汽轮发电机定子绕组三支路设计

２８　汽轮发电机定子绕组三支路设计　２０ｌ０．№３　汽轮发电机定子绕组三支路设计　李存鹏，黄浩，李金香　（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨１５００４０）　［摘要］　本文介绍了汽轮发电机定子三支路绕组的接线原理、接线方式和定子槽数的选择，简述了三支路　绕组的计算分析方法。　［关键词］　汽轮发电机；定子绕组外冷；并联支路数。　［中图分类号］ＴＭ３１　ｌ　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１０００．３９８３（２０１０）０３－－００２８－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｓｔａｔｏｒ　Ｗｉｎｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｔｈｒｅｅ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｂｒａｎｃｈｅｓ　ＬＩ　Ｃｕｒｌ－ｐｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｈａｏ，ＬＩ　Ｊｉｎ－ｘｉａｎｇ　（Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｒｅｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｂｒａｎｃｈｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｆｉｂｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅｍ　ａｌｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｃｏｏｌｅｄ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ，ｐａｒａｌｌｅｌ　ｂｒａｎｃｈ　ｎｕｍｂｅｒ．　１前言　汽轮发电机的定子绕组和转子绕组是发电机损耗　发热最大的两个部件【】】。冷却定子绕组有内冷和外冷　（表面散热）两种方式。定子绕组的外冷是由冷却介　质将铜导体产生的热量经过主绝缘间接带走的一种方　式，但冷却的效果受绝缘温降高的制约。本文介绍定　子绕组外冷的汽轮发电机，通过采用三支路绕组的接　线方式来降低定子线棒温升的方法。　通过电气和结构设计减少定子绕组损耗、提高定　子绕组通风散热能力、降低定子绕组温升对提高定子　绕组外冷汽轮发电机单机容量尤为重要。一般措施如　下：　组的汽轮发电机，支路对称定子绕组最多可能的并联　支路数为２，如果并联支路数大于２，定子绕组各支路　间势必会因为支路电势不平衡而产生电势差和支路环　流损耗问题。这种不平衡用不对称度ｌ２】表示，取各支路　电势中最大的　度△　为：　和最小的　则支路电势不对称　△Ｕ＝　ｘ１００％　（Ｉ）　不对称度值越小，对称情况越好，支路环流越小。　支路不对称可分为三种情况：幅值不对称、相位　不对称和幅值相位均不对称。由于第三种不对称绕组　较为复杂，汽轮发电机设计一般不予采用。因此，按　支路合成电势最大、各支路间电势差最小的设计原　则，并考虑生产工艺实际，３支路绕组只能是将每个极　相组的绕组按相位差为一个槽距角连成３个支路（如　图ｌ所示，暂称其为极相支路），然后再将两个极下的　６条极相支路两两串接形成３支路。　（１）降低发电机定子电流和电密；　（２）减薄定子线棒主绝缘，减小绝缘热阻；　（３）增加线棒股线数和采用有效换位技术降低定　子线棒的附加损耗；　（４）加大风量；　（５）增加定子线棒散热面积。　计算分析表明，受发电机容量、电压、效率、短　路比和成本等关键条件限制，上述（１）＾＜４）项措施对解　决定子线棒温升问题的贡献极其有限，只有第（５）项是　最为有效的方法。　