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(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

多布水電站高海拔燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)概述

施明星，鄢幫國(guó)

(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

介紹了多布水電站高海拔燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。針對(duì)電站高海拔情況，通過電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)、定子防暈與絕緣海拔修正、轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化設(shè)計(jì)和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)選擇合適的軸流風(fēng)機(jī)，解決了在高海拔地區(qū)水輪發(fā)電機(jī)易起暈、放電和散熱困難等難題。

高海拔；燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)；電磁；結(jié)構(gòu)；防暈；絕緣；通風(fēng)系統(tǒng)；軸流風(fēng)機(jī)

0 引 言

多布水電站是位于西藏自治區(qū)林芝縣境內(nèi)，安裝了4臺(tái)單機(jī)容量為30 MW的燈泡式貫流機(jī)組，額定水頭16.7 m，多年來平均發(fā)電量為505.6 GWh。多布水輪發(fā)電機(jī)安裝高程為海拔3 041 m，是東方電氣東方電機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的首臺(tái)安裝在高程超過3 000 m高海拔地區(qū)的大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)。高海拔環(huán)境條件的特點(diǎn)是空氣稀薄、含氧量低、氣壓低、氣溫低，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生起暈電壓降低、空氣絕緣耐壓降低、散熱困難、溫升增加等影響。因此，按照常規(guī)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，已不能滿足特殊地理環(huán)境下的運(yùn)行要求。

1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

2 電磁設(shè)計(jì)概述

電磁方案設(shè)計(jì)是水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，決定著發(fā)電機(jī)總體尺寸控制、結(jié)構(gòu)布置和性能參數(shù)，面臨的綜合問題特別多。尤其對(duì)于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)來說，由于極數(shù)多、轉(zhuǎn)速低，受到影響流道及水力性能的燈泡體直徑限制，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑要小于常規(guī)發(fā)電機(jī)，難以像常規(guī)立式發(fā)電機(jī)那樣可以通過增大定子直徑來滿足通風(fēng)冷卻和結(jié)構(gòu)布置的要求。多布水輪發(fā)電機(jī)燈泡比為1.299，定子機(jī)座外徑僅為6 300 mm。為了使定子機(jī)座具有足夠剛強(qiáng)度和通風(fēng)間隙，定子鐵心外徑取值5 800 mm，定子鐵心長(zhǎng)度取值1 600 mm，而鐵心長(zhǎng)度與極距的比值高達(dá)4.61;同時(shí)，多布電站海撥高、氣壓低、空氣密度下降、空氣比熱容也降低，電機(jī)表面散熱系數(shù)較常規(guī)機(jī)組下降了17.6%，見表2。在此情況下進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，與常規(guī)燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)相比難度更大，需要特別考慮發(fā)電機(jī)的散熱問題。

表1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

表2 環(huán)境條件參數(shù)與電機(jī)散熱系數(shù)對(duì)照表

由于該電站海拔高，同等空氣流量換熱能力下降，為保證發(fā)電機(jī)的損耗能及時(shí)散發(fā)出去，不至積聚發(fā)熱，電磁方案從降低損耗和提高散熱能力方面進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1)降低定子電密，降低定子熱負(fù)荷；

2)定子線棒規(guī)格采用多股薄而窄的股線，減小股線渦流損耗；

3)增大定子槽深寬比，有利于定子線棒的散熱；

4)定子上、下棒線采用不同截面設(shè)計(jì)，以更加有效地利用槽深；

5)在保證定子有效鐵心高度的基礎(chǔ)上，增加通風(fēng)溝數(shù)量，從而增大定子散熱面積；

6)磁極沖片材料采用薄鋼板，降低磁極表面損耗。

3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

3.1 總體結(jié)構(gòu)

