抽水蓄能机组定子铁心结构设计

马永良

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

抽水蓄能电站主要承担电网的调峰、填谷任务，具有启停快速、调节灵活的特点。因此，对平衡国内电力市场，提高电网稳定性起着十分重要的作用。目前，国内抽水蓄能电站的数量还比较少，预计抽水蓄能电站装机规模将从2005年的6 700 MW增加至2015年的45 000 MW。我国抽水蓄能发电电动机的研制起步较晚，研制初期关键技术和重要部件均是从国外引进，在此基础上加以发展，逐步国产化。正确理解国外机组的设计理念对我们自行独立设计抽水蓄能机组至关重要，也是我们进行结构创新的基础。

1 蓄能机组铁心的结构设计

1.1 定子铁心的组成及结构参数的选取

抽水蓄能机组的定子铁心主要由定子冲片、拉紧螺杆、压指、齿压板和绝缘部件等部分组成。定子铁心结构如图1所示。

作为抽水蓄能机组的主要结构部件，定子铁心的主要结构参数在前期选择电磁方案时就已经确定。其选择依据主要是满足机组电磁参数要求以及考虑通风和损耗等问题。

1.2 定子铁心结构部件选型设计

图1 定子铁心结构

定子铁心中冲片的材料选择是根据机组电磁计算中对铁损及导磁性能的要求而确定。通常情况下，如果抽水蓄能机组的转速较高，容量较大时，对铁心冲片的导磁性及单位损耗值的要求就比较高。例如宝泉抽水蓄能机组额定转速500 r/min，额定容量334 MVA，此类机组就要求选择具有高导磁性、低损耗值的无取向硅钢片作为冲片材料。因此，铁心基本片选择了符合上述要求的35H210(JIS2552)无取向冷轧硅钢片。而容量相似，转速只有250 r/min的白莲河机组就选择了性能要求低一些的50W250无取向硅钢片作为冲片材料。目前，对于性能要求不是特别高的冲片材料(如50W250，DW270-50等)，我们都可以从国内采购，而不用采购进口原材料。定子冲片外形图如图2所示。为了减少端部磁场对铁心产生的涡流损耗，在铁心两端的冲片齿上开设窄槽以改变端部磁场分布。例如在回龙蓄能机组中，我们在铁心端部的冲片齿部开设了2 mm宽的窄槽，深度为32～50 mm，有效地降低了损耗值。

图2 定子冲片外形图

抽水蓄能机组定子铁心冲片的径向尺寸通常较大，因此绝大多数情况下都采用穿心螺杆的压紧结构，端部采用蝶形弹簧进行锁固。根据定子槽数将整圆分成若干片，每一片外沿都开有2～3个鸽尾槽，用于与鸽尾筋配合使用。相邻层冲片之间的搭接形式取决于冲片上鸽尾槽的分布位置，通常可选择搭接1/2或1/3片。为避免定子铁心受热膨胀后发生翘曲现象，用于定位的鸽尾筋通常选取浮动的双鸽尾定位筋。鸽尾筋与托块间留有1.5 mm的间隙，这样铁心受热膨胀后可以径向移动而不产生翘曲。不同生产厂家对片间压力的选取略有不同。如宝泉项目中ALSTOM公司将压力值选取为1.5 MPa，而哈电通常情况下片间压力值选取在1.6～1.8 MPa之间。从运行情况来看，国外厂家设计的机组并没有出现铁心松动现象。因此，在保证铁心压紧质量的前提下，可适当降低片间压力值。

拉紧螺杆的材料通常选取高强度的42CrMo4。当拉杆应力较低时，也可以选用性能稍低一些的材料。拉紧螺杆规格和数量的选取，主要根据计算结果需要，同时考虑生产和安装的方便及可操作性。

蓄能机组铁心压指的材料选取与常规机组相似，根据其受力计算结果选取合适材料。通常为减小端部漏磁场产生的附加损耗导致的端部发热，哈电选取无磁性材料40Mn18Cr3热处理后作为压指的材料，而国外其他公司选取的压指材料性能略低于40Mn18Cr3。实践证明降低压指的材料性能具有可行性。对于压指的尺寸结构设计也有待于进一步研究。通常我们设计的压指截面为矩形，而ALSTOM公司在宝泉项目中所使用的工字型截面压指很有新意，既节省了材料，又提高了压指的散热效果，降低了端部漏磁场产生的损耗。唯一的不足之处是压指与压板焊接时易产生变形，焊接工艺性不好，要求大齿压板的整体平面度更高，不易实现。但是这种结构为我们设计压指提供了新的思路。

1.3 定子铁心的通风和绝缘

由于抽水蓄能机组具有起停频繁，并且要满足正、反转的要求，因此散热条件比较恶劣。这种情况下通风系统的结构对机组的散热就十分重要，直接关系机组的安全稳定运行。抽水蓄能机组的铁心通风结构主要是通过通风计算来确定。定子铁心的径向通风沟是冷却气体的主要流通路径，它的数量和高度主要取决于通风计算结果。通常情况下，通风沟高度为6 mm。当通风计算所需风量较大时，通风沟的高度为8 mm。根据通风计算我们发现绝大部分机组定子铁心中间段风量相对两侧略低，但差别并不大，风量分布比较均匀。为简化工艺性方便安装，一般采用相同厚度的铁心段。

通风槽钢材料通常选用无磁性型钢1Cr18Ni9Ti，横截面为工字形(如图3所示)，点焊于通风槽片上。通风槽片的外形尺寸(如图4所示)与基本冲片外形尺寸一致。齿部和轭部都点焊有径向的通风槽钢，相邻的通风槽钢之间间距不宜过大，以保证足够的刚强度。

图3 通风槽片

图4 通风槽片外形图

铁心的绝缘问题也是蓄能机组设计时应该重点考虑和注意的一个问题。铁心的绝缘主要是指穿心螺杆的对地绝缘。通常设计定子铁心时要在穿心螺杆与冲片和压板之间设置可靠的绝缘装置，具体形式不唯一，不同公司有不同的设计方案。例如在蒲石河项目中，哈电采用的是绝缘套管的绝缘方式，而ALSTOM公司采用的是绝缘衬套结构。二者具有各自的优缺点。绝缘套管结构的优点在于绝缘可靠性高，缺点是影响通风面积。绝缘衬套的结构优点在于安装方便，成本低，缺点是绝缘可靠性稍差。哈电的传统绝缘方式是绝缘套管方式。在蒲石河项目中，哈电进一步优化了绝缘套管，使绝缘套管端部边缘带有坡口便于安装，同时对绝缘套管结构进行了通风及温升计算，证实螺杆温升不会超过2 K，对通风影响基本可以忽略。对于衬套结构而言(如图5所示)，由于相邻衬套之间有若干段通风沟，存在灰尘或其它细小导电物质通过通风沟落入拉杆与冲片的间隙中的隐患，因此绝缘可靠性差一些。从安全角度出发，推荐使用绝缘套管结构。绝缘套管的材料一般选用绝缘性能较好的环氧玻璃布3242或酚醛玻璃纤维压制件4330-1。

图5 绝缘衬套结构

2 结语

抽水蓄能机组的铁心结构设计要综合考虑电磁、强度、通风、绝缘以及工艺性等因素，因此在设计过程中不能片面只追求某一方面的性能。掌握准确的设计依据和方法对抽水蓄能机组铁心结构设计至关重要。多方面掌握最新的设计理念和行业动态有助于我们更好地进行结构设计。