摘要：向家坝水电站是目前已开工项目最大的空冷水轮发电机组，其额定出力达到890MVA。综合考虑机组的额定出力和转速，发电机定子绕组额定电压设计值为23KV，这也是一个允许的最优化的发电机电气设计。总之，额定电压大于20KV的设计成为大型水电机组优化设计的发展方向。 

　　实施如此高的电压需要在设计、加工、试验和安装阶段都特别的注意。朝着提高绝缘工作场强的方向，阿尔斯通已经不断的提高了发电机定子绕组技术。根据安装和广泛的实验室试验反馈，确认了阿尔斯通防晕系统是适用于大于20KV额定电压等级的可靠的技术。 

　　对于向家坝这样的大容量、低转速水轮发电机，定转子结构型式、推力轴承和冷却系统是很重要的。经过若干象龙滩、构皮滩、小湾和锦屏2成功采用阿尔斯通设计结构的600MW或更大的空冷水轮发电机组证明800MW的机组是完全可行的。向家坝作为国内最大的空冷水电机组也是多年研究论证的结果。 

　　大型机组对于热膨胀、离心力和各种事故工况如定子短路和半数磁极短路的受力都十分敏感。成功用于三峡项目的阿尔斯通结构型式可以很好的满足发电机圆度、同心度要求并能够在各种工况下减小结构件受力保证发电机稳定运行。 

　　曾用于三峡项目的经验表明，斜构件的运用可以满足所有的要求，而且热收缩磁轭 结构型式不会影响转子中心体和推力头的连接。 



　　表 1    向家坝和三峡发电机主要尺寸 

  
　　1.    定子绕组设计 
材料的改进和有效的工艺控制增加了主绝缘的绝缘强度并使得大型发电机使用高电压等级成为可能。高电压的使用要特别注意线棒端部的设计和防晕系统。 

　　1.1.    参考 

　　阿尔斯通的Micadur® VPI绝缘系统最高用于额定电压30 kV的机组，用于水电机组的最高达到23 kV，这个机组已经 投入运行。 

　　1.2.    防晕系统 

　　定子线棒防晕保护需要两种防晕材料。在槽部需要导体表面释放槽部电晕。这样的放电可导致主绝缘的老化最终造成对地短路。可使用防晕带或防晕漆形成槽部的导体表面。 

　　阿尔斯通防晕系统最高可用于30 kV的额定电压。它被用于已投入运行的火电和水电机组最高额定电压为27 kV。特别是对于额定电压大于16KV的端部防晕系统需要好的和稳定的技术性能。在槽部防晕和端部防晕的搭接部位和不同相相棒的撑块部位是最容易起晕的部位。 

　　端部防晕材料的表面阻抗决定于电场强度。一般高电场强度需要低的表面电阻以保护线棒防晕。实验证明，端部防晕系统施于整个线棒端部可以提高起晕电压值使之高于用户一般要求。图1表示定子线棒的端部系统。 

　　图 1: 定子线棒防晕系统  

　　图 2表示端部防晕系统沿定子线棒端部的作用效果。最大的电场强度减小了。  
  

　　图 2:端部防晕系统功能示意图 

　　图3 表示了典型的定子绕组端部剖面和端部支撑系统。可以看到端部防晕系统施于整个定子端部可控制电压分布并减少了不同相线棒间撑块的起晕风险。特别是在定子绕组耐压试验时，在撑块部位不同相线棒端部的电压差值大于起晕电压值。由于两相线棒端部之间的表面路径过短会导致场强局部集中发生起晕现象。所有这些潜在的风险都在定子绕组设计时被考虑到。  
  

　　图 3:水轮发电机定子绕组端部示意 

　　1.3.    设计 

　　和传统的绝缘系统比较，随着绝缘工作场强的提高主绝缘的厚度随之减薄。这将使得槽的填充系数和发电机最终效率随之提高。 

　　除槽填充系数外，通过优化定子绕组几何形状可以减小定子绕组长度。通过考虑端部防晕系统需要的线棒间空气距离优化绕组端部。也可通过优化绕组端部长度满足用户起晕试验的要求。 

　　其他的设计需注意的是端部的支撑系统强度能够满足短路工况下安全运行。另外，定子绕组端部、铜环、引线等部位的冷却需要通风冷却计算的确认。 

　　1.4.    制造 , 

　　制造向家坝定子线棒需要特殊材料学知识和高压绝缘工艺方法。所有的制造过程特别是真空压力浸渍和聚合阶段，都必须严格的按照生产大型水电或火电发电机线棒最好的制造和试验经验进行。在技术中心的全力支持下全球制造中心负责分公司间的经验交流和通常工艺过程的制定。 

