长河坝水轮发电机选型计算与性能分析

刘新天，乔照威

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150040）

0 前言

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，上接猴子岩水电站，下接黄金坪水电站。电站装有4台650MW水轮发电机组，工程建设以发电为主。为保证长河坝水轮发电机各次性能指标，本文主要从电磁方案的选型和主要性能的分析计算出发，对该发电机的参数选择的合理性和主要电磁性能指标进行分析。

1 方案选择与主要电磁参数

1.1 额定值

长河坝水轮发电机需按以下基本参数进行方案选型计算：

额定容量/功率：722.3MVA/650MW

额定电压：20kV

额定功率因数：0.9（滞后）

额定频率：50Hz

相数：3

额定转速：142.9r/min

飞逸转速：255r/min

GD2：120000t·m2

1.2 方案选择

1.2.1 主要尺寸确定

电机的主要尺寸是指定子铁心内径Di（或极距τ）及铁心长度lt，选择和确定Di和lt时应考虑下列问题[1，2]：

（1）电负荷和磁负荷应在合理的取值范围内，并使Xd′、Xd′等参数满足要求；

（2）选择的主要尺寸应使转子磁轭在正常的宽度和允许应力下，自然满足所要求的GD2值；

（3）由主要尺寸所决定的定子和转子等大部件的尺寸应满足运输条件的要求；

（4）满足发电机本身通风冷却的要求；

（5）机组总体结构布置合理。

铁心内径和长度与额定容量及额定转速有下述关系：

式中：

SN—额定容量/kVA；

Di—铁心内径/m；

lt—铁心长度/m；

nN—额定转速/r/min ；

C—利用系数 /kVA·m3·r/min；

K—常数 /K=1.35×10-6；

专题教学可以是同一作者相似作品连类而成的学习，比如，学习苏轼的《前赤壁赋》时，和《后赤壁赋》进行比较阅读；学习莫泊桑的《项链》时，和其《珠宝》进行比较阅读。相对于《前赤壁赋》和《项链》的单篇学习，这样的比较阅读会让学生更好地把握单篇的特点，丰富对作者及作品的认识。

A—定子电负荷/A/cm；

Bδ—气隙磁密/G。

综合考虑，长河坝发电机的定子铁心内径为12600mm，铁心长度为3100mm。

1.2.2 支路数与槽电流

对于42个磁极的水轮发电机，为满足绕组完全对称的条件，可选的支路数包括 1、2、3、6、7、14、21、42，发电机额定功率为650MW，额定电压为20kV，对应不同支路数时的支路电流与槽电流见表1。

表1 不同支路数对应的支路电流与槽电流

对于650MW的水轮发电机，采用全空冷方案时槽电流最好控制在5500～7000A左右，因此，最优的支路数为6，此时槽电流为6949A。

电负荷A是水轮发电机的主要技术、经济参数之一，它对发电机的主要尺寸、电抗和绕组温度等有直接影响。为控制电机的主要尺寸，必须尽量提高电机的利用系数，其表达式为：

A值的大小决定了定子内圆单位表面积所产生的绕组铜损的大小，因而直接影响温升和效率的高低。在定子铁心内径确定的前提下，选择不同的槽数可决定不同的A值，发电机定子槽数与电负荷的对应关系见表2。

表2 定子槽数与电负荷对应关系

对于650MW等级的全空冷水轮发电机，电负荷一般选取在800～900A/cm左右，可以获得合理的利用系数。另外，从控制热负荷、运行稳定域宽考虑，选择504槽方案是比较适宜的。

1.3 主要电磁参数

发电机主要电磁设计参数见表3。

表3 主要电磁设计参数

2 主要性能指标

2.1 电压波形畸变系数分析计算

电压波形畸变率是水轮发电机的重要性能指标，反映电压波形的正弦性[3]。应用运动网格时变电磁场有限元对长河坝发电机的空载线电压全谐波进行计算，结果如下：

空载线电压全谐波因数：0.648%。

空载磁场分布如图1所示。

图1 空载磁场分布

2.2 阻尼绕组稳态和瞬态特性分析计算

应用专用软件程序对长河坝发电机的阻尼系统进行全面分析计算。分析计算表明，对应额定容量长期不对称负荷运行工况，当负序电流的标么值为9%时，阻尼绕组的最高温升和温度值分别为44.6K和97.6℃。

在瞬态短路工况，阻尼系统的负荷能力按I22t≥40考虑，对应额定容量相间不对称突然短路的最高温升和温度值分别为58.7K和111.7℃；单相对地不对称突然短路的最高温升和温度值分别为52.9K和105.9℃。

在长期不对称负荷和突然不对称短路工况下，长河坝发电机的阻尼绕组温升计算值在运行实践和经验范围内，并具有一定的裕度，满足安全可靠运行要求。

2.3 定子线棒特殊换位分析计算

通常水轮发电机有3种换位方式：360°换位、不完全换位和空换位。为使定子绕组中环流引起的热损耗和发热量最小，以减小股线在槽部漏磁场中不同位置产生环流引起的附加损耗和股线间温差，应用电磁场有限元程序对不同的换位方式进行分析计算并计及集肤效应和电流密度的变化[4]。结果表明，定子线棒采用的最佳换位方式为325.71°不完全换位。

2.4 发电机误同期并网分析计算

发电机误同期并网时，将产生冲击电流，在发电机转轴上产生冲击转矩[5]。应用仿真软件程序对发电机120°和180°误同期并网时的U、V、W三相电流及电磁转矩瞬态过程进行全面分析计算，并计及发电机和水轮机机械系统及饱和的影响。计算结果见表4。

表4 误同期并网计算结果

2.5 定子绕组端部电动力分析计算

发电机发生短路或误同期工况时，将产生冲击电流，此时定子绕组端部受到冲击电动力，严重情况下致使绕组发生变形，影响机组安全运行[6]。应用计算软件对6种工况的定子绕组端部电动力进行分析计算，详见表5。从表5可知，120°误同期工况定子绕组端部承受的电动力最大。端部固定结构据此进行设计和核算，以满足机组安全可靠稳定运行要求。

表5 定子绕组端部电动力计算结果

2.6 短路电流分析计算

发电机突然短路时，绕组中产生强大的冲击电流，其值可达额定值的10余倍以上，进而产生强大的冲击电磁力，影响机组安全运行[7]。应用专用计算软件对发电机突然短路电流进行计算，同时考虑参数饱和的影响。额定容量对应短路电流各分量在不同时刻的计算值见表6、图2。

表6 额定容量对应短路电流分量计算值/kA

图2 三相突然短路电流随时间变化曲线

2.7 已经运行的类似机组

目前已经运行同转速的巨型电站有四川二滩550MW、四川锦屏一级600MW、青海拉西瓦700MW。主要电磁设计参数见表7。

表7 主要电磁设计参数

3 结论

本文通过分析水轮发电机主要尺寸与参数关系、支路数与槽电流关系、电负荷与定子槽数关系，确定了长河坝水轮发电机电磁方案。电压波形畸变系数、阻尼绕组稳态和瞬态特性、定子线棒换位、误同期并网、定子绕组端部电动力、短路电流等主要性能指标的分析结果表明，长河坝水轮发电机设计参数合理，其运行结果符合巨型水轮发电机设计经验，通过与类似容量运行机组比较，长河坝发电机具有运行安全可靠、稳定域宽、功率裕度大、易于调节及维护的特性。目前，4台机组均已发电，且运行良好。