敦化发电电动机电磁设计

周波，马信武，訾士才

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

国内对于高转速大容量，特别是额定转速为500r/min的发电电动机设计、制造经验尚不十分丰富，技术储备比较缺乏。而随着国民经济的快速发展，国内一批700m左右及以上的超高水头大容量抽水蓄能电站正在或有待建设，如阳江、敦化、长龙山、洛宁、平江、浑源等电站。因此，依托敦化发电电动机对此类电磁设计进行研究，研究成果将为后续类似项目提供宝贵经验及技术储备，特别是长龙山、洛宁、平江发电电动机的容量和转速与敦化完全相同。

1 额定数据及主要性能要求

发电工况额定容量：388.9MVA

电动工况轴输出功率：≥373MW

额定电压：18kV

额定功率因数：0.9(发电工况)

0.975(电动工况)

额定频率：50Hz

额定转速：500r/min

飞逸转速：740r/min

飞轮力矩GD2：≥4000 t·m2

冷却方式：全空冷

短路比：≥0.93

直轴瞬态电抗X′du：≤0.325

直轴超瞬态电抗X″du：≥0.195

2 电磁设计

2.1 定子铁心内径确定

电机的定子铁心内径选取通常考虑以下主要因素

(1)电负荷和磁负荷应在合理的取值范围内，并使X′d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，自然满足机组GD2要求；

(3)满足发电机本身通风冷却的要求；

(4)转子机械强度允许的最大圆周速度。

对于超高水头、大容量的敦化发电电动机，主要考虑的是转子部分的机械强度，由于机组的飞逸转速较高，因此定子铁心内径不宜选取过大，直径过大将会增加磁极、磁轭材料的采购难度。同时也不宜过小，铁心内径太小，将影响电机的通风冷却及轴系稳定性。为了选取更为合理的定子铁心内径，对以往类似机组进行了统计，详细数据详见表1。

表1 额定转速为500r/min电站的定子铁心内径统计

表1数据统计，300MW、500r/min发电电动机定子铁心内径取值在4400～4800mm之间，由于敦化发电电动机额定功率超过300MW，定子铁心内径取值在转子材料应力允许的情况下，应尽量选大些。根据当时转子应力计算成果，最终定子铁心内径确定为4840mm。

2.2 槽电流和电负荷选取

槽电流与发电机的容量、电压、并联支路数、绕组型式及冷却方式等有关。槽电流太小，表明发电机有效材料的利用较差、不经济，且槽距过小可能导致定子绕组安装困难；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，可能会产生绕组局部发热，在工艺上由于线圈表面增大，使制造较复杂。

电负荷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。电负荷的取值与每极容量、绝缘等级以及冷却方式有关。

敦化发电电动机为大容量、高转速，槽电流及电负荷均不宜选取过低。为了选取更为合理的槽电流及电负荷，对以往类似机组进行了统计，详细数据详见表2。

表2 300MW及以上发电电动机槽电流和电负荷统计

敦化发电电动机不同并联支路下的槽电流详见表3，不同定子槽数下的电负荷详见表4。

表3 敦化发电电动机不同并联支路数下的槽电流

表4 敦化发电电动机不同槽数下的电负荷

表2数据统计显示，类似的发电电动机槽电流值范围是5079～7142A，电负荷值范围是713～884A/cm。

根据表3槽电流计算，当并联支路数为3时，槽电流值为8316A，明显偏大，不适用于全空冷结构，不可选。当并联支路数为4时，槽电流值为6237A，在统计数据范围内之间，且非常理想。当并联支路数为6时，槽电流值为4158A，明显偏小，不在统计数据范围内之间，不宜优先选取。因此，对于敦化发电电动机，并联支路选4是更为合理的，此时槽电流为6237A。

敦化发电电动机极数为12，所选支路数为4，为保证定子绕组的对称，定子槽数只能选每极每相槽数为整数的槽。表4数据显示，当定子槽数选252槽时，电负荷值为1044A/cm，明显偏高，不适合全空冷结构，不可选。当定子槽数选180槽和216槽时，电负荷值分别为746A/cm和895A/cm，均在合理选值范围内，考虑到敦化发电电动机转速较高，为提高机组轴系稳定性，发电电动机利用率应尽量选高些，以降低定子铁心高度，电负荷选取偏上限更为合理。因此，从综合因素考虑，敦化发电电动机最终定子槽数选216槽，此时电负荷为895A/cm。

2.3 定、转子绕组电流密度选取

对于全空冷发电(电动)机，通常定子绕组的电流密度取值范围为2.5～3.5A/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。对于大型空冷发电电动机而言，热负荷宜在2500A2/c m·mm2以内，最大不应超过2700A2/c m·mm2。最后经过计算，敦化发电电动机定子绕组电流密度选取2.79A/mm2，此时热负荷为2494A2/c m·mm2。

敦化发电电动机转子绕组采用散热匝结构。转子绕组电流密度平均值选值通常不高于2.5A/mm2。对于高转速、大容量发电电动机，转子的电磁设计难度最大，由于发电电动机直径较小，在控制转子磁极极身根部磁通密度不过大的情况下，想降低转子绕组电流密度难度较大。最终经过综合考虑，敦化发电电动机转子绕组电流密度为2.71/2.34A/mm2(普通匝/冷却匝)，此时转子磁极极身根部磁通密度为1.757T，为哈电设计的发电电动机最高值。

从降低转子温度角度上看，转子绕组宜考虑双面通风冷却结构，以改善转子绕组散热条件，但由于当时我公司仍在对转子绕组双面通风冷却结构研究过程中，技术还并不成熟，从机组安全可靠性考虑，敦化发电电动机转子绕组最终未采用双面通风结构。

