汪 蒲

(1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院，2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

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采用GVPI技術(shù)的50～60 MW空冷發(fā)電機的電磁設(shè)計

汪 蒲1，2

(1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院，2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

以現(xiàn)有的60 MW空冷發(fā)電機為原型，對50～60 MW級產(chǎn)品進行系列化、模塊化設(shè)計。開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的采用GVPI技術(shù)的50～60 MW級空冷發(fā)電機。新系列發(fā)電機比原型機體積小、成本低、效率高，達到國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進水平。

發(fā)電機；可靠性；材料利用率；模塊化；短路比

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，發(fā)電形式逐漸趨于多元化，這使得容量在100 MW以下的小型空冷發(fā)電機在如今國內(nèi)發(fā)電機市場中的比重日益增大，逐漸顯現(xiàn)出其不可替代的市場價值，有著較大的市場需求[1]。

為了降低產(chǎn)品的制造成本，實現(xiàn)空冷機型的系列化和模塊化，本次自主開發(fā)采用GVPI技術(shù)的50～60 MW空冷發(fā)電機。 本設(shè)計包含4個機型的空冷發(fā)電機，分別是60 MW-50 Hz-10.5 kV型，60 MW-50 Hz-6.3 kV型，50 MW-50 Hz-10.5 kV型和60MW-60 Hz-13.8 kV型，技術(shù)參數(shù)見表1。

1 設(shè)計的原則與目標

1.1 設(shè)計原則

1) 本設(shè)計將可靠性放在首位，以現(xiàn)有60 MW空冷發(fā)電機(原型機)為基礎(chǔ)，參考GVPI空冷發(fā)電機的絕緣結(jié)構(gòu)和其它汽輪發(fā)電機的成熟結(jié)構(gòu)；

2) 本設(shè)計發(fā)電機單位容量的有效體積應比原型機適當減小，以提高材料的利用率；

3) 本設(shè)計應充分考慮50～60 MW系列的50 Hz及60 Hz空冷發(fā)電機的系列化和模塊化；

4) 本設(shè)計的發(fā)電機性能應滿足相關(guān)國家標準中的各項規(guī)定。

1.2 設(shè)計目標

表1 采用GVPI技術(shù)的50～60 MW級空冷發(fā)電機需滿足的技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)計值的確定

2.1 轉(zhuǎn)子本體直徑和長度

按照系列化、模塊化的設(shè)計要求，本設(shè)計4個機型的轉(zhuǎn)子直徑均在原型機的基礎(chǔ)上縮小35 mm，通過改變定子槽數(shù)、定子鐵心長度等參數(shù)，實現(xiàn)容量、電壓或頻率的變化[2]。

2.2 定子鐵心內(nèi)外徑和長度

考慮到應將短路比控制在0.45的設(shè)計目標附近，本設(shè)計4個機型的單邊氣隙長度均比原型機縮小4.5 mm，按照機座設(shè)計系列化和模塊化的要求，在保證磁密合格的情況下，定子外徑統(tǒng)一比原型機縮小130 mm。

60 MW和50 MW等50 Hz發(fā)電機方案的定子鐵心比轉(zhuǎn)子本體長度短50 mm。對于60 MW-60 Hz發(fā)電機，由于其定轉(zhuǎn)子端部氣隙處的風速較高，故需將定子長度進一步縮短，以增大定轉(zhuǎn)子端部氣隙，從而降低此處的風速。

2.3 定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)

60 MW(10.5 kV，6.3 kV)和50 MW(10.5 kV)等50 Hz方案的轉(zhuǎn)子槽數(shù)/槽分度數(shù)，比值γ接近0.7，可獲得較好的電勢波形及減少磁場高次諧波在定子表面產(chǎn)生的附加損耗。

對于60 MW(13.8 kV)-60 Hz方案，為保證轉(zhuǎn)子齒安全系數(shù)滿足要求，需將轉(zhuǎn)子槽數(shù)/槽分度數(shù)比值進行調(diào)整。

2.4 定、轉(zhuǎn)子槽形

本設(shè)計4個機型需同時從設(shè)計模塊化及降低成本的角度考慮，當定子槽數(shù)及并聯(lián)支路數(shù)相同時，力求將定子槽形設(shè)計成相同的尺寸。

本設(shè)計4個機型的定子槽形都與原型機相同，即開口平行槽。其中，60 MW-50 Hz-10.5 kV方案，定子槽寬×槽高為18 mm×169 mm。50 MW-50 Hz-10.5 kV和60 MW-60 Hz-13.8 kV方案，定子槽寬×槽高均為28.9 mm×172 mm。這2個方案的電壓不同，絕緣厚度不同，因此13.8 kV方案的定子銅線尺寸略小于10.5 kV方案。60 MW-50 Hz-6.3 kV方案，定子槽寬×槽高為25.2 mm×171 mm。

50 Hz方案的3個機型轉(zhuǎn)子采用模塊化設(shè)計，轉(zhuǎn)子橫截面設(shè)計相同。轉(zhuǎn)子槽形為開口平行槽，槽底開有斜副槽。線槽采用深淺槽設(shè)計。

60 Hz方案的轉(zhuǎn)子槽形為開口平行槽，槽底開有斜副槽。未采用深淺槽設(shè)計。

2.5 定子線規(guī)

本設(shè)計4個方案的定子線圈冷卻方式與原型機相同，均采用實心銅線編織結(jié)構(gòu)，股線采用兩排布置，并根據(jù)槽形和絕緣尺寸調(diào)整股線尺寸和數(shù)量。

2.6 轉(zhuǎn)子線規(guī)

本設(shè)計4個方案采用與原型機相同，采用含銀無氧銅線的轉(zhuǎn)子導體材料。優(yōu)化轉(zhuǎn)子槽形尺寸后，50 Hz和60 Hz方案的轉(zhuǎn)子單匝銅線尺寸統(tǒng)一為同一規(guī)格。

3 結(jié)語

本設(shè)計的4個機型，定轉(zhuǎn)子的有效體積D2L/MVA比60 MW原型機小20%～22%，降本幅度較大。短路比均在0.5～0.56范圍內(nèi)，比原型機略低，但滿足GB/T 7064—2008《隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求》中的規(guī)定。發(fā)電機效率均超過98.2%，滿足國標要求。各方案的發(fā)電機電磁設(shè)計參數(shù)比較如表2所示。

本系列化設(shè)計的空冷發(fā)電機體積比原型機小，制造成本較低。發(fā)電機結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，總體結(jié)構(gòu)趨于成熟可靠，性能優(yōu)越，抗電網(wǎng)波動能力強，適用于國內(nèi)外市場。

表2 采用GVPI技術(shù)的50～ 60 MW空冷發(fā)電機電磁設(shè)計方案比較表

[1]汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行[M].上海：上海科學出版社，2012.

[2]陳世坤.電機設(shè)計[M]. 2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.