周波,馬信武,訾士才
(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱 150040)
國內(nèi)對于高轉(zhuǎn)速大容量,特別是額定轉(zhuǎn)速為500r/min的發(fā)電電動機(jī)設(shè)計、制造經(jīng)驗尚不十分豐富,技術(shù)儲備比較缺乏。而隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國內(nèi)一批700m左右及以上的超高水頭大容量抽水蓄能電站正在或有待建設(shè),如陽江、敦化、長龍山、洛寧、平江、渾源等電站。因此,依托敦化發(fā)電電動機(jī)對此類電磁設(shè)計進(jìn)行研究,研究成果將為后續(xù)類似項目提供寶貴經(jīng)驗及技術(shù)儲備,特別是長龍山、洛寧、平江發(fā)電電動機(jī)的容量和轉(zhuǎn)速與敦化完全相同。
發(fā)電工況額定容量:388.9MVA
電動工況軸輸出功率:≥373MW
額定電壓:18kV
額定功率因數(shù):0.9(發(fā)電工況)
0.975(電動工況)
額定頻率:50Hz
額定轉(zhuǎn)速:500r/min
飛逸轉(zhuǎn)速:740r/min
飛輪力矩GD2:≥4000 t·m2
冷卻方式:全空冷
短路比:≥0.93
直軸瞬態(tài)電抗X′du:≤0.325
直軸超瞬態(tài)電抗X″du:≥0.195
電機(jī)的定子鐵心內(nèi)徑選取通??紤]以下主要因素
(1)電負(fù)荷和磁負(fù)荷應(yīng)在合理的取值范圍內(nèi),并使X′d等參數(shù)滿足要求;
(2)選擇的主要尺寸應(yīng)使轉(zhuǎn)子磁軛在正常的寬度和允許應(yīng)力下,自然滿足機(jī)組GD2要求;
(3)滿足發(fā)電機(jī)本身通風(fēng)冷卻的要求;
(4)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度允許的最大圓周速度。
對于超高水頭、大容量的敦化發(fā)電電動機(jī),主要考慮的是轉(zhuǎn)子部分的機(jī)械強(qiáng)度,由于機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速較高,因此定子鐵心內(nèi)徑不宜選取過大,直徑過大將會增加磁極、磁軛材料的采購難度。同時也不宜過小,鐵心內(nèi)徑太小,將影響電機(jī)的通風(fēng)冷卻及軸系穩(wěn)定性。為了選取更為合理的定子鐵心內(nèi)徑,對以往類似機(jī)組進(jìn)行了統(tǒng)計,詳細(xì)數(shù)據(jù)詳見表1。
表1 額定轉(zhuǎn)速為500r/min電站的定子鐵心內(nèi)徑統(tǒng)計
表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計,300MW、500r/min發(fā)電電動機(jī)定子鐵心內(nèi)徑取值在4400~4800mm之間,由于敦化發(fā)電電動機(jī)額定功率超過300MW,定子鐵心內(nèi)徑取值在轉(zhuǎn)子材料應(yīng)力允許的情況下,應(yīng)盡量選大些。根據(jù)當(dāng)時轉(zhuǎn)子應(yīng)力計算成果,最終定子鐵心內(nèi)徑確定為4840mm。
槽電流與發(fā)電機(jī)的容量、電壓、并聯(lián)支路數(shù)、繞組型式及冷卻方式等有關(guān)。槽電流太小,表明發(fā)電機(jī)有效材料的利用較差、不經(jīng)濟(jì),且槽距過小可能導(dǎo)致定子繞組安裝困難;槽電流太大,將導(dǎo)致銅損及附加損耗增加,從而使槽絕緣溫差增大,可能會產(chǎn)生繞組局部發(fā)熱,在工藝上由于線圈表面增大,使制造較復(fù)雜。
電負(fù)荷的大小決定了定子內(nèi)圓單位表面積所產(chǎn)生的繞組銅損的大小,因而直接影響溫升和效率的高低。電負(fù)荷的取值與每極容量、絕緣等級以及冷卻方式有關(guān)。
