锦屏一级水轮发电机选型计算与性能分析

CleanEnergy

第35卷第4期2019年4月

文章编号：1674-3814（2019）04-0066-05

电网与清洁能源

PowerSystemandCleanEnergy中图分类号：TM312

Vol.35No.4

Apr.2019文献标志码：A

锦屏一级水轮发电机选型计算与性能分析

刘新天1，乔照威1，陈森林2

2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨

150040；

710048）

DesignandAnalysisofJinpingIHydro-Generator

（1.HarbinElectricMachineryCompanyLimited，Harbin150040，Heilongjiang，China;2.StateKeyLaboratoryofEco-Hydraulicin

NorthwestAridRegionofChina，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，Shaanxi，China）

ABSTRACT：TheratedcapacityofJinpingIhydro-generator

LIUXintian1，QIAOZhaowei1，CHENSenlin2

is600MW，andtheratedspeedis142.9r/min.Inthispaper，the

发规划的“控制性”水库。水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。枢纽建筑由挡水、泄水及消能、引水发电等永久建筑物组成，其中混凝土双曲拱坝坝高建基面高程1580m。总装机容量360万kW（6台×305m，为世界第一高双曲拱坝，坝顶高程1885m，60万kW），电站主要任务是发电。枯水年枯期平均年利用小时数4616h，电站建成后在系统中担负调峰及事故备用，枯水期担负峰腰荷，丰水期主要担负基荷，是四川电力系统中骨干电站，也是西电东送的骨干电站之一。

electromagneticschemeofthehydro-generatorisdeterminedaf⁃teranalyzingthemainsizes，numberofparallelcircuits，slotcur⁃rent，linearcurrentdensityandslotnumber.Onthisbasis，theperformanceanalysisismadeonthevoltagedistortion，stableandtransientcharacteristicsofthedampwinding，statorbar

transposition，out-of-phasesynchronization，endingelectromag⁃neticforceofthestatorwindingandshort-circuitcurrent，whichprovesthereasonabilityandreliabilityofthedesignscheme.TheformsalltheapplicablecodesandstandardsinGB/T74.analysis

出力108.6万kW，多年平均年发电量166.2亿kW·h，

operationresultsshowthatJinpingIhydro-generatoroutper⁃KEYWORDS：JinpingⅠ；hydro-generator；electromagnetics；摘要：锦屏一级水轮发电机额定出力为600MW，额定转速142.9r/min。通过对水轮发电机主要尺寸、支路数、槽电流、电负荷、定子槽数等进行分析，确定了水轮发电机电磁方案。在此基础上，分别从电压波形畸变系数、阻尼绕组稳态和瞬态特性、定子线棒换位、误同期并网、定子绕组端部电动力、短路电流等方面进行性能分析，论证水轮发电机设计方案的合理性与可靠性。机组运行结果表明，锦屏一级发电机的各项性能指标均优于国家标准GB/T74。关键词：锦屏一级；水轮发电机；电磁；性能分析

1水轮发电机方案选择与主要电磁

参数

为保证锦屏一级水轮发电机各项性能指标，本文主要从电磁方案的选型和主要性能参数的分析计算出发，对该发电机参数选择的合理性和主要电磁性能指标的优越性进行论证。

1.1

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开——————————

基金项目：国家自然科学基金项目（51527808）。China（51527808）.

ProjectSupportedbytheNationalNatureScienceFoundationof

额定值

锦屏一级水轮发电机需按以下基本参数进行方案选型计算：

额定容量/功率：8.6MV·A/600MW最大容量：700MV·A额定电压：20kV额定功率因数：0.925（滞后）

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额定频率：50Hz相数：3

额定转速：142.9r/min飞逸转速：270r/min飞轮力矩GD2：120000t·m2

1.2

1.2.1方案选择

设计确定主要尺寸

1台水轮发电机，首先是确定电机的主要

尺寸，即电机定子铁心内径Di与铁心长度l[1-2]

