敦化發電電動機電磁設計

周波，馬信武，訾士才

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

國內對于高轉速大容量，特別是額定轉速為500r/min的發電電動機設計、制造經驗尚不十分豐富，技術儲備比較缺乏。而隨著國民經濟的快速發展，國內一批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，如陽江、敦化、長龍山、洛寧、平江、渾源等電站。因此，依托敦化發電電動機對此類電磁設計進行研究，研究成果將為后續類似項目提供寶貴經驗及技術儲備，特別是長龍山、洛寧、平江發電電動機的容量和轉速與敦化完全相同。

1 額定數據及主要性能要求

發電工況額定容量：388.9MVA

電動工況軸輸出功率：≥373MW

額定電壓：18kV

額定功率因數：0.9(發電工況)

0.975(電動工況)

額定頻率：50Hz

額定轉速：500r/min

飛逸轉速：740r/min

飛輪力矩GD2：≥4000 t·m2

冷卻方式：全空冷

短路比：≥0.93

直軸瞬態電抗X′du：≤0.325

直軸超瞬態電抗X″du：≥0.195

2 電磁設計

2.1 定子鐵心內徑確定

電機的定子鐵心內徑選取通?？紤]以下主要因素

(1)電負荷和磁負荷應在合理的取值范圍內，并使X′d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，自然滿足機組GD2要求；

(3)滿足發電機本身通風冷卻的要求；

(4)轉子機械強度允許的最大圓周速度。

對于超高水頭、大容量的敦化發電電動機，主要考慮的是轉子部分的機械強度，由于機組的飛逸轉速較高，因此定子鐵心內徑不宜選取過大，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，鐵心內徑太小，將影響電機的通風冷卻及軸系穩定性。為了選取更為合理的定子鐵心內徑，對以往類似機組進行了統計，詳細數據詳見表1。

表1 額定轉速為500r/min電站的定子鐵心內徑統計

表1數據統計，300MW、500r/min發電電動機定子鐵心內徑取值在4400～4800mm之間，由于敦化發電電動機額定功率超過300MW，定子鐵心內徑取值在轉子材料應力允許的情況下，應盡量選大些。根據當時轉子應力計算成果，最終定子鐵心內徑確定為4840mm。

2.2 槽電流和電負荷選取

槽電流與發電機的容量、電壓、并聯支路數、繞組型式及冷卻方式等有關。槽電流太小，表明發電機有效材料的利用較差、不經濟，且槽距過小可能導致定子繞組安裝困難；槽電流太大，將導致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，可能會產生繞組局部發熱，在工藝上由于線圈表面增大，使制造較復雜。

電負荷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。電負荷的取值與每極容量、絕緣等級以及冷卻方式有關。

敦化發電電動機為大容量、高轉速，槽電流及電負荷均不宜選取過低。為了選取更為合理的槽電流及電負荷，對以往類似機組進行了統計，詳細數據詳見表2。

表2 300MW及以上發電電動機槽電流和電負荷統計

敦化發電電動機不同并聯支路下的槽電流詳見表3，不同定子槽數下的電負荷詳見表4。

表3 敦化發電電動機不同并聯支路數下的槽電流

表4 敦化發電電動機不同槽數下的電負荷

表2數據統計顯示，類似的發電電動機槽電流值范圍是5079～7142A，電負荷值范圍是713～884A/cm。

根據表3槽電流計算，當并聯支路數為3時，槽電流值為8316A，明顯偏大，不適用于全空冷結構，不可選。當并聯支路數為4時，槽電流值為6237A，在統計數據范圍內之間，且非常理想。當并聯支路數為6時，槽電流值為4158A，明顯偏小，不在統計數據范圍內之間，不宜優先選取。因此，對于敦化發電電動機，并聯支路選4是更為合理的，此時槽電流為6237A。

敦化發電電動機極數為12，所選支路數為4，為保證定子繞組的對稱，定子槽數只能選每極每相槽數為整數的槽。表4數據顯示，當定子槽數選252槽時，電負荷值為1044A/cm，明顯偏高，不適合全空冷結構，不可選。當定子槽數選180槽和216槽時，電負荷值分別為746A/cm和895A/cm，均在合理選值范圍內，考慮到敦化發電電動機轉速較高，為提高機組軸系穩定性，發電電動機利用率應盡量選高些，以降低定子鐵心高度，電負荷選取偏上限更為合理。因此，從綜合因素考慮，敦化發電電動機最終定子槽數選216槽，此時電負荷為895A/cm。

2.3 定、轉子繞組電流密度選取

對于全空冷發電(電動)機，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荷和熱負荷有關，其中熱負荷是有效控制定子繞組溫升及確定發電機冷卻方式的重要參數，其數值為定子電流密度與電負荷的乘積。較高的熱負荷將導致槽絕緣內溫差增大，線圈溫升增高。對于大型空冷發電電動機而言，熱負荷宜在2500A2/c m·mm2以內，最大不應超過2700A2/c m·mm2。最后經過計算，敦化發電電動機定子繞組電流密度選取2.79A/mm2，此時熱負荷為2494A2/c m·mm2。