敦化發(fā)電電動機(jī)為大容量、高轉(zhuǎn)速,槽電流及電負(fù)荷均不宜選取過低。為了選取更為合理的槽電流及電負(fù)荷,對以往類似機(jī)組進(jìn)行了統(tǒng)計,詳細(xì)數(shù)據(jù)詳見表2。
表2 300MW及以上發(fā)電電動機(jī)槽電流和電負(fù)荷統(tǒng)計
敦化發(fā)電電動機(jī)不同并聯(lián)支路下的槽電流詳見表3,不同定子槽數(shù)下的電負(fù)荷詳見表4。
表3 敦化發(fā)電電動機(jī)不同并聯(lián)支路數(shù)下的槽電流
表4 敦化發(fā)電電動機(jī)不同槽數(shù)下的電負(fù)荷
表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,類似的發(fā)電電動機(jī)槽電流值范圍是5079~7142A,電負(fù)荷值范圍是713~884A/cm。
根據(jù)表3槽電流計算,當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)為3時,槽電流值為8316A,明顯偏大,不適用于全空冷結(jié)構(gòu),不可選。當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)為4時,槽電流值為6237A,在統(tǒng)計數(shù)據(jù)范圍內(nèi)之間,且非常理想。當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)為6時,槽電流值為4158A,明顯偏小,不在統(tǒng)計數(shù)據(jù)范圍內(nèi)之間,不宜優(yōu)先選取。因此,對于敦化發(fā)電電動機(jī),并聯(lián)支路選4是更為合理的,此時槽電流為6237A。
敦化發(fā)電電動機(jī)極數(shù)為12,所選支路數(shù)為4,為保證定子繞組的對稱,定子槽數(shù)只能選每極每相槽數(shù)為整數(shù)的槽。表4數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)定子槽數(shù)選252槽時,電負(fù)荷值為1044A/cm,明顯偏高,不適合全空冷結(jié)構(gòu),不可選。當(dāng)定子槽數(shù)選180槽和216槽時,電負(fù)荷值分別為746A/cm和895A/cm,均在合理選值范圍內(nèi),考慮到敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高,為提高機(jī)組軸系穩(wěn)定性,發(fā)電電動機(jī)利用率應(yīng)盡量選高些,以降低定子鐵心高度,電負(fù)荷選取偏上限更為合理。因此,從綜合因素考慮,敦化發(fā)電電動機(jī)最終定子槽數(shù)選216槽,此時電負(fù)荷為895A/cm。
對于全空冷發(fā)電(電動)機(jī),通常定子繞組的電流密度取值范圍為2.5~3.5A/mm2。同時定子繞組電流密度的選取還與電負(fù)荷和熱負(fù)荷有關(guān),其中熱負(fù)荷是有效控制定子繞組溫升及確定發(fā)電機(jī)冷卻方式的重要參數(shù),其數(shù)值為定子電流密度與電負(fù)荷的乘積。較高的熱負(fù)荷將導(dǎo)致槽絕緣內(nèi)溫差增大,線圈溫升增高。對于大型空冷發(fā)電電動機(jī)而言,熱負(fù)荷宜在2500A2/c m·mm2以內(nèi),最大不應(yīng)超過2700A2/c m·mm2。最后經(jīng)過計算,敦化發(fā)電電動機(jī)定子繞組電流密度選取2.79A/mm2,此時熱負(fù)荷為2494A2/c m·mm2。
敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用散熱匝結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子繞組電流密度平均值選值通常不高于2.5A/mm2。對于高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)電電動機(jī),轉(zhuǎn)子的電磁設(shè)計難度最大,由于發(fā)電電動機(jī)直徑較小,在控制轉(zhuǎn)子磁極極身根部磁通密度不過大的情況下,想降低轉(zhuǎn)子繞組電流密度難度較大。最終經(jīng)過綜合考慮,敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流密度為2.71/2.34A/mm2(普通匝/冷卻匝),此時轉(zhuǎn)子磁極極身根部磁通密度為1.757T,為哈電設(shè)計的發(fā)電電動機(jī)最高值。
從降低轉(zhuǎn)子溫度角度上看,轉(zhuǎn)子繞組宜考慮雙面通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu),以改善轉(zhuǎn)子繞組散熱條件,但由于當(dāng)時我公司仍在對轉(zhuǎn)子繞組雙面通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)研究過程中,技術(shù)還并不成熟,從機(jī)組安全可靠性考慮,敦化發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組最終未采用雙面通風(fēng)結(jié)構(gòu)。
與電機(jī)磁路相對應(yīng)的主要磁通密度有氣隙磁通密度Bδ、定子齒部磁通密度Bt、定子軛部磁通密度Bj及極身根部磁通密度Bm。
氣隙平均磁通密度Bδ和電負(fù)荷一樣,對發(fā)電機(jī)的利用系數(shù)影響較大,Bδ越大發(fā)電機(jī)的利用系數(shù)就越高,但Bδ值的提高受鐵心所用硅鋼片飽和的限制。哈電計算程序計算的Bδ是平頂波的峰值,取值范圍在0.8~1.01T之間,敦化發(fā)電電動機(jī)Bδ最終設(shè)計值為0.948T。
定子齒部磁通密度Bt的取值受槽電流的影響,槽電流選值偏大時,Bt取值可偏小些。我公司計算程序計算的Bt是平頂波的峰值,正常情況下,定子齒部最窄處的Bt取值不宜超過1.85T,敦化發(fā)電電動機(jī)Btmin最終設(shè)計值為1.778T。
定子軛部磁通密度Bj正常取值為1.2~1.3T。由于敦化發(fā)電電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、容量較大,定子沖片的徑向?qū)挾容^寬,為保證定子鐵心疊片壓緊質(zhì)量,定子沖片的徑向?qū)挾炔灰诉^寬,因此為了控制定子沖片的徑向?qū)挾?,敦化發(fā)電電動機(jī)的Bj取值比正常選值要高些,經(jīng)過綜合考慮,Bj最終取值為1.352T,此時定子沖片徑向?qū)挾葹?55mm。
敦化發(fā)電電動機(jī)磁極采用塔形向心結(jié)構(gòu),磁極極身根部較窄,極身根部磁通密度Bm較大。在電磁設(shè)計時,已在盡量考慮將磁極極身根部寬度加大,但由于電機(jī)直徑尺寸偏小,極身根部寬度受到一定限制,最終極身根部寬度為615mm,此時Bm計算值為1.757T,為哈電設(shè)計機(jī)組中Bm取值最大的,負(fù)載時極身磁通密度為1.825T,負(fù)載時極身磁通密度最大不能超過1.85T。
為了提高敦化發(fā)電電動機(jī)通風(fēng)冷卻效果,在電磁設(shè)計時將定子通風(fēng)溝高度由以往的6mm優(yōu)化為5mm,在通風(fēng)截面積不變的情況下,通風(fēng)溝數(shù)量增加了20%,增大定子鐵心的散熱面積,可有效降低定子的溫度。
按照上述選值理論,對敦化發(fā)電電動機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計,主要技術(shù)參數(shù),此電磁設(shè)計已應(yīng)用于哈電設(shè)計的敦化發(fā)電電動機(jī)上。
敦化發(fā)電電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下。