t、1）合理选择电负荷和磁负荷，：

Di和lt的选择应考虑下列问题

X′并保证电抗参数d、X″料范围内满足允许应力要求。2）满足d等满足技术指标；

GD2值要求，且保证转子磁轭在可选材条件。

3）大部件运输尺寸与重量应满足交通与起吊45）保证机组的正常通风冷却，满足温升要求。铁芯内径和长度与额定容量及额定转速有下

）总体结构布置合理，能够可靠运行。述关系：

SN=C⋅Di2⋅lt⋅nN=⋅K⋅A⋅Bδ⋅Di2S⋅lt⋅nN

式中：N为额定容量，kV·A；Di为铁心内径，m；lt心长度，kV·A·mm；n为铁

3·r/minN为额定转速，；K为常数，Kr/min=1.35×10；C为利用系数，-6；A为定子电负荷，A/cm；Bδ为气隙磁密，G。

综上考虑，锦屏一级水轮发电机的定子铁芯内径为1.2.212000mm，铁心长度为3250mm。

对于磁极数为确定支路数与槽电流

42的水轮发电机，为满足绕组

完全对称，可选的支路数包括1、2、3、6、7、14、21、42。锦屏一级水轮发电机额定功率为600MW，额定电压为20kV，对应不同支路数时的支路电流与槽电流见表1。

表1不同支路数对应的支路电流与槽电流

Table1Branchcurrentandslotcurrentfordifferent

numberofparallelcircuits

额定功率额定额定支路槽电功率/MW因数电压/kV电流/A支路数电流/A流/A6000.925201872536612732422121675835242350对于600MW等级的水轮发电机，采用全空冷

方案时槽电流最好控制在5500~7000A。由表1数6据可知，最优的支路数为6，此时槽电流为1.2.3242A电负荷确定电负荷与定子槽数

。

A是影响水轮发电机技术与经济指标

的主要因素之一，它直接影响水轮发电机发电机尺寸体积、电抗及绕组温升[3]。在保证水轮发电机主要性能指标的前提下，应缩小发电机体积，降低成本，尽可能增大发电机的利用系数，即：

C=K⋅A⋅Bδ

电负荷A的大小反映了发电机定子铁芯单位表面上的绕组铜耗，直接影响发电机的发热和温升。在定子铁芯内径确定的前提下，选择不同的槽数可决定不同的A值，发电机定子槽数与电负荷的对应关系见表2。

表2定子槽数与电负荷对应关系（额定/最大值）

Table2（Rated/Max.）linearcurrentdensityfor

differentslotnumber

槽电流/A定子槽数每极每相槽数电负荷/(A·cm-166242/673686242/673863+5/7777/838)6242/6242/67367365043+6/7807/8715224+1/74837/903867/935对于600MW等级的全空冷水轮发电机，综合考虑利用系数、热负荷、运行稳定性，电负荷一般选取在800~900A/cm。由表2数据可知，选择504槽是比较适宜的。

1.3主要电磁参数

锦屏一级水轮发电机主要电磁设计参数见表3。

表3主要电磁设计参数

Table3Mainelectromagneticparameters

额定容量/功率额定电压额定功率MV·A/MW8.6/60/kV因数额定频率/Hz200.92550额定转速/(r·min-1)定子铁芯外/定子铁芯长并联支内径/mm度/mm路数142.913130/1200032506定子槽数每极每相槽数槽电流/A电负荷/50446242(A·cm-1837)最小气隙长度/mm直轴瞬态电直轴超瞬态短路比抗/%电抗/%351.03021.8清洁能源

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2

主要性能指标

2.1

电压波形畸变系数分析计算

空载电压波形畸变率是发电机的重要性能指标，反映电压波形的谐波情况[4]。应用运动网格时变电磁场有限元对锦屏一级水轮发电机进行磁场仿真，如图1所示为某一时刻磁力线分布图。同时对空载线电压波形进行傅里叶分析，计算电压波形畸变率为0.91%。

