李存鵬，黃 浩，李金香

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150040)

1 前言

汽輪發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組是發(fā)電機(jī)損耗發(fā)熱最大的兩個(gè)部件[1]。冷卻定子繞組有內(nèi)冷和外冷（表面散熱）兩種方式。定子繞組的外冷是由冷卻介質(zhì)將銅導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量經(jīng)過主絕緣間接帶走的一種方式，但冷卻的效果受絕緣溫降高的制約。本文介紹定子繞組外冷的汽輪發(fā)電機(jī)，通過采用三支路繞組的接線方式來降低定子線棒溫升的方法。

通過電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少定子繞組損耗、提高定子繞組通風(fēng)散熱能力、降低定子繞組溫升對提高定子繞組外冷汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量尤為重要。一般措施如下：

（1）降低發(fā)電機(jī)定子電流和電密；

（2）減薄定子線棒主絕緣，減小絕緣熱阻；

（3）增加線棒股線數(shù)和采用有效換位技術(shù)降低定子線棒的附加損耗；

（4）加大風(fēng)量；

（5）增加定子線棒散熱面積。

計(jì)算分析表明，受發(fā)電機(jī)容量﹑電壓﹑效率﹑短路比和成本等關(guān)鍵條件限制，上述(1)～(4)項(xiàng)措施對解決定子線棒溫升問題的貢獻(xiàn)極其有限，只有第(5)項(xiàng)是最為有效的方法。

2 三支路繞組

對于常規(guī)60°相帶的3相﹑2極﹑雙層﹑整數(shù)槽繞組的汽輪發(fā)電機(jī)，支路對稱定子繞組最多可能的并聯(lián)支路數(shù)為2，如果并聯(lián)支路數(shù)大于2，定子繞組各支路間勢必會因?yàn)橹冯妱莶黄胶舛a(chǎn)生電勢差和支路環(huán)流損耗問題。這種不平衡用不對稱度[2]表示，取各支路電勢中最大的Umax和最小的Umin，則支路電勢不對稱度ΔU為：

不對稱度值越小，對稱情況越好，支路環(huán)流越小。

支路不對稱可分為三種情況：幅值不對稱﹑相位不對稱和幅值相位均不對稱。由于第三種不對稱繞組較為復(fù)雜，汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)一般不予采用。因此，按支路合成電勢最大﹑各支路間電勢差最小的設(shè)計(jì)原則，并考慮生產(chǎn)工藝實(shí)際，3支路繞組只能是將每個(gè)極相組的繞組按相位差為一個(gè)槽距角連成3個(gè)支路（如圖1所示，暫稱其為極相支路），然后再將兩個(gè)極下的6條極相支路兩兩串接形成3支路。

圖1 三支路繞組接線

兩個(gè)極下的6個(gè)極相支路兩兩串接可能的串接方式理論上有15種，但為了盡量減小支路間電勢差和環(huán)流損耗，使支路合成電勢最大﹑各支路間相角差最小、諧波磁勢幅值盡可能小，則應(yīng)采用3個(gè)支路的合成相位相同（如圖2和圖3所示，稱為同相接線）或合成電勢相同（如圖4所示，稱為非同相接線）兩種接線方式。

圖2 同相接線1

圖3 同相接線2

圖4 非同相接線

3 定子槽數(shù)選擇

對于常規(guī)的3相2極整數(shù)槽汽輪發(fā)電機(jī)，并聯(lián)支路數(shù)為3的定子槽數(shù)應(yīng)為18的倍數(shù)。理論上可選的定子槽數(shù)為18﹑36﹑54﹑72﹑90…。實(shí)際上，如選用54槽則僅相當(dāng)于2支路的36槽，由于槽數(shù)過少，電機(jī)體積較大，所需的勵(lì)磁安匝多，電壓波形不好，附加損耗大；而90槽雖然相當(dāng)于2支路的60槽，但由于槽數(shù)過多，下線困難，無效用銅多，線棒/線圈制造和下線工時(shí)多。所以，72槽幾乎成了2極汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組三支路設(shè)計(jì)的唯一理想方案。