2.4 磁负荷

与电机磁路相对应的主要磁通密度有气隙磁通密度Bδ、定子齿部磁通密度Bt、定子轭部磁通密度Bj及极身根部磁通密度Bm。

气隙平均磁通密度Bδ和电负荷一样，对发电机的利用系数影响较大，Bδ越大发电机的利用系数就越高，但Bδ值的提高受铁心所用硅钢片饱和的限制。哈电计算程序计算的Bδ是平顶波的峰值，取值范围在0.8～1.01T之间，敦化发电电动机Bδ最终设计值为0.948T。

定子齿部磁通密度Bt的取值受槽电流的影响，槽电流选值偏大时，Bt取值可偏小些。我公司计算程序计算的Bt是平顶波的峰值，正常情况下，定子齿部最窄处的Bt取值不宜超过1.85T，敦化发电电动机Btmin最终设计值为1.778T。

定子轭部磁通密度Bj正常取值为1.2～1.3T。由于敦化发电电动机的转速较高、容量较大，定子冲片的径向宽度较宽，为保证定子铁心叠片压紧质量，定子冲片的径向宽度不宜过宽，因此为了控制定子冲片的径向宽度，敦化发电电动机的Bj取值比正常选值要高些，经过综合考虑，Bj最终取值为1.352T，此时定子冲片径向宽度为655mm。

敦化发电电动机磁极采用塔形向心结构，磁极极身根部较窄，极身根部磁通密度Bm较大。在电磁设计时，已在尽量考虑将磁极极身根部宽度加大，但由于电机直径尺寸偏小，极身根部宽度受到一定限制，最终极身根部宽度为615mm，此时Bm计算值为1.757T，为哈电设计机组中Bm取值最大的，负载时极身磁通密度为1.825T，负载时极身磁通密度最大不能超过1.85T。

2.5 通风冷却

为了提高敦化发电电动机通风冷却效果，在电磁设计时将定子通风沟高度由以往的6mm优化为5mm，在通风截面积不变的情况下，通风沟数量增加了20%，增大定子铁心的散热面积，可有效降低定子的温度。

2.6 发电电动机主要技术参数

按照上述选值理论，对敦化发电电动机进行了电磁设计，主要技术参数，此电磁设计已应用于哈电设计的敦化发电电动机上。

敦化发电电动机主要技术参数如下。

发电电动机结构型式立轴悬式；发电工况额定容量388.9MVA；电动工况轴输出功率≥373MW；额定电压18kV；额定功率因数0.9(发电工况)，0.975(电动工况)；额定频率50Hz；额定转速500r/min；最大飞逸转速740r/min；相数3；发电机飞轮力矩≥4000 t·m2；额定电流12474A；冷却方式全空冷；定子槽数216；每极每相槽数6；每相并联支路数4；槽电流6237A；电负荷895A/cm；定子绕组电流密度2.79A/mm2；定子铁心外径6150mm；定子铁心内径4840mm；定子铁心长度3200mm；转子外圆最大周速184m/s；定、转子最小气隙长度50mm；转子绕组匝数32+16(普通匝/冷却匝)；转子绕组线规5.6×112/130mm；转子绕组电密2.71/2.34A/mm2；气隙磁密0.948T；定子齿磁密1.778T；定子轭磁密1.352T；磁极极身根部最大磁密1.757T；直轴同步电抗Xdu(不饱和值)1.16p.u.；直轴瞬变电抗(不饱和值)0.318p.u.；直轴超瞬变电抗(饱和值)0.215p.u.；交轴同步电抗Xqu(不饱和值)0.80p.u.；交轴超瞬变电抗(不饱和值)0.203p.u.；零序电抗X0u(不饱和值)0.128p.u.；负序电抗X2u(不饱和值)0.216p.u.；定子漏抗0.128p.u.；短路比0.94；直轴瞬态短路时间常数直轴瞬态开路时间常数交轴超瞬态开路时间常数定子绕组短路时间常数Ta0.635s；空载励磁电流925A；空载励磁电压120V；额定励磁电流1698A；额定励磁电压311V；最大励磁电流1763A；最大励磁电压323V；定子绕组115℃时电阻0.001021Ω；转子绕组115℃时电阻0.1745Ω；定子绕组每相电容1.129μF；定子绕组每相对地电容电流3.69A；发电机工况进相容量169.5MVar；调相容量(发电工况)253MVar；发电机工况额定效率98.80%；电动机工况额定效率98.91%。

3 结语

敦化是国内首个额定转速为500r/min及以上，单机容量达到350MW的发电电动机，设计难度非常大。

在电磁设计过程中，调研了已运行的其他类似电站，并在此基础上，确定更为合理的电磁选型，并采取优化改进措施，如尽量提高电负荷、降低定子通风沟高度从而增加通风沟数量、提高定子轭部磁通密度取值。

敦化发电电动机的电磁设计为后续转速为500r/min、单机容量为350MW及以上的发电电动机设计提供了技术储备和经验。通过敦化发电电动机设计研究，高转速大容量发电电动机主要的设计难度在于转子，轴系稳定性、转子绕组通风冷却、磁极根部最大磁密等均与转子设计相关，而改善或降低这些方面的设计难度最有效的方法就是增大定子铁心内径，但此方面又受到转子应力的限制。因此如何增大定子铁心内径且保证转子安全性是高转速大容量发电电动机将来的一个主要研究方向。再有就是研究改善转子通风冷却的措施，如转子绕组采用双面通风。