清遠抽水蓄能電站發電電動機設計特點

黃小紅，吳金水，小野田勉

［1.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式會社東芝，日本橫濱市 230-0045］

清遠抽水蓄能電站發電電動機設計特點

黃小紅1，吳金水1，小野田勉2

［1.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式會社東芝，日本橫濱市 230-0045］

清遠抽水蓄能電站為目前國內已投運的單機容量最大的抽水蓄能電站，其發電電動機的設計采用了東芝公司成熟的、典型的發電電動機技術。本文重點介紹清遠發電電動機的設計特點，既是對東芝發電電動機技術的引進和消化吸收，同時為今后類似的大容量、高轉速機組發電電動機的設計提供借鑒。

發電電動機；大容量；高轉速

0 引言

清遠抽水蓄能電站位于清遠市清新縣太平鎮境內，與廣州直線距離約75km。該電站共裝設4臺單機容量為320MW的發電電動機機組，投運時是當時國內已投運的單機容量最大的抽水蓄能電站。電站主要承擔南方電網的調峰、填谷、調頻、緊急事故備用等任務。其發電電動機的設計采用了東芝公司成熟的、典型的發電電動機技術。

1 主要技術參數

發電工況額定容量：356MVA

電動工況軸輸出功率：不小于331MW

額定電壓：15.75kV

額定電流：13050A

額定功率因數：發電機0.9（滯后），電動機0.975

額定頻率：50Hz

額定轉速：428.6r/min

飛逸轉速：690r/min

發電電動機GD2≥5700tm2

電動工況啟動方式：變頻啟動（正常啟動）背靠背啟動作為備用

絕緣等級：F/F（定子/轉子）

通風冷卻：徑向通風密閉自循環空氣冷卻

旋轉方向：發電機工況時俯視順時針，電動機工況時俯視逆時針

勵磁方式：自并勵靜止晶閘管硅

2 總體結構

清遠抽水蓄能電站機組發電電動機為立軸半傘式、三相凸極同步發電電動機，采用密閉自循環、空氣冷卻的通風冷卻方式。

發電電動機主要由定子、轉子、上機架、下機架、上下導軸承及推力軸承和輔助部分組成（見圖1）。

圖1 發電電動機斷面圖Fig.1 Section of generator motor

3 結構設計特點

3.1 定子

定子由定子機座、定子鐵芯、定子繞組等組成。在工地安裝場進行定子機座組裝、鐵芯疊裝和繞組下線工作。

定子機座為焊接結構，正十六邊形，對邊尺寸為8300mm，高4515mm。機座在工廠組焊加工，受運輸條件限制，分2瓣運至工地，合縫面上設有多個連接螺栓及鉸制螺栓，在現場安裝間直接進行把合，使機座成為一體。為了適應國內現場安裝的需要，在合縫位置的上環和外側分別設有騎縫銷，以方便現場將兩分瓣位置按照出廠前解體位置迅速進行對齊組裝。

定子機座設上環、中環和下環，穿過中環沿圓周與鴿尾筋相對應位置設置支撐棒，作為鐵芯壓緊時齒壓板外徑側的支撐點。定子機座具有足夠的強度和剛度，使其在制造、運輸、安裝時能承受各種力的作用而不產生有害變形。

定子機座與下機架共用一個環形基礎，為了適應抽水蓄能機組頻繁開停機的運行條件，減少由于定子機座和鐵芯熱膨脹的差異引起的作用在鐵芯上的壓應力，避免鐵芯在過大的壓應力作用下發生翹曲變形，機座與環形基礎的支座間采用松螺栓連接，螺栓輕輕帶上即可?，F場定中心工作完成后，在定子與環形基礎支撐座結合位置加工徑向銷孔，通過徑向銷來傳遞扭矩。徑向銷固定在機座上，機座可隨徑向銷相對基礎發生徑向滑動。

定子鐵芯采用單位鐵損不大于1.0W/kg的優質冷軋薄硅鋼片疊壓而成。優質的硅鋼片減少了鐵損，使鐵芯和機座間的溫差進一步減小。為有效地冷卻定子鐵芯和繞組，在定子鐵芯合適位置設有多道徑向通風溝，使鐵芯軸向溫度均勻。優質的硅鋼片和合適數量的通風道，使得鐵芯內部的熱應力也隨之減小，有效防止鐵芯產生翹曲變形。為降低端部漏磁和損耗，在鐵芯的上下兩端齒部分別設置有階梯段落。