發(fā)電電動機(jī)結(jié)構(gòu)型式立軸懸式;發(fā)電工況額定容量388.9MVA;電動工況軸輸出功率≥373MW;額定電壓18kV;額定功率因數(shù)0.9(發(fā)電工況),0.975(電動工況);額定頻率50Hz;額定轉(zhuǎn)速500r/min;最大飛逸轉(zhuǎn)速740r/min;相數(shù)3;發(fā)電機(jī)飛輪力矩≥4000 t·m2;額定電流12474A;冷卻方式全空冷;定子槽數(shù)216;每極每相槽數(shù)6;每相并聯(lián)支路數(shù)4;槽電流6237A;電負(fù)荷895A/cm;定子繞組電流密度2.79A/mm2;定子鐵心外徑6150mm;定子鐵心內(nèi)徑4840mm;定子鐵心長度3200mm;轉(zhuǎn)子外圓最大周速184m/s;定、轉(zhuǎn)子最小氣隙長度50mm;轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)32+16(普通匝/冷卻匝);轉(zhuǎn)子繞組線規(guī)5.6×112/130mm;轉(zhuǎn)子繞組電密2.71/2.34A/mm2;氣隙磁密0.948T;定子齒磁密1.778T;定子軛磁密1.352T;磁極極身根部最大磁密1.757T;直軸同步電抗Xdu(不飽和值)1.16p.u.;直軸瞬變電抗(不飽和值)0.318p.u.;直軸超瞬變電抗(飽和值)0.215p.u.;交軸同步電抗Xqu(不飽和值)0.80p.u.;交軸超瞬變電抗(不飽和值)0.203p.u.;零序電抗X0u(不飽和值)0.128p.u.;負(fù)序電抗X2u(不飽和值)0.216p.u.;定子漏抗0.128p.u.;短路比0.94;直軸瞬態(tài)短路時間常數(shù)直軸瞬態(tài)開路時間常數(shù)交軸超瞬態(tài)開路時間常數(shù)定子繞組短路時間常數(shù)Ta0.635s;空載勵磁電流925A;空載勵磁電壓120V;額定勵磁電流1698A;額定勵磁電壓311V;最大勵磁電流1763A;最大勵磁電壓323V;定子繞組115℃時電阻0.001021Ω;轉(zhuǎn)子繞組115℃時電阻0.1745Ω;定子繞組每相電容1.129μF;定子繞組每相對地電容電流3.69A;發(fā)電機(jī)工況進(jìn)相容量169.5MVar;調(diào)相容量(發(fā)電工況)253MVar;發(fā)電機(jī)工況額定效率98.80%;電動機(jī)工況額定效率98.91%。
敦化是國內(nèi)首個額定轉(zhuǎn)速為500r/min及以上,單機(jī)容量達(dá)到350MW的發(fā)電電動機(jī),設(shè)計難度非常大。
在電磁設(shè)計過程中,調(diào)研了已運行的其他類似電站,并在此基礎(chǔ)上,確定更為合理的電磁選型,并采取優(yōu)化改進(jìn)措施,如盡量提高電負(fù)荷、降低定子通風(fēng)溝高度從而增加通風(fēng)溝數(shù)量、提高定子軛部磁通密度取值。
敦化發(fā)電電動機(jī)的電磁設(shè)計為后續(xù)轉(zhuǎn)速為500r/min、單機(jī)容量為350MW及以上的發(fā)電電動機(jī)設(shè)計提供了技術(shù)儲備和經(jīng)驗。通過敦化發(fā)電電動機(jī)設(shè)計研究,高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電電動機(jī)主要的設(shè)計難度在于轉(zhuǎn)子,軸系穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)子繞組通風(fēng)冷卻、磁極根部最大磁密等均與轉(zhuǎn)子設(shè)計相關(guān),而改善或降低這些方面的設(shè)計難度最有效的方法就是增大定子鐵心內(nèi)徑,但此方面又受到轉(zhuǎn)子應(yīng)力的限制。因此如何增大定子鐵心內(nèi)徑且保證轉(zhuǎn)子安全性是高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電電動機(jī)將來的一個主要研究方向。再有就是研究改善轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻的措施,如轉(zhuǎn)子繞組采用雙面通風(fēng)。