图1空载磁场分布

Fig.1

Distributionofnoloadmagneticfield

2.2

阻尼绕组稳态和瞬态特性分析计算

应用专用软件程序对锦屏一级水轮发电机的阻尼系统进行全面分析计算。分析计算表明，对应额定容量长期不对称负荷运行工况，当负序电流的标么值为9%时，阻尼绕组的最高温升和温度值分别为37K和90℃。

40温升和温度值分别为考虑，在瞬态短路工况，对应额定容量相间不对称突然短路的最高阻尼系统的负荷能力按I22t≥61K和114℃；单相对地不对称突然短路的最高温升和温度值分别为108℃55K和在长期不对称负荷和突然不对称短路工况下，。

锦屏一级水轮发电机的阻尼绕组温升计算值在运行实践和经验范围内，并具有一定的裕度，满足安全可靠运行要求。

2.3定子线棒特殊换位分析计算

通常水轮发电机有3种换位方式：360°换位、不完全换位和空换位[5]。为使定子绕组中环流引起的热损耗和发热量最小，以减小股线在槽部漏磁场中不同位置产生环流引起的附加损耗和股线间温差，

应用电磁场有限元程序对不同的换位方式进行分析计算并计及集肤效应和电流密度的变化[6-7]。结果表明，定子线棒采用的最佳换位方式为328.5°不完全换位。

2.4

发电机误同期并网分析计算发电机投入并网时，相序应与电网一致，二者不同时发电机并网称为误同期并网[8]。应用仿真软件程序分别对锦屏一级水轮发电机120°和180°误同期并网时的U、V、W三相电流及电磁转矩瞬态过程进行全面分析计算，并计及发电机和水轮机机械系统及饱和的影响。表4为120°和180°误同期并网时三相电流瞬态峰值和电磁转矩瞬态最大值。

表4误同期并网计算结果

Table4

Calculationsynchronizationresultsoftheout-of-phase

pu

工况II120°180°误同期误同期12.7UVIWT15.412.711.711.76.96.8e5.6由表4中计算数据可知，180°误同期并网时，三相电流瞬态峰值要大于120°误同期并网时电流峰

值，电磁转矩瞬态最大值则要小于120°误同期并网时转矩最大值。

2.5

定子绕组端部电动力分析计算定子绕组端部结构复杂，当发生短路或误同期故障时，定子电流会瞬间增大数倍，此时定子绕组端部受到相互吸引或者排斥的电动力，在严重情况下将致使绕组发生变形，对绕组表面绝缘和固定绑扎部分产生破坏[9-10]。应用计算软件对额定工况、短路工况、120°误同期工况等6种工况的定子绕组端部电动力进行分析计算，计算结果如表5所示。

表5定子绕组端部电动力计算值

Table5Endingdifferentelectromagneticcondition

forcefor

N

工况定子端部电动力额定负载三相短路13空载三相短路12662额定负载两相短路7103空载两相短路6941额定负载稳态运行120°误同期166810323由表5中计算数据可知，120°误同期工况时定子绕组端部承受的电动力最大，为323N。因此，在结构设计时，定子绕组端部固定结构应力应按此

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值进行核算，以满足机组安全可靠稳定运行要求。

2.6

短路电流分析计算

发电机突然短路时，绕组中将出现强大的冲击电流，其值可达额定值的十余倍以上，进而产生强大的冲击电磁力，影响机组安全运行[11-12]。应用计算软件对锦屏一级水轮发电机额定运行时发生三相突然短路的电流值进行计算，同时考虑电抗参数饱和的影响。表6为U相短路电流各分量在不同时刻的计算值，图2为U相短路电流随时间的变化曲线。

表6三相突然短路U相电流分量计算值

componentTable6Calculatedatasuddenvaluethree-phaseofU-phaseshortcurrent

circuitkA

名称短路电流周期短路电流周期分量（有效值）分量（峰值）短路电流非周期分量0.10s83.41180.2s72.40.4s65.1102.2118∞s58.591.8100.431.182.781.144.953.30图2三相突然短路U相电流随时间变化曲线