定子鐵芯內徑φ5300mm，外徑φ6570mm，鐵芯高度3320mm。采用單片一疊、1/2搭接疊片方式，定子鐵芯疊裝工作在機座組圓后進行。這種整體結構的定子鐵芯無接縫，運行中的鐵芯振動小，無槽底錯位，剛度、圓度、整體性好。

定子鐵芯壓緊采用分塊式上、下齒壓板壓緊結構（見圖2）。為了增加定子鐵芯防翹曲的強度，采用1.5MPa高的定子鐵芯壓緊面壓，并設有高性能碟簧壓緊，保證機組長期運行后鐵芯的壓緊。拉緊螺桿為矩形結構，兩端為螺紋部分，鐵芯段裝鴿尾筋，設置于鐵芯外徑側，不會形成渦流回路，不需要對拉緊螺桿進行絕緣處理，結構簡單。定子鐵芯依靠裝于鴿尾筋（拉緊螺桿）內徑側的鴿尾鍵定位，合適數量的鴿尾筋可以增加鐵芯防翹曲的強度。定子的整體重量通過整個定子機座來承受的這種分塊式小齒壓板壓緊結構使鐵芯具有較高抗“翹曲”的強度。壓指采用非磁性材料，以減小漏磁引起的附加損耗導致的端部發熱。通過電磁場有限元分析，可以對定子端部漏磁場作用下齒壓板的溫度分布情況進行確認（見圖3）。

圖2 定子鐵芯壓緊Fig.2 Fastening of stator core

圖3 齒壓板斷面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of tooth press plate

定子繞組為雙層條式波繞組、受磁極數和繞組對稱的限制，為7支路星形連接。定子線棒采用槽內360°羅貝爾換位，以降低附加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。繞組絕緣等級為F級，線棒采用真空液壓多膠VPR絕緣制造工藝，既環保，且線棒的各項電氣性都能得到可靠保證，是東芝公司特有的定子線棒絕緣工藝。對于定子線棒這樣的關鍵部件，清遠1號機組的定子線棒由東芝水電生產供貨，根據國家標準及清遠機組國產化的要求，2號機組以后由東芝水電供貨，東芝水電在已有的VPR絕緣技術基礎上，通過對絕緣材料及工藝的全方位改善，生產出綜合性能不亞于1號機組的定子線棒。

為了防止發電電動機長期運行后定子線圈下沉，在定子線圈上端出槽口的斜邊處，每隔一槽設置一組線棒止沉塊，止沉塊支撐于上齒壓板的壓指上，并綁扎在線棒上。

繞組端部用非磁性不導通端箍固定，線棒和線棒間用斜邊墊塊進行可靠綁扎。

3.2 轉子

轉子由磁極、磁軛和轉子支架等組成。在工地進行磁軛組裝和磁極掛裝工作。

轉子支架由轉軸、上中下三層環板及環板外側的7個楔形磁軛鍵用的立筋組成，轉子支架的所有焊接和加工均在廠內完成，現場不需焊接。轉子支架的上、下環板上各開有7個通風用孔及風量調節用板安裝用孔，中間環板不設通風孔。

轉子支架通過螺栓固定在發電電動機下端軸上，并通過徑向銷傳遞扭矩。

清遠轉子外徑為5225mm，其飛逸周速度高達188.8m/s，鑒于抽水蓄能機組頻繁開停機的特點，在轉子材料選擇時，還需要進行疲勞強度的校核，因此，磁軛材料強度等級要求高，清遠選用屈服強度等級為640MPa的材料，以確保其能滿足在額定運行時最大集中應力小于0.55бs，甩負荷時最大集中應力小于 1.1бs（見圖4）。

圖4 甩負荷和飛逸時磁軛應力分布Fig.4 Stress distribution of rim

清遠磁軛由50mm和75mm厚的高強度環形鋼板組成，在軸向每300mm或350mm磁軛段設置一通風道，每段磁軛用對應長度的螺桿連接成一體。9段磁軛間通過內徑側的止口進行定位，磁軛尺寸大，廠內加工要求高，但現場只需進行9段磁軛的疊裝工作，安裝周期短。厚板環形磁軛的整體剛性好，對高轉速機組來說尤為適用。

清遠磁軛為浮動式結構，磁軛與中心體之間通過組合T型磁軛鍵（圖5）周向楔緊，在現場打入T型鍵兩側的打入鍵。在轉子磁軛具有足夠的剛度，磁軛鍵數量合適的前提下，均可以通過設置這樣的圓周方向采用楔形鍵形式的組合式磁軛鍵結構，這種輻射型布置的多個磁軛鍵的限制下，機組運行時磁軛只能同心伸縮。冷態下，即機組停機狀態下轉子支架和磁軛不受徑向力。這種磁軛鍵結構簡單，現場組裝方便，無須熱打鍵。