多布水輪發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)為水平燈泡貫流式結(jié)構(gòu)，主要由定子、轉(zhuǎn)子、組合軸承、通風(fēng)系統(tǒng)、燈泡頭、錐體、支撐及其他輔助部件組成。軸系采用雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)共用一根軸；正、反推力軸承位于轉(zhuǎn)子下游側(cè)，徑向軸承設(shè)置在轉(zhuǎn)子與正向推力軸承之間，推力軸承與徑向軸承共用一個(gè)油槽；通風(fēng)系統(tǒng)采用了外加軸流風(fēng)機(jī)的徑、軸向混合式強(qiáng)迫通風(fēng)方式。

3.2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.2.1 定子機(jī)座

定子機(jī)座采用鋼板焊接的軸向V型筋結(jié)構(gòu)，由于運(yùn)輸條件限制分為兩瓣，在工地安裝間內(nèi)組圓。

3.2.2 定子鐵心

定子鐵心采用薄的優(yōu)質(zhì)低損耗硅鋼片疊壓而成。定子鐵心和定子機(jī)座采用浮動(dòng)雙鴿尾筋進(jìn)行固定連接，來適應(yīng)定子的熱膨脹。定子鐵心采用絕緣穿心螺桿并在穿心螺桿的上游側(cè)增設(shè)蝶形彈簧的方式進(jìn)行壓緊，保證鐵心長(zhǎng)期壓緊而不松動(dòng)。

3.2.3 定子繞組

定子繞組采用1支路星形波繞組的結(jié)構(gòu)。定子線棒為單匝桿式，為了減小股線環(huán)流，采用小于360°的不完全換位方式[1]。其基本原理是：利用槽部各股線的磁不平衡感生電勢(shì)去補(bǔ)償股線回路中端部磁場(chǎng)的作用。根據(jù)定子線棒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算端部磁場(chǎng)引起的各股線的感生電勢(shì)和環(huán)流，計(jì)算線棒的環(huán)流損耗系數(shù)，求得最佳換位角度。如圖1所示，經(jīng)分析計(jì)算，得到小于360°換位時(shí)定子線棒平均環(huán)流系數(shù)曲線。因此，多布水輪發(fā)電機(jī)線棒采用了330°的換位角度，大大降低了因股線環(huán)流引起的損耗發(fā)熱。

圖1 定子線棒平均環(huán)流系數(shù)曲線

3.2.4 定子防暈和絕緣修正

對(duì)于在高海拔地區(qū)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)組，定子線棒與定子繞組的防電暈和絕緣性能至關(guān)重要，要求也更高。根據(jù)GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》的規(guī)定，當(dāng)海拔高度超過1 000 m時(shí)，起暈電壓的試驗(yàn)值應(yīng)按JB/T 8439 -2008《使用于高海拔地區(qū)的高壓交流電機(jī)防電暈技術(shù)要求》進(jìn)行修正。根據(jù)GB 311.1-2012《絕緣配合 第一部分：定義、原則和規(guī)則》要求，當(dāng)設(shè)備安裝在海拔高度高于1 000 m時(shí)，要對(duì)設(shè)備外絕緣的耐壓值進(jìn)行修正。

定子線棒和繞組的起暈電壓值海拔修正系數(shù)按照式1)進(jìn)行計(jì)算：

Kq=(1-kHs)/(1-kHA)

(1)

式中:Kq為線圈的起暈電壓修正系數(shù)，kV；k為起暈電壓隨海拔升高的遞減率，取為0.1，km-1；Hs為試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔，km；HA為安裝地點(diǎn)的海拔，km。

定子絕緣的工頻交流耐電壓值海拔修正系數(shù)按照式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中:Ka為海拔修正系數(shù)；H為設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔高度，m；q為指數(shù)(對(duì)于空氣間隙的短時(shí)工頻耐受電壓，取q=1[2])。

