清江隔河巖水電站306MW水輪發電機核心技術簡述

劉文進

(上海福伊特水電設備有限公司，上海 200240)

隔河巖水電站位于湖北省長陽縣清江上游9km處,距離葛洲壩電站60km。水電站總裝機容量1200MW,安裝4臺單機306/300MW 立軸混流式水輪發電機組,其中 2臺單機容量為306MW的機組是從加拿大進口;另外2臺單機容量為300MW的是國產機組,其自動化元件和勵磁系統通過“等比換貨”方式進口。1、2號機組由加拿大聯合體(MIL公司,GE公司)負責設計、制造;3、4號機組由中國聯合體(哈爾濱電機廠責任有限公司、武漢長江動力股份有限公司)負責設計、制造。

水電站年發電量3.04×109kW ?h,年利用小時數為2530 h,在系統中擔負調峰和調頻任務,整個電站已于1994年建成。水電站俯視如圖1所示,1、2號發電機總裝配如圖2所示。

圖1 清江隔河巖水電站俯視圖

1 水輪發電機的基本參數

水輪發電機的基本參數如表1所示。

表1 水輪發電機的基本參數

2 核心技術特點

2.1 定子斜槽

該發電機額定轉速為136.4 r/min,44個極。根據電磁計算原理,其可選槽數見表2。MIL公司的1、2號發電機選擇528槽方案,即每極每相槽數q為4的整數槽方案。根據電機學基本原理,知道這個方案在定子接線和避免振動等方面均優于分數槽方案,但其缺點是波形畸變率較大和易產生電話干擾。采用整數槽繞組,對于具有阻尼繞組的水輪發電機,將會由于定子槽開口引起的氣隙磁導周期變化產生磁通的脈動,從而在阻尼繞組中感應高頻電流。該高頻電流的附加磁場將在定子繞組中感應諧波電勢,引起定子電勢波形畸變[1]。MIL公司的技術人員還提出了整數槽繞組會產生繞組循環電流的概念。

表2 可選槽數表

對于整數槽繞組的發電機,在電磁設計時,通常采取以下措施改善電壓波形:①定子鐵芯采用斜槽;②選擇適當的阻尼繞組節距;③選擇較大的q值,q值越大,其齒諧波次數越高,諧波含量越少;④減少定子槽寬與氣隙的比值;⑤選擇適合的極弧系數;⑥采用實心磁極[1]。

MIL公司電磁設計時采取了上述5項措施(除采用實心磁極以外),現重點介紹定子斜一個槽距對波形的改善和磁極極靴采用多段弧均勻氣隙改善極弧系數這兩項措施。

2.2 定子斜槽對波形的改善

對整數槽繞組及其電勢分析表明,當發電機定子繞組采用短距和分布繞組等措施時,可以消除諧波電勢,能改善電勢波形。但在水輪發電機中,由于轉速的緣故,一般都是極數很多,由于槽數的限制,每極每相槽數不可能太多。這時若采用較小的q值,一方面不能利用分布效應來消弱磁極磁場的非正弦分布所感應的諧波電勢;另一方面也使得齒諧波的次數較低而幅值較大;再有就是由于齒諧波的繞組系數與基波繞組系數是相同的,故不能用上述辦法來消弱齒諧波電勢,只有改用分數槽或采用斜槽才能消弱齒諧波電勢,改善電勢波形[2]。

如圖3所示,tsk為定子線棒上下端在鐵芯長度段內斜的水平距離,則對v次諧波斜槽系數為

圖3 定子斜一個槽距(單位:mm)

如果用斜槽辦法來消除v次諧波,即使

為了同時消弱2mg+1和2mg-1次諧波,取

這里的Ksk1是當 v=1時Kskv值。

由此可見,當定子線棒采用斜一個槽距t1后,對2 mg±1次齒諧波電勢消弱,從而電勢波形得到改善。

2.3 “N-S極對稱繞組”及循環電流的抑制

在電磁設計時,應充分考慮定子繞組支路數與槽電流的匹配關系,以及根據電機學理論中的發電機對稱條件來選取支路數,只有選4個支路才滿足上述條件。

但這里需要強調的是,針對極數2P=44極的發電機而言,采用4支路,則每支路為11極即構成每支路包含的極數為奇數。這樣一來,如果是以N極開頭的支路,結尾還是N極;如果是以S極開頭的支路,結尾仍是S極。再加上支路數為偶數,就構成了所謂的“N-S極對稱繞組”,如圖4所示。MIL公司技術人員強調,具備“N-S極對稱繞組”的電路,在并聯支路中會產生循環電流。通過測量空載時的振動,就可以判斷支路中循環電流的大小。采用這種電磁設計的發電機,不但絕緣壽命會有所影響,而且也伴隨著振動,對電話亦有干擾。因此,MIL公司規定,對整數槽繞組的發電機電磁設計,必須認真對待,通常都必須進行波形分析計算,諧波頻率應遠離工頻(100Hz)至少在120%以上;特別是整數槽繞組,又構成“N-S極對稱繞組”的發電機,MIL公司認為有必要采取定子斜槽的措施來消弱齒諧波和減少“N-S極對稱繞組”循環電流所產生的影響。