圖5 磁軛組合鍵Fig.5 Rin key

磁極鐵芯由1.6mm厚高強度專用冷軋磁極沖片疊成，通過6個拉緊螺桿壓緊。

磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排焊接而成，具有散熱面積大，散熱效果好的特點。線圈匝間墊以Nomex絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈與鐵芯間用絕緣板塞緊，線圈內側鐵芯四周設有角部絕緣，對地絕緣可靠。磁極線圈設上絕緣法蘭。磁軛側的第一匝貼好層間絕緣后用無堿玻璃絲帶半疊包一層，用硅膠填滿極身與線圈間的間隙，磁極到現場后無需脫出線圈清掃即可直接掛裝。

清遠1號機組磁極由東芝公司完成組裝，后續機組的磁極全部由東芝水電獨立制作。為了生產清遠這樣大型的磁極并確保與進口同等品質，東芝水電提前按東芝公司一樣的工藝進行細致的設計和制造研究。每只磁極出廠前的檢驗項目在國家標準要求之外均做高頻沖擊耐壓試驗，保證了磁極絕緣的高質量。

磁極掛裝時，在磁極鐵芯T尾兩側沿半徑方向打入長楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，再用壓板將楔形鍵進行鎖定。磁極線圈之間軸向設置4處線圈支撐，防止磁極在運行過程中由于離心力的作用而產生有害變形和應力。兩端設置有擋風板，減少磁極端部風的渦流引起的損耗。

極間連接采用多層薄磷銅片制成的柔性連接片連接，用螺栓固定在磁軛上，安裝、拆卸和檢修方便，同時防止由于極間連接線所產生的離心力使磁極繞組末匝產生變形和滑動。

轉子設有縱橫阻尼繞組，阻尼條與阻尼環的連接采用銀銅焊，阻尼繞組間采用雙Ω柔性連接，用螺栓固定在磁軛上，防止因振動和熱位移而引起故障。其連接既牢固可靠，又便于檢修拆卸。

下端軸由推力頭和軸身構成，采用20SiMn鋼鍛造制成，在最大飛逸轉速下運行不會產生有害的振動和擺度。鏡板為與推力頭分體的整圓鏡板，采用鍛鋼材料，通過螺栓把緊在推力頭上面。

3.3 軸承

推力軸承裝于下機架中心體的油槽內。推力軸承承受水輪發電電動機組所有轉動部件的重量和水推力構成的組合載荷。推力軸承由12塊扇形瓦組成，采用巴氏合金瓦，并采用東芝公司特有的小彈簧簇支承結構均衡每塊推力瓦負荷，推力瓦平均面壓為3.9MPa，平均周速度為49.5m/s，其PV值高達194.3MPa·m/s，軸承損耗大。為適應抽水蓄能機組正反兩方向旋轉的需要，每塊瓦下面的彈簧簇呈中心對稱布置，彈簧簇支撐具有性能可靠、瓦間受力均勻、瓦變形小和安裝維護方便等優點（見圖6）。

圖6 額定運行時瓦坯的變形Fig.6 Deformation of pad

推力瓦可以通過旋轉推力彈簧座，從檢修窗口單獨取出，對推力軸承進行就近或機坑外檢修。

為適應抽水蓄能機組頻繁的開停機需要，為推力軸承配置了高可靠性能的推力高油頂起裝置，交流電機和直流電機互為備用。

上、下導軸承均采用分塊、油浸式、自潤滑、可調式巴氏合金瓦結構。通過調整螺栓，可方便調整軸承瓦與滑轉子之間的間隙。瓦的背面有球面支柱，徑向力通過球面支柱傳到機架上。

上導軸承由12塊瓦組成，采用蛇管內藏式油冷卻器進行冷卻。

下導軸承與推力軸承共用同一油槽，由18塊瓦組成，采用外加泵+外置板式油冷卻器循環冷卻方式。板式油冷卻器結構簡單，換熱容量大，體積小，并列布置在機坑外面，安裝維護方便，每臺機組3只，其中1只備用。

3.4 機架

上機架為非負荷機架，承受轉子徑向機械不平衡力和因氣隙不均勻產生的單邊磁拉力的作用。上機架由中心體和8條支臂組成，支臂與中心體在現場進行組焊。上機架與風罩間采用防振支撐，將上機架所受徑向力通過頂絲螺栓傳遞到風罩上，根據機組機械不平衡力的大小，對螺栓進行一定的初期預緊，以保證各支臂對混凝土基礎始終保持有一定的壓力。防振支撐基礎板為彈性板，可吸收機架支臂熱膨脹的位移，不會使基礎混凝土產生有害變形。

