage power station is of the most large single unit volume pump storage station put into operation in demestic at present.Qingyuan generator motor’s design apply TOSHIBA’s matured and traditional technique.This paper takes emphasis on introducing the design feature of Qingyuan generator motor.It is both the digestion and absorbtion of TOSHIBA’s generator motor technique and it can also provide some reference for the design of similar large volume and high speed generator motor in the future.

generator motor; large volume; high speed

TV734.2

A 学科代码：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.006