　　1.5.    试验 

　　为保证产品质量，所有的线棒在制造过程中都必须进行试验。一些实验项目如下所列： 

　　•    原材料性能试验 
　　•    线棒股间固化过程控制 
　　•    单根股线短路试验 
　　•    线棒股间固化后尺寸检查 
　　•    端部成形焊接后尺寸检查 
　　•    包绝缘后绝缘厚度检查 
　　•    浸渍用树脂质量控制 
　　•    VPI程序控制 
　　•    主绝缘聚合程序控制 
　　•    线棒尺寸、槽部表面阻抗、耐压试验和介损值最终测试 

　　这些试验程序是制造高质量的23KV定子线棒的保证。 

　　1.6.    安装 

　　定子绕组的安装是发电机最重要的安装步骤之一。很重的线棒必须安装进垂直的定子铁芯槽内。安装必须保证线棒与槽之间机械、电气和热膨胀接触要求。使用阿尔斯通“裹包”下线方法可以很好的满足以上三项要求。 
精确的定子线棒几何尺寸可以保证安装时满足诸如高电压线棒间气隙值的要求。稳固的定子绕组支撑系统可确保发电机安全运行和在诸如短路等事故工况下稳定的机械性能，同, 时还具有足够的柔韧性允许材料受热膨胀。 
在图4中表示不同部件的支撑系统。同层线棒间放置硬树脂聚合材料使同层形成一个足够强度的支撑环。浸胶的玻璃丝绳固定在下层线棒上以保护支撑环不被扩大（左图所示）。线棒间铁芯上端齿部放置树脂聚合材料撑块支撑定子绕组使之在垂直方向保持一致。 

　　图 4:定子绕组支撑系统 


　　2.    结构设计 

　　在设计大容量低转速发电机静止部件时，特别要注意要在各种运行条件下定子能够保证良好的圆度。 
另一点需要注意的是，要保证定转子的同心度。并且能够在由于温度等原因产生位移扰动时定转子能够自动修复以确保定转子同心。不同部件采用斜构件结构例如定子机座、轴承机架和转子支架等，可很好的满足以上要求。  
   
      

　　3.    斜构件的基本原理 

　　在转子上，斜立筋连接两个环状部件，这两个环状部件在同一个平面但直径不同，同样结构，机架的斜支臂连接中心体与基础，转子斜立筋连接转子支架中心体与磁轭。在定子上，斜脚板连接着两个环状构件，这两个环状构件不在同一个平面但直径相同，这两个构件一个是定子基础另一个是上机架。  

　　定转子上的斜构件的机械性能和特点是十分相似的。当两个环发生同心的膨胀时，斜构件都要向阻力最小的方向扭转。两个环也分别以各自的圆心发生扭转。但是当一个环发生的变形、移动或扭转与另一个环不同步时，斜构件将有向阻力最大的方向变形的趋势。 

　　3.1.    定子与基础之间的连接 

　　代替传统的定子与混凝土之间采用刚性连接结构，用带有弹性的斜脚板连接定子与混凝土基础会给我们带来以下好处： 

　　•    由于斜脚板具有弹性，它不会限制定子铁芯同心的热膨胀。这使得定子铁芯发生曲翘变形的风险大大降低。 
　　•    确保定子的同心度和圆度。 

　　•    控制系统共振因此能减小短路受力。 

　　3.2.    定子与上机架的连接 

　　上机架斜支臂与定子斜角板和基础相连接。这种结构具有以下优点： 
　　•    上机架不影响定子的热膨胀，这样为避免定子铁芯发生曲翘变形提高了安全系数。 
　　•    上机架中心体和上导轴承不会因定子和上机架的热膨胀受到影响。  
　　•    机架的连接刚度和导轴承刚度与机架腿之间整体钢板结构型式的机架在传递力上实际是一样的。 
　　•    能够确保定子的同心度。  
  


　　图 7    向家坝总装示意图 


　　3.3.    转子 

　　转子支架斜立筋在扇形体上下环板和中心体之间为空气流动建立了通道。在轴向方向，斜立筋延续了中心体整个长度以承受磁轭重量的弯矩。 

　　当扇形体上下环板与中心体焊接时会有焊接收缩的风险。但斜立筋结构可以控制这样的风险，因为任何支臂上的焊接收缩应力可以被旋转的中心体环板所均衡。图8和9表示的是扇形体与中心体焊接结构型式的转子支架。  


  

　　图8    斜立筋结构的转子支架    图 9    斜立筋结构的转子 

　　按照合同要求，磁轭要求热套在转子支架上且热套尽量应能承受1.4倍额定转速。如果采用传统式的辐射状转子支架结构型式，对中心体的影响是非常大的。但是通过采用斜立筋式转子支架结构，转子支架中心体与推力头的连接实际上不受任何影响。 