下機架為負荷機架，承受機組所有轉動部件重量、水輪機的軸向水推力、下機架自重和推力軸承、下導軸承重量以及各種工況下作用在下機架上的徑向和切向負荷。下機架通過與定子共用的環形基礎板用地腳螺栓固定在基礎上。下機架為圓盤式整體結構。下機架可通過發電電動機定子內腔整體吊出機坑。下機架同時也兼作推力和下導油槽的一部分，受定子鐵芯內徑的影響，油槽自身的容積很難設計得很大，難以滿足大容量高轉速機組的需要，因此在環形基礎的外側設有輔助油槽，以增大油槽體積，以保證在冷卻水中斷15min的情況下推力軸承仍安全運行。

3.5 集電裝置

集電環熱套于集電環支架上，安裝在發電電動機集電環軸上部，并與刷架共同配置于發電電動機的集電環罩內。上部集電環罩可單獨拆除，將集電環、碳刷暴露在外面，方便集電環的檢修和維護。下部集電環罩內嵌于機組上蓋板與上機架之間，且與發電電動機循環風道隔離，以保證碳刷粉塵不污染定、轉子。

3.6 通風、冷卻系統

通風冷卻系統采用雙路徑自循環端部旁路通風無風扇通風冷卻系統。冷卻風壓由轉子轉動時的離心作用產生。定子機座外壁裝設8只空氣冷卻器（見圖7）。

（1）上側風路：空冷器出風→定子機座上側→轉子支架立筋上部間大風孔→轉子磁軛→磁極→定子→空冷器冷卻。

圖7 徑向通風特性曲線Fig.7 Characteristic of radial flow

（2）下側風路：空冷器出風→定子環形基礎板風孔之間→轉子支架立筋下部間大風孔→轉子磁軛→磁極→定子→空冷器冷卻。

清遠空冷器冷卻管為雙層銅鎳合金管，可避免由空冷器冷卻水管漏水噴向定子引起的短路。

3.7 防油霧裝置

在上導、推力及下導軸承油槽蓋上設置與軸無間隙的刷型密封裝置，以防止油或油霧進入發電機內部及冷卻循環系統。

在軸承蓋上設有油氣引出管，引到機坑外的油氣分離裝置，消除油霧對發電機的污染。

4 結束語

清遠抽水蓄能電站機組發電電動機的設計完全采用了東芝公司成熟的、經典的發電電動機技術，是東芝水電首次實現對東芝公司發電電動機技術的全面引進和吸收。2015年11月30日，清遠抽水蓄能電站首臺機組投入商業運行，各主要部件的溫度、振動、擺度等各項指標均處于優良范圍，2015年3月16日第二臺機組也投入了商業運行，性能比1號機組略優。這標志著東芝水電在大容量高轉速發電電動機的設計、制造上已同步達到東芝公司的高水平，為今后同類型機組的設計提供借鑒。

［1］白延年.水輪發電機設計與計算［M］.北京：機械工業出版社，1982.

［2］孟繁聰，蔣明君，王莉.大型抽水蓄能電站發電機定子95%接地保護動作跳閘分析［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（2）：31-34.MENG Fancong,JIANG Mingjun,WANG Li.Analysis on 95% Gentrator Stator Grounding Protection Tripping of Pumed Storage Power Plant［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(2):31-34.

黃小紅（1975—），女，工程師，主要研究方向：發電機設計等。E-mail:huang.xiaohong@toshiba-thpc.com

吳金水（1963—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：發電機設計和絕緣。E-mail:wu.jinshui@toshiba-thpc.com

小野田勉（1958—），男，主任工程師，主要研究方向：發電機設計等。

Design Feature of Qingyuan Pump Storage Power Station Generator-motor

HUANG Xiaohong1,WU Jinshui1,ONODA Tsutomu2
［1.Toshiba Hydro Power（Hangzhou）Co.,Ltd.,Hangzhou 310016,China; 2.Toshiba Corporation,Yokohama 230-0045,Japan］

Qingyuan pump storage power station is of the most large single unit volume pump storage station put into operation in demestic at present.Qingyuan generator motor’s design apply TOSHIBA’s matured and traditional technique.This paper takes emphasis on introducing the design feature of Qingyuan generator motor.It is both the digestion and absorbtion of TOSHIBA’s generator motor technique and it can also provide some reference for the design of similar large volume and high speed generator motor in the future.

generator motor; large volume; high speed

TV734.2

A 學科代碼：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.006