２三支路绕组　对于常规６Ｏ。相带的３相、２极、双层、整数槽绕　图１曼支路绕组接线　２０１０．№３　大电机技术　２９　两个极下的６个极相支路两两串接可能的串接方　式理论上有ｌ５种，但为了尽量减小支路间电势差和环　流损耗，使支路合成电势最大、各支路间相角差最小、　谐波磁势幅值尽可能小，则应采用３个支路的合成相　●位相同（如图２和图３所示，称为同相接线）或合成　Ｌ　电势相同（如图４所示，称为非同相接线）两种接线　３定子槽数选择　对于常规的３相２极整数槽汽轮发电机，并联支　路数为３的定子槽数应为１８的倍数。理论上可选的定　子槽数为１８、３６、５４、７２、９０…。实际上，如选用５４　Ｕ　槽则仅相当于２支路的３６槽，由于槽数过少，电机体　／／１　方式。　支路１　Ａｌ　图２同相接线１　支路１支路２　Ａ２Ｘ２　支路３　图３同相接线２　支路１　蹙　支路３　图４非同相接线　／，　积较大，所需的励磁安匝多，电压波形不好，附加损　耗大；而９Ｏ槽虽然相当于２支路的６０槽，但由于槽　Ⅺ　数过多，下线困难，无效用铜多，线棒线圈制造和下　线工时多。所以，７２槽几乎成了２极汽轮发电机定子　绕组三支路设计的唯一理想方案。　４三支路绕组的计算　根据电机学和交流电机绕组理论推导可知，对称支　路绕组的绝大部分计算方法仍然适用于三支路绕组，但　在绕组系数【３】、不对称度和支路环流损耗等几个方面存　在较大差异，而且这几个参数因接线方式而不同。　科研中运用有限元法对ＨＥＣ空冷３５０ＭＷ汽轮发　电机（３相、２极、定子槽数为７２、并联支路数为３）　设计方案分析表明，非同相接线时绕组支路问的环流　较大，环流损耗大，电机发热严重，故实际电机不宜　选用此种接线；同相接线的两种方式虽然具体形式不　同，但其本质是一样的，分析结果见表ｌ。　表１有限元方法计算结果　计算结果　同相接线　同相接线　非同相　励磁电流　ｌ　２　接线　／Ａ　不对称电压～　１０１－３　１０１．６　１４９９．６　电压不对称度　０．６２３７　０．６２５６　８．７６　Ａ１　５８．８９　１１７．７８　１７５６０．０１　Ａ２　１１７．７８　５８．８７　１２８８．２８　Ａ３　５８．８８　５８．９１　１７５５９．５５　支路环流　Ｂ１　５８．９２　１１７．８６　１７５５８．２９　有效值，Ａ　Ｂ２　１ｌ７．８６　５８．９４　１２９４．６３　５７０．５８　Ｂ３　５８．９４　５８．９２　１７５６９．９１　Ｃｌ　５８．２９　１１６．５Ｏ　１７５４７．７５　Ｃ２　ｌ１６．５０　５８．２８　１２８４．９８　Ｃ３　５８．２ｌ　５８．２２　１７５５６．８５　损耗／Ｗ　１３７．６４　１３７．６５　４１１７７４５．８　轴电压最大值／Ｖ　１．６５　１．６４　１．６４　轴电流最大值／Ａ　０．５８　０．５８　Ｏ．６３　工程实际中常用解析法进行电磁计算。通过绘制　绕组槽电势星形图，用解析法推导出同相接线三支路　绕组的绕组系数、不对称度和环流损耗的算式如下。　４．１绕组系数　按上述接线方式和分析方法推导可知，支路不对　称绕组短距系数ｋ　，和对称绕组的短距系数计算公式　，‘　是一致的：　汽轮发电机定子绕组三支路设计　２０１０．№３　ｋＰ１＝ｓ　（２）　式中，肋短距比。　三支路绕组分布系数与接线方式有关，应先从极　相支路人手，逐级深入。通过用向量平移作图推导分　析可知，同相接线时，支路２的绕组分布系数为：　．式（５）中，Ｒ１（ｎ５）为１１５℃时的相电阻　支路环流损耗应计入定子绕组附加损耗。　注：用解析法计算两种同相接线的电磁参数是相　同的，而用有限元法计算则略有不同，且与解析法计　算结果也有出入，这是因为有限元法计算既考虑了详　细的几何结构的影响又考虑了电机的饱和及谐波对电　压的影响。实际证明，上述差别都在可接受的范围内，　解析计算结果能够满足工程需要。　Ｑ　ｏｃ　　Ｓ１１１　一，～　：—三　．．　（３）　ｇ锄　５结论　（４）　其余两条支路的绕组分布系数为：　ｋｄ１＝　ｄ３＝ｋｄ２　ＣＯＳ　式（３）和（４）中，劝槽距角，　’为同一支路　相邻线棒间的槽距角，口　为每极相支路槽数。　