試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔高度約為500 m，多布電站海拔高度為3 100 m。根據(jù)式(1)與式(2)計(jì)算可以得到，定子線棒和繞組的起暈電壓試驗(yàn)值的修正系數(shù)為1.377,定子絕緣的工頻交流耐電壓修正系數(shù)為1.294。多布發(fā)電機(jī)定子的防暈和絕緣等級(jí)根據(jù)海拔修正系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)修正，定子線棒采用了絕緣性能更穩(wěn)定、更可靠的少膠VPI工藝。廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，定子線棒起暈電壓及絕緣耐電壓值均按修正后的試驗(yàn)電壓值進(jìn)行試驗(yàn)并合格，保證了發(fā)電機(jī)定子在高海拔地區(qū)的可靠運(yùn)行。

3.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

轉(zhuǎn)子支架為后傾斜支臂圓盤式結(jié)構(gòu)，由中心體輪轂、斜支臂和磁軛圈焊接組成。磁軛分6段，由優(yōu)質(zhì)厚鋼板焊接而成。轉(zhuǎn)子支架的筋板斜向設(shè)置，起后傾風(fēng)扇作用，通風(fēng)效率高，有利于徑向風(fēng)路通風(fēng)。轉(zhuǎn)子支架中心體通過聯(lián)軸螺栓與水輪機(jī)主軸法蘭把合在一起，并通過銷套傳遞扭矩。轉(zhuǎn)子支架上游側(cè)設(shè)有可拆的多塊制動(dòng)環(huán)。磁極裝配主要包括磁極鐵心和磁極線圈和阻尼繞組等，磁極裝配采用螺栓把合的方式固定在轉(zhuǎn)子支架上。

針對(duì)多布水輪發(fā)電機(jī)在高海拔地區(qū)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子磁極通風(fēng)散熱的要求更高，磁極線圈與磁極鐵心之間更易出現(xiàn)放電現(xiàn)象的問題，多布水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

1)磁極鐵心采用厚薄鋼板沖片疊壓而成，降低磁極表面損耗；

2)磁極線圈由帶散熱翅的異形銅排扁繞而成，散熱效果更好；

3)通過增大磁極托板厚度等措施，增大磁極線圈到磁極鐵心的爬電距離；

4)對(duì)磁極線圈試驗(yàn)?zāi)蛪褐蛋春０涡拚禂?shù)1.294進(jìn)行修正。

3.4 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

多布發(fā)電機(jī)采用密閉強(qiáng)迫自循環(huán)混合式通風(fēng)系統(tǒng),如圖2所示。 在定子上游側(cè)設(shè)有6個(gè)空氣冷卻器, 并相應(yīng)配有6個(gè)高原軸流風(fēng)機(jī)，一部分冷風(fēng)經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架, 并與轉(zhuǎn)子支架旋轉(zhuǎn)壓頭串聯(lián), 使冷風(fēng)通過磁軛和磁極后進(jìn)入氣隙, 再經(jīng)過定子通風(fēng)溝后由鐵心背部流出到達(dá)空氣冷卻器入口；另一部分冷風(fēng)由轉(zhuǎn)子支架下游側(cè)進(jìn)入, 軸向流經(jīng)定子全長(zhǎng)后, 到達(dá)空氣冷卻器入口；兩部分熱空氣匯合進(jìn)入冷卻器, 經(jīng)冷卻后進(jìn)入軸流風(fēng)機(jī), 形成完整的循環(huán)風(fēng)路。

圖2 發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

海拔高度上升，意味著大氣壓力和大氣溫度的降低，兩者對(duì)空氣密度的影響作用相反。由于多布發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，因此大氣溫度降低對(duì)空氣密度增加效應(yīng)可以忽略，只考慮大氣壓力降低對(duì)冷卻空氣密度的減小效應(yīng)?？諝饷芏冉档?，空氣體積比熱隨密度降低而減小，發(fā)電機(jī)的需求風(fēng)量會(huì)增加。以海平面高度為基準(zhǔn)，對(duì)多布水輪發(fā)電機(jī)在其所在高度運(yùn)行時(shí)的需求風(fēng)量進(jìn)行分析，見表3。

