水輪發電機條式疊繞組線圈的設計與開發

【摘 要】本文闡述了大容量水輪發電機定子采用條式線圈的弊端。對昭化電站發電機定子設計中，開發了半線圈條式疊繞組思想。其結果的良好性，為今后水輪發電機的結構設計與電磁方案的槽數選擇時，提供一種新的設計思路。

【關鍵詞】水輪發電機；條式線圈；電磁設計

【Abstract】The paper mentioned the malpractices of coil for water turbine generator.So faced the stator design of Zhaohua powerstation，the paper proposed a new method-Half coil way.And the result is reasonable.It is a great way to deal with the configuration design of electric generator.

【Key words】Turbine generator；Half coil；Electromagnetic design

目前，在水輪發電機的定子設計中，普遍采用的線圈形式為條式 。一般情況下，該類型的線圈基本能夠滿足發電機的性能參數。然而，該方案在某些大容量機組中卻存在一定的不足：（1）在電磁方案計算時，由于條式線圈采用槽數常會受到極數的限制，從而無法得到理想的電負荷A、槽電流Is等電磁參數；（2）對于一些特殊轉速的機組，容易出現選槽困難，甚至導致無法選取電磁方案。基于上述特點，在發電機型號的選擇中，常會受到局限。因此，開發新的定子線圈類型，彌補條式線圈的不足，對于提高機組性能，提升發電效率等方面具有舉足輕重的作用。

1 發電機基本概況

本文擬以四川廣元昭化電站發電機型為例，探討新型號線圈的設計過程。該電站中，發電機擬選擇類型為燈泡貫流式，具體型號為：SFWG20-68/6600。已知該機組為68極，定子鐵芯內徑為6150mm（定子與繞組的嵌線方式如圖1、圖2所示）。

2 條式線圈方案的缺點分析

結合發電機基本參數，在設計中若采用小分母的q，其槽數只有306槽，這樣線負荷很低；若采用整數408槽，q=2，通過計算會產生較大的波形畸變，這兩種槽數電磁計算時方案均不能采用，除了以上兩種方案，其余槽數均是大分母的q值。給定子繞組接線存在巨大的難題，若采用常規的定子接線均存在極間連接線（上層與上層或下層與下層）會出現相互交叉現象，且無法避開等問題。換句話說，該機組如果不采取先進的結構和思路是難于實現的。

3 半條式疊繞組設計

3.1 電磁方案的選擇

根據已知條件，結合文獻[1]中的方法，確定了發電機的基本參數為：額定功率PN=20MW，額定電壓UN=10500V、額定功率因數COSф=0.92（滯后）、頻率=50Hz、極數P=68、氣隙δ=8mm、定子外徑Da=6600mm，內徑Di=6150mm，槽數Z=384、支路數a=1，每槽導體數Sn=2、q=1+15/17。再根據基本參數，用matlab編輯程序進行電磁計算，部分程序編譯如下：

EbsCO=0.005

3.2 線圈結構設計

線圈設計采用半線圈，換位方式在直線部分進行，端部平直，繞組節距全部采用短節距。接線時在接線端取消了傳統斜并頭套，采用連接線的方式；在非接線端采用和傳統的條式線圈結構一樣，采用并頭套將上下層線圈直接連接，這種線圈具備了條式線圈的特點，同時也具備了圈式線圈的特點，故稱為條式疊繞組線圈。

3.2.1 端部極間連接線的實現

在端部極間的接線部分，通常處理的方式是采取軸向與徑向同時避開，同一層線圈兩根極間連接線出現交叉時，其中一根極間連接線占用軸向空間，線圈采取端部加長方式；另一根極間連接線占用徑向空間，連接線采取從機座外徑方向徑向連接，這樣充分利用機座內的軸向和徑向空間。具體設計如圖3所示：

定子繞組接線采用疊繞組連接方式，根據循環數將每相下的串聯組依次連接起來，其基本原則為：頭接頭，尾接尾。根據引出線的所在方位，相應斷開其中的一根連接線，其連接方式如圖4。

從極間連接線展開圖中，可以看出上層極間連接線1與上層極間連接線3，上層極間連接線3與上層極間連接線5均存在相互交叉的現象，在設計上層極間連接線3時按徑向方向連接，讓開上層極間連接線3和5所需的軸向空間，以避免上層連接線1、5與3干涉問題。同時將上層極間連接線3與下層極間連接線4在軸向上設計需要一定的高度差，以避免在同一位置上、下層連接線出現干涉問題。

3.2.2 工藝的可行性分析

線圈的制作由線圈磨具一次熱壓成型[2]，工藝與傳統的條式線圈一致，具有良好的工藝性。克服圈式線圈由于端部成型不規則，存在下線時線端部相互擠壓或干涉問題，同時也克服了圈式線圈拆線困難等難題。結構設計合理具有良好的經濟性和制造工藝可行性。

4 結論

本文針對昭化電站的發電機設計中，采用條式疊繞組線圈嵌放定子，解決了電磁計算中，受槽數限制的問題，使得發電機參數均滿足要求。目前，電站已投入使用，并且效率高、性能穩定。該方案的成功實施，有利于更深發電機層次的研發，并且為大容量低轉速的燈泡貫機組的設計奠定了良好的基礎。

【參考文獻】

[1]傅豐禮，唐孝鎬，主編.異步電動機設計手冊.2版[M].北京：機械工業出版社，2006，10.

[2]劉建超，張寶忠，主編.沖壓模具設計與制造[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]王淑芳，主編.電機驅動技術[M].北京：科學出版社，2010.

[4]顧繩谷，主編.電機及驅動基礎（上下冊）.3版[M].北京：機械工業出版社，2004.

[責任編輯：周娜]