４．２不对称度和支路电势差　同相接线时，每相三个支路电势的时间相位相同，　其中支路１和支路３两个支路的电势相等并小于支路２　的电势，电势不对称度为：　ＡＵ：１一ｃｏｓ　：２ｓｉｎ　２　实际运行和计算分析表明，在定子绕组外冷汽轮发　电机中运用三支路绕组设计是解决定子绕组温升的有　效手段，可大幅提高单机容量，因定子绕组支路不对称　引起的环流损耗和附加温升也在可接受的范围内。　［参考文献］　（５）　支路电势差为：　Ｕ　—ｉ－－ＣＯＳＯ￣　：—［１１］　汪耕，李希明，等．大型汽轮发电机设计、制造与　运行ｆＭ】．上海科学技术出版社，２０００．　ｆ２］李林合．大型水轮发电机支路不对称定子绕组连　接问题的探讨［Ｊ】．大电机技术，２００６，（２）．　【３］　汤蕴谬，史乃．电机学【Ｍ】．北京：机械工业出版社，　２００１．　ｆ收稿日期１　２００９．１２．１４　（６）　为相电压。　ＣＯＳ０／　式（５）和（６）中，　为槽距角，　４．３支路环流损耗　［作者简介］　同相接线中，ｌ、３两个支路的电流相等，其两个　支路的电流和与２支路的电流大小相等，方向相反，　李存鹏（１９７２一），１９９７年毕业于哈尔滨理工　大学电机电器及其控制专业，一直从事汽轮　发电机的设计研究工作，工程师。　支路环流损耗为：　Ｑｃ＝　（７）　◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆　（上接第１９页）　ｓｅｃｏｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｌｅｔ［Ｊ］．ＳＬＡＭ　Ｊ　Ｍａｔｈ　Ａｎａｌ，　１９９７，２９（２）：５１１—５４６．　『２１周林成，杨慧中．基于二代小波变换的信号去噪　［７】　郭晓霞，杨慧中．小波去噪中软硬阈值的一种改　良折衷法［Ｊ］．智能系统学报，２００８，３（３）：２２２—２２５．　【８】ＤＯＮＯＨＯ　Ｄ　Ｉ，ＪＯＨＮＳＴＯＮＥ　ＩＭ．Ａｄａｐｔｉｎｇ　ｔｏ　ｕｎｋｎｏｗｎ　ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ　ｖｉａ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｓｈｒｉｎｋａｇｅ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｔａｔ　Ａ　ＳＳＯＣ，１９９５，１２（９０）：　１２００．１２２４．　及其软测量建模［Ｊ】．计算机与应用化学，２００８，２５　（７）：８２３．８２６．　［３】付华，尹丽娜．小波包分解在电机故障诊断中的　应用［Ｊ】．微电机，２００７，４０（５）：８６・８９．　【４】　刘树春，潘紫薇．第二代小波在振动信号去噪中　新方法的研究ｆＪ１．机械传动，２００８，（４）：６４—６５．　【５】Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ　ａｎｄ　Ｓｗｅｌｄｅｎｓ．Ｆａｃｔｏｒｉｎｇ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎｔｏ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ［Ｊ］．Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ａｎａｌ　Ａｐｐ，　１９９８，４（３）：２４７—２６９．　［６】　王芳，鲁顺昌．基于小波包分析的电机故障检测　［Ｊ］．电机与控制应用，２００８，３５（７）：５２．５４．　［９】　高成．Ｍａｔｌａｂ小波分析与应用（第二版）［Ｍ】．国　防工业出版社。２００７：２１０．２２８．　一　【航范炳空奎机自动电（１控系　９８制统３．工状），程态２０监系５控，［作年工与者毕学信简业硕收号介于稿士处］空日　，理期军研。】　工究２０程方８—大向１・学为１９