表3 發(fā)電機(jī)需求風(fēng)量分析

根據(jù)表3，發(fā)電機(jī)需要由冷卻系統(tǒng)帶走的損耗為555.34 kW。結(jié)合以往同類產(chǎn)品分析、計(jì)算和試驗(yàn)研究成果，要滿足冷卻需要，發(fā)電機(jī)在海拔3 041 m地區(qū)運(yùn)行所需要的空氣流量為35.4 m3/s，所需風(fēng)量增加了近43%。因此，解決高海拔因素對(duì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶來的影響，選擇合適的風(fēng)機(jī)至關(guān)重要。

將發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)等效成圖3所示的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)法[3]進(jìn)行電機(jī)風(fēng)阻特性求解，可求出發(fā)電機(jī)內(nèi)各部位的風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，以滿足需求風(fēng)量并留合適的裕度為目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型，最終得到風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)及電機(jī)的總風(fēng)量為39.9 m3/s，保證了通風(fēng)系統(tǒng)能為發(fā)電機(jī)各發(fā)熱部件的冷卻提供足夠的風(fēng)量，解決了高海拔條件下空氣稀薄對(duì)于發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

圖3 發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)等效計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

另外，多布發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)采用一次水循環(huán)方式，即經(jīng)空氣冷卻器熱交換后的熱水直接排進(jìn)河道，河水通過水泵加壓后注入冷卻器構(gòu)成水冷卻循環(huán)系統(tǒng)。高海拔地區(qū)一般河水溫度相對(duì)較低，多布水輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用一次水循環(huán)方式，冷卻效果更好。

4 結(jié) 語

多布高海拔燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)已于2016年1月17日全部成功投產(chǎn)發(fā)電，各項(xiàng)指標(biāo)及參數(shù)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與合同要求。由于高海拔地區(qū)氣候條件相當(dāng)惡劣，晝夜溫差大、氣溫低、空氣稀薄，從而對(duì)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)型式、材料選取、通風(fēng)冷卻方式、絕緣電氣性能等提出了一系列的課題[4]。通過電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)、定子防暈和絕緣海拔修正、轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化設(shè)計(jì)和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)選擇合適風(fēng)機(jī)，解決了在高海拔地區(qū)水輪發(fā)電機(jī)易起暈、放電和散熱困難等難題。發(fā)電機(jī)投運(yùn)后各部件溫升或溫度，見表4。

表4 發(fā)電機(jī)投運(yùn)后各部件溫升或溫度

西藏多布30 MW燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)是東方電氣東方電機(jī)有限公司自主設(shè)計(jì)制造的、目前高海拔地區(qū)已經(jīng)運(yùn)行的單機(jī)容量最大的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)。它的成功投運(yùn)，標(biāo)志東方電氣東方電機(jī)有限公司已經(jīng)掌握了高海拔地區(qū)大型燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與難點(diǎn)，為今后高海拔燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

[1] 陳錫芳.水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與維修[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[2] 劉雁,胡波，梁智明，等.海拔高度對(duì)發(fā)電機(jī)定子線圈常規(guī)絕緣性能的影響[J].東方電氣評(píng)論，2016，30 (4)：55-61.

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The characteristics of electromagnetic design and main structure design for high-altitude bulb tubular-turbine generator of DuoBu hydropower station are introduced. Aiming at the station in high altitude area, the difficult problems, that is, the corona is easily produced and it has difficulty with discharge and heat dissipation, are solved through the electromagnetic optimization design, the corona proof and insulation altitude correction of stator, the pole optimization design of rotor, and selecting appropriate axial fan for ventilation system.

high altitude; bulb tubular-turbine generator; electromagnetic; structure; corona proof; insulation; ventilation system; axial fan

TM312

A

1003-6954(2017)06-0058-03

施明星(1986)，工學(xué)碩士、工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作；

鄢幫國(guó)(1983)，工學(xué)學(xué)士、高級(jí)工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作。

2017-09-15)