長河壩水輪發電機選型計算與性能分析

劉新天，喬照威

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150040）

0 前言

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級電站，上接猴子巖水電站，下接黃金坪水電站。電站裝有4臺650MW水輪發電機組，工程建設以發電為主。為保證長河壩水輪發電機各次性能指標，本文主要從電磁方案的選型和主要性能的分析計算出發，對該發電機的參數選擇的合理性和主要電磁性能指標進行分析。

1 方案選擇與主要電磁參數

1.1 額定值

長河壩水輪發電機需按以下基本參數進行方案選型計算：

額定容量/功率：722.3MVA/650MW

額定電壓：20kV

額定功率因數：0.9（滯后）

額定頻率：50Hz

相數：3

額定轉速：142.9r/min

飛逸轉速：255r/min

GD2：120000t·m2

1.2 方案選擇

1.2.1 主要尺寸確定

電機的主要尺寸是指定子鐵心內徑Di（或極距τ）及鐵心長度lt，選擇和確定Di和lt時應考慮下列問題[1，2]：

（1）電負荷和磁負荷應在合理的取值范圍內，并使Xd′、Xd′等參數滿足要求；

（2）選擇的主要尺寸應使轉子磁軛在正常的寬度和允許應力下，自然滿足所要求的GD2值；

（3）由主要尺寸所決定的定子和轉子等大部件的尺寸應滿足運輸條件的要求；

（4）滿足發電機本身通風冷卻的要求；

（5）機組總體結構布置合理。

鐵心內徑和長度與額定容量及額定轉速有下述關系：

式中：

SN—額定容量/kVA；

Di—鐵心內徑/m；

lt—鐵心長度/m；

nN—額定轉速/r/min ；

C—利用系數 /kVA·m3·r/min；

K—常數 /K=1.35×10-6；

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A—定子電負荷/A/cm；

Bδ—氣隙磁密/G。

綜合考慮，長河壩發電機的定子鐵心內徑為12600mm，鐵心長度為3100mm。

1.2.2 支路數與槽電流

對于42個磁極的水輪發電機，為滿足繞組完全對稱的條件，可選的支路數包括 1、2、3、6、7、14、21、42，發電機額定功率為650MW，額定電壓為20kV，對應不同支路數時的支路電流與槽電流見表1。

表1 不同支路數對應的支路電流與槽電流

對于650MW的水輪發電機，采用全空冷方案時槽電流最好控制在5500～7000A左右，因此，最優的支路數為6，此時槽電流為6949A。

電負荷A是水輪發電機的主要技術、經濟參數之一，它對發電機的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。為控制電機的主要尺寸，必須盡量提高電機的利用系數，其表達式為：

A值的大小決定了定子內圓單位表面積所產生的繞組銅損的大小，因而直接影響溫升和效率的高低。在定子鐵心內徑確定的前提下，選擇不同的槽數可決定不同的A值，發電機定子槽數與電負荷的對應關系見表2。

表2 定子槽數與電負荷對應關系

對于650MW等級的全空冷水輪發電機，電負荷一般選取在800～900A/cm左右，可以獲得合理的利用系數。另外，從控制熱負荷、運行穩定域寬考慮，選擇504槽方案是比較適宜的。

1.3 主要電磁參數

發電機主要電磁設計參數見表3。

表3 主要電磁設計參數

2 主要性能指標

2.1 電壓波形畸變系數分析計算

電壓波形畸變率是水輪發電機的重要性能指標，反映電壓波形的正弦性[3]。應用運動網格時變電磁場有限元對長河壩發電機的空載線電壓全諧波進行計算，結果如下：

空載線電壓全諧波因數：0.648%。

空載磁場分布如圖1所示。

圖1 空載磁場分布

2.2 阻尼繞組穩態和瞬態特性分析計算

應用專用軟件程序對長河壩發電機的阻尼系統進行全面分析計算。分析計算表明，對應額定容量長期不對稱負荷運行工況，當負序電流的標么值為9%時，阻尼繞組的最高溫升和溫度值分別為44.6K和97.6℃。

在瞬態短路工況，阻尼系統的負荷能力按I22t≥40考慮，對應額定容量相間不對稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為58.7K和111.7℃；單相對地不對稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為52.9K和105.9℃。

在長期不對稱負荷和突然不對稱短路工況下，長河壩發電機的阻尼繞組溫升計算值在運行實踐和經驗范圍內，并具有一定的裕度，滿足安全可靠運行要求。

2.3 定子線棒特殊換位分析計算

通常水輪發電機有3種換位方式：360°換位、不完全換位和空換位。為使定子繞組中環流引起的熱損耗和發熱量最小，以減小股線在槽部漏磁場中不同位置產生環流引起的附加損耗和股線間溫差，應用電磁場有限元程序對不同的換位方式進行分析計算并計及集膚效應和電流密度的變化[4]。結果表明，定子線棒采用的最佳換位方式為325.71°不完全換位。

2.4 發電機誤同期并網分析計算

發電機誤同期并網時，將產生沖擊電流，在發電機轉軸上產生沖擊轉矩[5]。應用仿真軟件程序對發電機120°和180°誤同期并網時的U、V、W三相電流及電磁轉矩瞬態過程進行全面分析計算，并計及發電機和水輪機機械系統及飽和的影響。計算結果見表4。

表4 誤同期并網計算結果

2.5 定子繞組端部電動力分析計算

發電機發生短路或誤同期工況時，將產生沖擊電流，此時定子繞組端部受到沖擊電動力，嚴重情況下致使繞組發生變形，影響機組安全運行[6]。應用計算軟件對6種工況的定子繞組端部電動力進行分析計算，詳見表5。從表5可知，120°誤同期工況定子繞組端部承受的電動力最大。端部固定結構據此進行設計和核算，以滿足機組安全可靠穩定運行要求。

表5 定子繞組端部電動力計算結果

2.6 短路電流分析計算

發電機突然短路時，繞組中產生強大的沖擊電流，其值可達額定值的10余倍以上，進而產生強大的沖擊電磁力，影響機組安全運行[7]。應用專用計算軟件對發電機突然短路電流進行計算，同時考慮參數飽和的影響。額定容量對應短路電流各分量在不同時刻的計算值見表6、圖2。

表6 額定容量對應短路電流分量計算值/kA

圖2 三相突然短路電流隨時間變化曲線

2.7 已經運行的類似機組

目前已經運行同轉速的巨型電站有四川二灘550MW、四川錦屏一級600MW、青海拉西瓦700MW。主要電磁設計參數見表7。

表7 主要電磁設計參數

3 結論

本文通過分析水輪發電機主要尺寸與參數關系、支路數與槽電流關系、電負荷與定子槽數關系，確定了長河壩水輪發電機電磁方案。電壓波形畸變系數、阻尼繞組穩態和瞬態特性、定子線棒換位、誤同期并網、定子繞組端部電動力、短路電流等主要性能指標的分析結果表明，長河壩水輪發電機設計參數合理，其運行結果符合巨型水輪發電機設計經驗，通過與類似容量運行機組比較，長河壩發電機具有運行安全可靠、穩定域寬、功率裕度大、易于調節及維護的特性。目前，4臺機組均已發電，且運行良好。