圖4 “N-S極對稱繞組”循環電流示意圖

實例:MIL公司曾經為LG-2電站提供了8臺水輪發電機,其參數如下:

額定容量為 370 MVA;額定轉速為133.3 r/min;額定頻率為60Hz;并聯支路數為6;每極每相槽數為3;極數為54。

由以上參數可見,該發電機為整數槽繞組,共54個極,分6支路,為偶數,則每支路9個極是奇數,即構成了所謂的“N-S極對稱繞組”。MIL公司對這個問題進行過專題研究,為了避免出現齒諧波和循環電流,在設計時定子采用了斜槽的措施。目前機組投運平穩,線圈溫差不大,機組振動也較小;而GE公司為LG-2提供的其他機組,因沒有采用斜槽或其他有效的措施,運行時不但鐵芯伴隨有較大的振動(100Hz諧波振幅50 μ m以上),而且噪聲和線圈溫差也較大。用戶對有問題的發電機進行了感應電勢、諧波和振動的實測。測量數據證實了每個支路感應電勢相差很大,支路電流不平衡和有循環電流的存在。

2.4 實現定子線棒斜槽的工藝技術

從理論上講,如果采用數控沖床沖制定子鐵芯扇形片的工藝技術,可以做到每層沖片槽形位置漸變,這樣疊片后可以沿軸線方向使得槽傾斜,而且槽的內壁過渡比較平滑。但是,鑒于每臺機定子鐵芯沖片凈重約200 t,沖片加工至少需2.5個月以上。制造周期長,且在工地疊片時,必須按編碼疊片,沒有互換性。如果發生沖片損壞或丟失,將會造成極大的混亂,在工程實際上不易操作和管理。

MIL公司實現斜槽的辦法是將定子鐵芯的定位筋斜一個槽距。由于定位筋分布在φ 124 m的圓柱面上,斜一個槽距在軸線垂直平面投影上只傾斜2°左右,定位筋上中下各點的半徑基本相等,圓柱面對槽形的螺旋影響可以忽略。在工藝上,定位筋通過點焊固定好上下2點,中間通過C型夾工具往外徑方向拉,根據圖紙尺寸到位后點焊固定,其余工藝與直槽定位筋焊接工藝基本沒有區別。斜定位筋設計尺寸如圖5所示。工地實作記錄:未滿焊的定位筋半徑為6210±0.35mm,最后一組定位筋弦距誤差在0.25mm以內,最終滿焊后定位筋半徑為6210±0.5mm。1號機設計槽寬23.8mm,線棒設計寬度23.4mm,間隙由不同厚度的U型半導體紙填充,雙邊0.02mm 過盈緊量。實際上,通過1、2號發電機定子鐵芯在工地疊片、線圈機坑下線的工程實踐,證實了采用定位筋實現定子斜槽的工藝是比較簡單和可行的。

2.5 均勻氣隙

根據電機學理論,凸極同步發電機的氣隙一般是不均勻的。磁極極靴邊緣處的氣隙為最大氣隙長度δmax,極靴中心處的為最小氣隙長度δmin,為使主極磁場接近正弦分布,采用δmax/δmin=1.5。

圖5 定子斜定位筋裝配圖

MIL公司設計的水輪發電機大都采用均勻氣隙,即δmax/δmin=1.0。嚴格來講,磁極極靴外圓弧是由3段或5段組成的多段弧,中間一段弧約為極距30%～45%是與定子鐵芯內徑同心的,即形成的氣隙是均勻的,兩邊各有2段圓弧相切構成連續多段圓弧。MIL公司極靴外緣多段弧尺寸是由名為“Magnet”極靴形狀有限元優化程序計算分析確定的,與定子是否采用斜槽無關。優化的目的是為了使主極磁場更加接近正弦分布,同時減少諧波分量的幅值,改善電機參數[3]。從有限元計算結果可見,優化極靴形狀的明顯好處是大大減少了極間漏磁通[4]。過去一個階段,我國傳統的凸極同步發電機一直沿用δmax/δmin=1.2～1.5一段弧的不均勻氣隙。這種傳統結構,對于巨型水輪發電機而言,其磁極極靴端部漏磁較大,是造成定子繞組發熱,產生股線環流的主要原因。不均勻氣隙形成的氣隙磁密和齒磁密分配也不均勻,這樣的氣隙磁密和齒磁密利用率較低。據MIL公司介紹,不均勻氣隙導致磁路損失達8%～10%。我國早期引進的八盤峽、富春江等水電機組的發電機也都是采用多段弧的均勻氣隙結構。近幾年引進的機組,如三峽左岸發電機(原ABB公司設計),其磁極極靴也都是采用多段弧的均勻氣隙結構。據統計,ALSTOM和VOITH的大型同步發電機一般也都采用均勻氣隙結構。