敦化發電電動機轉子繞組采用散熱匝結構。轉子繞組電流密度平均值選值通常不高于2.5A/mm2。對于高轉速、大容量發電電動機，轉子的電磁設計難度最大，由于發電電動機直徑較小，在控制轉子磁極極身根部磁通密度不過大的情況下，想降低轉子繞組電流密度難度較大。最終經過綜合考慮，敦化發電電動機轉子繞組電流密度為2.71/2.34A/mm2(普通匝/冷卻匝)，此時轉子磁極極身根部磁通密度為1.757T，為哈電設計的發電電動機最高值。

從降低轉子溫度角度上看，轉子繞組宜考慮雙面通風冷卻結構，以改善轉子繞組散熱條件，但由于當時我公司仍在對轉子繞組雙面通風冷卻結構研究過程中，技術還并不成熟，從機組安全可靠性考慮，敦化發電電動機轉子繞組最終未采用雙面通風結構。

2.4 磁負荷

與電機磁路相對應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和電負荷一樣，對發電機的利用系數影響較大，Bδ越大發電機的利用系數就越高，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，敦化發電電動機Bδ最終設計值為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，敦化發電電動機Btmin最終設計值為1.778T。

定子軛部磁通密度Bj正常取值為1.2～1.3T。由于敦化發電電動機的轉速較高、容量較大，定子沖片的徑向寬度較寬，為保證定子鐵心疊片壓緊質量，定子沖片的徑向寬度不宜過寬，因此為了控制定子沖片的徑向寬度，敦化發電電動機的Bj取值比正常選值要高些，經過綜合考慮，Bj最終取值為1.352T，此時定子沖片徑向寬度為655mm。

敦化發電電動機磁極采用塔形向心結構，磁極極身根部較窄，極身根部磁通密度Bm較大。在電磁設計時，已在盡量考慮將磁極極身根部寬度加大，但由于電機直徑尺寸偏小，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，為哈電設計機組中Bm取值最大的，負載時極身磁通密度為1.825T，負載時極身磁通密度最大不能超過1.85T。

2.5 通風冷卻

為了提高敦化發電電動機通風冷卻效果，在電磁設計時將定子通風溝高度由以往的6mm優化為5mm，在通風截面積不變的情況下，通風溝數量增加了20%，增大定子鐵心的散熱面積，可有效降低定子的溫度。

2.6 發電電動機主要技術參數

按照上述選值理論，對敦化發電電動機進行了電磁設計，主要技術參數，此電磁設計已應用于哈電設計的敦化發電電動機上。

敦化發電電動機主要技術參數如下。

發電電動機結構型式立軸懸式；發電工況額定容量388.9MVA；電動工況軸輸出功率≥373MW；額定電壓18kV；額定功率因數0.9(發電工況)，0.975(電動工況)；額定頻率50Hz；額定轉速500r/min；最大飛逸轉速740r/min；相數3；發電機飛輪力矩≥4000 t·m2；額定電流12474A；冷卻方式全空冷；定子槽數216；每極每相槽數6；每相并聯支路數4；槽電流6237A；電負荷895A/cm；定子繞組電流密度2.79A/mm2；定子鐵心外徑6150mm；定子鐵心內徑4840mm；定子鐵心長度3200mm；轉子外圓最大周速184m/s；定、轉子最小氣隙長度50mm；轉子繞組匝數32+16(普通匝/冷卻匝)；轉子繞組線規5.6×112/130mm；轉子繞組電密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；直軸瞬態短路時間常數直軸瞬態開路時間常數交軸超瞬態開路時間常數定子繞組短路時間常數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；發電機工況進相容量169.5MVar；調相容量(發電工況)253MVar；發電機工況額定效率98.80%；電動機工況額定效率98.91%。

3 結語

敦化是國內首個額定轉速為500r/min及以上，單機容量達到350MW的發電電動機，設計難度非常大。

在電磁設計過程中，調研了已運行的其他類似電站，并在此基礎上，確定更為合理的電磁選型，并采取優化改進措施，如盡量提高電負荷、降低定子通風溝高度從而增加通風溝數量、提高定子軛部磁通密度取值。

敦化發電電動機的電磁設計為后續轉速為500r/min、單機容量為350MW及以上的發電電動機設計提供了技術儲備和經驗。通過敦化發電電動機設計研究，高轉速大容量發電電動機主要的設計難度在于轉子，軸系穩定性、轉子繞組通風冷卻、磁極根部最大磁密等均與轉子設計相關，而改善或降低這些方面的設計難度最有效的方法就是增大定子鐵心內徑，但此方面又受到轉子應力的限制。因此如何增大定子鐵心內徑且保證轉子安全性是高轉速大容量發電電動機將來的一個主要研究方向。再有就是研究改善轉子通風冷卻的措施，如轉子繞組采用雙面通風。