，

(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

多布水電站高海拔燈泡貫流水輪發(fā)電機設(shè)計概述

施明星，鄢幫國

(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

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

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

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臺單機容量為30 MW的燈泡式貫流機組，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)電機安裝高程為海拔3 041 m，是東方電氣東方電機有限公司設(shè)計制造的首臺安裝在高程超過3 000 m高海拔地區(qū)的大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機。高海拔環(huán)境條件的特點是空氣稀薄、含氧量低、氣壓低、氣溫低，對水輪發(fā)電機會產(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)機組進行發(fā)電機設(shè)計，已不能滿足特殊地理環(huán)境下的運行要求。

1 發(fā)電機基本參數(shù)

發(fā)電機基本參數(shù)如表1所示。

2 電磁設(shè)計概述

電磁方案設(shè)計是水輪發(fā)電機設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，決定著發(fā)電機總體尺寸控制、結(jié)構(gòu)布置和性能參數(shù)，面臨的綜合問題特別多。尤其對于燈泡貫流式水輪發(fā)電機來說，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)電機轉(zhuǎn)子直徑要小于常規(guī)發(fā)電機，難以像常規(guī)立式發(fā)電機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)電機燈泡比為1.299，定子機座外徑僅為6 300 mm。為了使定子機座具有足夠剛強度和通風(fēng)間隙，定子鐵心外徑取值5 800 mm，定子鐵心長度取值1 600 mm，而鐵心長度與極距的比值高達4.61;同時，多布電站海撥高、氣壓低、空氣密度下降、空氣比熱容也降低，電機表面散熱系數(shù)較常規(guī)機組下降了17.6%，見表2。在此情況下進行電磁設(shè)計，與常規(guī)燈泡貫流水輪發(fā)電機相比難度更大，需要特別考慮發(fā)電機的散熱問題。

表1 發(fā)電機基本參數(shù)

表2 環(huán)境條件參數(shù)與電機散熱系數(shù)對照表

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)電機的損耗能及時散發(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行如下優(yōu)化設(shè)計：

1)降低定子電密，降低定子熱負荷；

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，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)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

3.1 總體結(jié)構(gòu)

多布水輪發(fā)電機整體結(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。軸系采用雙支點雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)電機與水輪機共用一根軸；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油槽；通風(fēng)系統(tǒng)采用了外加軸流風(fēng)機的徑、軸向混合式強迫通風(fēng)方式。

3.2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

3.2.1 定子機座

定子機座采用鋼板焊接的軸向V型筋結(jié)構(gòu)，由于運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。定子鐵心和定子機座采用浮動雙鴿尾筋進行固定連接，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)蝶形彈簧的方式進行壓緊，保證鐵心長期壓緊而不松動。

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去補償股線回路中端部磁場的作用。根據(jù)定子線棒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析計算端部磁場引起的各股線的感生電勢和環(huán)流，計算線棒的環(huán)流損耗系數(shù)，求得最佳換位角度。如圖1所示，經(jīng)分析計算，得到小于360°換位時定子線棒平均環(huán)流系數(shù)曲線。因此，多布水輪發(fā)電機線棒采用了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

對于在高海拔地區(qū)運行的水輪發(fā)電機組，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)電機基本技術(shù)條件》的規(guī)定，當(dāng)海拔高度超過1 000 m時，起暈電壓的試驗值應(yīng)按JB/T 8439 -2008《使用于高海拔地區(qū)的高壓交流電機防電暈技術(shù)要求》進行修正。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，要對設(shè)備外絕緣的耐壓值進行修正。

定子線棒和繞組的起暈電壓值海拔修正系數(shù)按照式1)進行計算：

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為試驗地點的海拔，km；HA為安裝地點的海拔，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)進行計算：

(2)