2.6 定子線棒股線換位

定子線棒采用空換位或不完全換位,都是通過人為地制造槽中主磁通感應產生附加電勢來抵消端部漏磁通在線棒端部感應出來的電勢,使同一線棒各股線之間的電流基本均勻,從而達到消除線棒中股線溫升過高問題。但這種方法是屬于被動的措施,并沒有從根本上減少端部漏磁的產生和作用,因為定子線棒中股線溫差主要是由發電機轉子勵磁磁通引起的。

是否需要采取特殊換位技術,完全取決于定子端部漏感電勢的大小,對于不同結構的機組不能一概而論。MIL公司認為,目前的不完全換位或空換位還不完全適合于他們設計的機組。國外設計的機組磁極形狀復雜,邊界條件難以簡化模擬,采用特殊換位后,計算的換位角度與實際最佳換位角度有較大的偏差,從而使減損效果大打折扣。有的機組反而造成了股線環流增大、線棒溫差變大的情況發生。對此,國內《大電機技術》、《水電站機電技術》等刊物已發表過許多論證文獻[5]。

對于減少端部漏磁,MIL公司則是從定、轉子的幾何形狀設計入手,如前面提到了磁極采用特殊的多端弧極靴、矩形銅排、特殊材料和形狀的磁極壓板結構等,以及定子鐵心端部采用特殊尺寸臺階或齒部開槽等措施。通過定、轉子優化結構的相互配合,可從根本上消減產生股線環流的附加感應電勢,進而達到降低股線最高溫度、提高絕緣適用壽命的目的。

1、2號發電機繞組在整個定子鐵心長度上采用羅貝爾360°的股線全換位,而國產的3、4號發電機則采用不均勻氣隙和定子線棒316°不完全換位。圖6為發電機定子及轉子安裝現場。隔河巖機組多年的運行實踐證明,這兩種設計都可以減少因股線在磁場中不同位置,以及因槽部漏磁產生的循環電流而引起的附加損耗,達到降低股線電勢差及溫差的效果。

圖6 發電機定子及轉子安裝現場

3 結 語

隔河巖水電站引進的306MW水輪發電機是國內罕見的采用了定子斜槽技術的大型水輪發電機,具有一定的技術特色,代表了當代世界水電機組技術的多樣性,對設計研發具有實用的參考價值。尤其是定子斜槽,工藝簡單,而且從根本上解決了整數槽發電機齒諧波帶來的運行隱患。建議在特殊機組上,如貫流或蓄能電站的整數槽機組上推廣采用。對巨型同步發電機,如果選用整數槽方案,又恰好構成了“N-S極對稱繞組”,那么根據國外經驗采用斜槽工藝技術改善性能消除隱患,還是有可取之處的。

國外廠家認為,所謂的“N-S極對稱繞組”會產生循環電流。這種說法至今國內未見文獻報道,屬電機學空白領域,尤其是有些電站的發電機采用了整數槽,其振動、發熱是否與此有關,應做進一步分析研究和電站實測。對于國內傳統的凸極同步發電機極靴形狀,建議不斷改進和優化設計,以提高氣隙磁密的利用率和減少極靴端部漏磁,從根本上消減線棒產生股線環流的附加感應電勢。

隔河巖發電機多年實際運行證明,定子斜槽、羅貝爾360°股線全換位,配合減少端部漏磁的有效措施,既可以降低成本,也完全可以滿足用戶要求,這些技術極有推廣利用價值。

[1]白延年.水輪發電機設計與計算[M].北京:機械工業出版社,1982:49.

[2]陳鐵華,趙萬清,郭 巖.水輪發電機原理及運行[M].北京:中國水利水電出版社,2009:57-88.

[3]楊仕友,唐任遠,劉文進,等.凸極同步電機極弧優化設計中電磁場逆問題的求解計算[C]//1994第五屆理論電工學術討論會論文集.北京:中國電工技術學會理論電工專業委員會,1994.

[4]楊仕友,唐任遠,劉文進,等.模擬退火算法及其在凸極同步電機電磁場逆問題中的應用[C]//1994第五屆理論電工學術討論會論文集.北京:中國電工技術學會理論電工專業委員會,1994.

[5]成德明.端部漏磁給水輪發電機運行帶來的影響及相應對策[J].水電站機電技術,2008,5:1-5.