4 三支路繞組的計(jì)算

根據(jù)電機(jī)學(xué)和交流電機(jī)繞組理論推導(dǎo)可知，對稱支路繞組的絕大部分計(jì)算方法仍然適用于三支路繞組，但在繞組系數(shù)[3]、不對稱度和支路環(huán)流損耗等幾個(gè)方面存在較大差異，而且這幾個(gè)參數(shù)因接線方式而不同。

科研中運(yùn)用有限元法對HEC空冷350MW汽輪發(fā)電機(jī)（3相﹑2極﹑定子槽數(shù)為72﹑并聯(lián)支路數(shù)為3）設(shè)計(jì)方案分析表明，非同相接線時(shí)繞組支路間的環(huán)流較大，環(huán)流損耗大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，故實(shí)際電機(jī)不宜選用此種接線；同相接線的兩種方式雖然具體形式不同，但其本質(zhì)是一樣的，分析結(jié)果見表1。

表1 有限元方法計(jì)算結(jié)果

工程實(shí)際中常用解析法進(jìn)行電磁計(jì)算。通過繪制繞組槽電勢星形圖，用解析法推導(dǎo)出同相接線三支路繞組的繞組系數(shù)、不對稱度和環(huán)流損耗的算式如下。

4.1 繞組系數(shù)

按上述接線方式和分析方法推導(dǎo)可知，支路不對稱繞組短距系數(shù)kp1和對稱繞組的短距系數(shù)計(jì)算公式是一致的：

式中，β為短距比。

三支路繞組分布系數(shù)與接線方式有關(guān)，應(yīng)先從極相支路入手，逐級深入。通過用向量平移作圖推導(dǎo)分析可知，同相接線時(shí)，支路2的繞組分布系數(shù)為：

其余兩條支路的繞組分布系數(shù)為：

式（3）和（4）中，α為槽距角，'α為同一支路相鄰線棒間的槽距角，'q為每極相支路槽數(shù)。

4.2 不對稱度和支路電勢差

同相接線時(shí)，每相三個(gè)支路電勢的時(shí)間相位相同，其中支路1和支路3兩個(gè)支路的電勢相等并小于支路2的電勢，電勢不對稱度為：

支路電勢差為：

式（5）和（6）中，α為槽距角，U?為相電壓。

4.3 支路環(huán)流損耗

同相接線中，1﹑3兩個(gè)支路的電流相等，其兩個(gè)支路的電流和與2支路的電流大小相等，方向相反，支路環(huán)流損耗為：

式（5）中，R1(115)為115℃時(shí)的相電阻

支路環(huán)流損耗應(yīng)計(jì)入定子繞組附加損耗。

注：用解析法計(jì)算兩種同相接線的電磁參數(shù)是相同的，而用有限元法計(jì)算則略有不同，且與解析法計(jì)算結(jié)果也有出入，這是因?yàn)橛邢拊ㄓ?jì)算既考慮了詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)的影響又考慮了電機(jī)的飽和及諧波對電壓的影響。實(shí)際證明，上述差別都在可接受的范圍內(nèi)，解析計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程需要。

5 結(jié)論

實(shí)際運(yùn)行和計(jì)算分析表明，在定子繞組外冷汽輪發(fā)電機(jī)中運(yùn)用三支路繞組設(shè)計(jì)是解決定子繞組溫升的有效手段，可大幅提高單機(jī)容量，因定子繞組支路不對稱引起的環(huán)流損耗和附加溫升也在可接受的范圍內(nèi)。

[1]汪耕, 李希明, 等. 大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000.

[2]李林合. 大型水輪發(fā)電機(jī)支路不對稱定子繞組連接問題的探討[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2006, (2).

[3]湯蘊(yùn)璆, 史乃.電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2001.