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

試驗地點的海拔高度約為500 m，多布電站海拔高度為3 100 m。根據(jù)式(1)與式(2)計算可以得到，定子線棒和繞組的起暈電壓試驗值的修正系數(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)電機定子的防暈和絕緣等級根據(jù)海拔修正系數(shù)進行相應(yīng)設(shè)計修正，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)試驗時，定子線棒起暈電壓及絕緣耐電壓值均按修正后的試驗電壓值進行試驗并合格，保證了發(fā)電機定子在高海拔地區(qū)的可靠運行。

3.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

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。

針對多布水輪發(fā)電機在高海拔地區(qū)運行，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)電機轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化設(shè)計如下：

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)對磁極線圈試驗?zāi)蛪褐蛋春０涡拚禂?shù)1.294進行修正。

3.4 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

多布發(fā)電機采用密閉強迫自循環(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個空氣冷卻器, 并相應(yīng)配有6個高原軸流風(fēng)機，一部分冷風(fēng)經(jīng)軸流風(fēng)機加壓后進入轉(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入氣隙, 再經(jīng)過定子通風(fēng)溝后由鐵心背部流出到達空氣冷卻器入口；另一部分冷風(fēng)由轉(zhuǎn)子支架下游側(cè)進入, 軸向流經(jīng)定子全長后, 到達空氣冷卻器入口；兩部分熱空氣匯合進入冷卻器, 經(jīng)冷卻后進入軸流風(fēng)機, 形成完整的循環(huán)風(fēng)路。

圖2 發(fā)電機通風(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，兩者對空氣密度的影響作用相反。由于多布發(fā)電機采用密閉循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，因此大氣溫度降低對空氣密度增加效應(yīng)可以忽略，只考慮大氣壓力降低對冷卻空氣密度的減小效應(yīng)?？諝饷芏冉档停諝怏w積比熱隨密度降低而減小，發(fā)電機的需求風(fēng)量會增加。以海平面高度為基準，對多布水輪發(fā)電機在其所在高度運行時的需求風(fēng)量進行分析，見表3。

表3 發(fā)電機需求風(fēng)量分析

根據(jù)表3，發(fā)電機需要由冷卻系統(tǒng)帶走的損耗為555.34 kW。結(jié)合以往同類產(chǎn)品分析、計算和試驗研究成果，要滿足冷卻需要，發(fā)電機在海拔3 041 m地區(qū)運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，解決高海拔因素對通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶來的影響，選擇合適的風(fēng)機至關(guān)重要。

將發(fā)電機的通風(fēng)系統(tǒng)等效成圖3所示的計算網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)法[3]進行電機風(fēng)阻特性求解，可求出發(fā)電機內(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進行風(fēng)機選型，最終得到風(fēng)機的工作點及電機的總風(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于發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

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

另外，多布發(fā)電機的冷卻系統(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)一般河水溫度相對較低，多布水輪發(fā)電機冷卻系統(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)電機已于2016年1月17日全部成功投產(chǎn)發(fā)電，各項指標及參數(shù)均滿足國家標準與合同要求。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，從而對發(fā)電機組的結(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、定子防暈和絕緣海拔修正、轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化設(shè)計和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)選擇合適風(fēng)機，解決了在高海拔地區(qū)水輪發(fā)電機易起暈、放電和散熱困難等難題。發(fā)電機投運后各部件溫升或溫度，見表4。

表4 發(fā)電機投運后各部件溫升或溫度

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

[1] 陳錫芳.水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)運行監(jiān)測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

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

[3] 廖毅剛.大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].東方電氣評論，2003，17 (1)：42-46.

[4] 付佩賢,張翀,祁臘梅.高海拔、大、中容量水輪發(fā)電機的開發(fā)設(shè)計[J].四川水力發(fā)電，2015，34(5)：148-151.

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)電機設(shè)計工作；

鄢幫國(1983)，工學(xué)學(xué)士、高級工程師，從事水輪發(fā)電機設(shè)計工作。

2017-09-15)