　　4.    推力轴承 

　　为了支撑整个机组轴系重量和水轮机的水推力，向家坝推力轴承负荷设计值达到了4420吨。 

表 3    推力轴承的技术数据  

　　4.1.    轴瓦的设计 

　　推力轴承瓦采用阿尔斯通开发并获得专利的双层瓦结构。它的组成结构是：表面是一层薄的运行瓦，薄瓦最终由具有足够刚度的负荷瓦支撑。在两层瓦之间不同直径因此也具有不同弹性的支撑柱精确对准轴瓦与推力头的接触的不同位置。上层运行瓦的变形由支撑柱的变形来决定。在上层运行瓦由于温度梯度造成的变形并不严重。按照压力分布计算放置的不同规格的支撑柱可以弥补运行瓦负荷不均匀造成的变形不均匀从而最终保证运行瓦总是于推力头很好的接触。 

  　图 10    双层推力轴承瓦    图 11    三峡推力轴承瓦 

轴承运行的有效部件瓦和推力头的变形是由负荷和油膜的水平和垂直方向的温度梯度造成的。三维油膜理论运用于变形计算能构准确计算处油膜的几何形状。在设计阶段应检查推力瓦的变形和计算需要的油膜。最终油膜的厚度、温度和油膜的平均压力将作为确保轴承性能的设计参数。 
4.2.    瓦的支撑系统 
 三峡左岸龙滩向家坝

　　5.     冷却系统 

　　发电机有效部分是空气冷却方式。在定子背后与空冷器进行热交换后的冷空气分成两路以端部回风的通风方式通过定子上下端部，然后进入转子支架。转子支架和磁轭的通风沟旋转的离心力作用于空气产生的压力驱动空气由气隙经过定子通风沟然后回到空冷器。产生的压力需要与通过定转子通风沟、空冷器、定子端部等部位压力损失相等。转子、气隙、定子铁芯和空冷器组成了空气循环回路。 

　　定子绕组连接线的交流损耗总是大于直流损耗，这是因为集肤效应的影响。使用特殊的有限元计算可以确保绕组连接线的温度限制。通过计算可以确定集肤效应的程度和冷却连接线所需要的风量。 

       
图 12    绕组连接线的有限元分析模型        图13    在绕组连接线中电流密度 
  
定子绕组两侧的端部是通过端部回风通风方式冷却的。对于向家坝项目，虽然采用具有可避免粉尘污染优点的单路通风方式从技术上是可行的，但双路通风方式为通风冷却提供了更大的安全系数。 

　6.    结论 

　　向家坝发电机是中国最大的空冷发电机组。因此为保证有效的通风冷却系统和绕组端部的冷却，对此必须进行特殊的研究。 

　　定子绕组的设计是根据若干额定电压20KV或大于20KV的机组的制造经验。用于向家坝项目定子绕组的23KVMicadur®绝缘系统和防晕系统是经过阿尔斯通公司验证和批准的。同样这种线棒的设计和制造通过了介损试验和老化试验的验证。 
  
　　参考： 
-    Design of the Generators for Three Gorges by Dr. Hans Vögele - Hydro Power & Dam 
1998. 
-    CFD validation and air cooling design methodology for large Hydro Generator by 
Raphaël Dépraz, Richard Zickermann, Alexander Schwery, Francois Avellan - ICEM 2006 
-    Generator Design for Gou Pi Tan HPP by Thomas Kunz, Zhongguo Yang  - Hydro China,
 2006 

　　作者介绍 
　　Thomas KUNZ 1991年加入阿尔斯通水电部门进行电气设计。他曾在瑞士水电工程部担任多种职务。自2002年担任全球阿尔斯通水电技术研发中心主任，负责阿尔斯通水电业务的电气研发与产品发展。  

　　Thomas KLAMT 毕业于德国Ilmenau 科技大学的电气工程师。1992年加入阿尔斯通公司担任电气工程师进行定子绕组设计。他参于多个项研发项目。现在领导阿尔斯通水电定子绕组绝缘技术活动。 

　　金东浩毕业于武汉华中科技大学电机专业。自1987年担任超过40个发电机项目主设或技术领导。他具有水电和火电项目发电机设计、制造、安装和试验的经验。自2005年担任天津阿尔斯通水电公司电机工程部经理职务。 

　　孙星军1992年毕业于哈尔滨理工科技大学电机专业。他曾担任多个项目像桥巩57MW贯流机组和构皮滩600MW发电机主设。从2007担任天津阿尔斯通水电公司发电机工程部技术负责人。 
, 时还具有足够的柔韧性允许材料受热膨胀。 
在图4中表示不同部件的支撑系统。同层线棒间放置硬树脂聚合材料使同层形成一个足够强度的支撑环。浸胶的玻璃丝绳固定在下层线棒上以保护支撑环不被扩大（左图所示）。线棒间铁芯上端齿部放置树脂聚合材料撑块支撑定子绕组使之在垂直方向保持一致