Fig.2ThevariationcurvewithtimeofUphasecurrenta

suddenthree-phaseshortcircuit

2.7

机组投产发电，2013机组运行试验数据年8月201430年日，7锦屏一级水电站首批月12日，最后一台机组投2台产运行，实现了6台机组全面投产。表7所列数据为6台机组额定运行时温升数据。

定子绕组与定子铁芯温升通过检温计法进行测量，转子绕组温升通过电阻法测量，空气冷却器冷热风温度、进出水温度通过检温计法进行测量。定、转子温升是水轮发电机设计关注的温升指标，根据合同中技术要求，定子绕组温升为72K，定子铁心温升为70K，转子绕组温升为76K，由表7中机组测量数据可知，定子铁芯、定子绕组、转子绕组温升均远低于合同要求，表明锦屏一级水轮发电机运行状况良好，在一定程度上反映了较高的技术水平。

表76台机组额定运行温升数据

Table7

Ratedoperationtemperaturerisedataofsix

hydro-generators参数599.71号2号3号6号有功功率/MW定子电压/kV20.91597.6597.5610.74号17.8820.9020.94607.55号607.321.02定子电流/kA0.92617.5720.9318.04功率因数366.30.94117.660.9361820.9818.040.9280.925励磁电压/V335733283560.934367.83422372.434370.93460373.9励磁电流/A3477定子绕组最高温度/℃75.774.474.880.182.681.3定子绕组最高温升/K52.151.251.857.859.657.05定子铁心最高温度/℃59.961.569.361.263.2.3定子铁心最高温升/K36.338.346.338.94040.05转子绕组平均铜温度/℃78.87.3684.279.884.1转子绕组平均铜温升/K55.44.3661.956.859.9平均冷风温度/℃23.623.22322.32324.25平均热风温度/℃48.948.249.750.24849.86进水总管温度/℃13.513.813.81413.813.9出水总管温度/℃18.81919.419.619.219.8空冷器平均出水温度/℃21.921.721.821.321.522.082.8

已经运行的类似机组

550机组主要电磁设计参数见表MW目前已经运行同转速的巨型电站有四川二滩、长河坝650MW、青海拉西瓦8。

700MW。各3结论

本文通过分析水轮发电机主要尺寸与参数关

系、支路数与槽电流关系、电负荷与定子槽数关系，确定了锦屏一级水轮发电机电磁方案。电压波形畸变系数、阻尼绕组稳态和瞬态特性、定子线棒换位、误同期并网、定子绕组端部电动力、短路电流等主要性能指标的分析结果表明，锦屏一级水轮发电机设计参数合理，其运行结果符合巨型水轮发电机设计经验，通过与类似容量运行机组比较，锦屏一级发电机具有运行安全可靠、稳定域宽、功率裕度

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大、易于调节及维护的特性。目前，根据电站机组运行情况，6台机组均已发电，运行状况良好。

表8主要电磁设计参数

Table8Mainelectromagneticparameters

MV·A/MW容量/功率额定电压功率因数额定频率722.3/650612/550/kV18756.7/700200.9/Hz50180.9250.95050额定转速/(r·min铁心外铁心长度-1142.9)12/mm/内径并联支路数142.913782/112/mm6142.913770/12810770/126006003883310025067定子槽数每极每相槽电流电负荷槽数4863+6/7/(A/cm)50446/A8605044636950937887886最小气隙/mm短路比直轴瞬态电抗/%直轴超瞬态电抗/%33.536361.051.030.92921.81.031.52424参考文献

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ElectricMachineandHydraulicTur⁃

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收稿日期：2018-11-02。作者简介：

刘新天（1961—），男，本科，高级工程师，主要从事水轮发电机设计工作；

乔照威（1984—），男，博士，高级工程师，主要从事水轮发电机设计工作；

陈森林（1984—），男，博士，讲师，主要研究方向为两相流混输泵及水轮机设计研发。

（编辑李沈）