西藏旁多电站水轮发电机设计

胡祥甫 胡金秀

(东方电气集团 东风电机有限公司，四川 乐山614000)

1 电站简介

西藏旁多水利枢纽工程（简称旁多电站）是目前亚洲海拔最高的已运行机组。坝址地处拉萨河中游，位于西藏自治区林周县旁多乡下游，距拉萨市直线距离63km，是拉萨河流域的骨干性控制工程，也是拉萨河干流水电梯级开发的龙头水库。该电站以灌溉、发电为主，兼顾防洪及供水。

2 发电机主要参数

发电机机型 SF40-32/6800

额定容量 47.06 MVA

额定功率 40 MW

额定电压 10.5 kV

额定电流 2587.6 A

额定频率 50 Hz

额定功率因数 0.85（滞后）

额定转速 187.5 r/min

飞逸转速 348 r/min

旋转方向 俯视顺时针

转动惯量 4200 t.m2

推力轴承负荷470 t

励磁方式 静止可控硅励磁

冷却方式 密闭自循环空气冷却

定子绕组绝缘等级F级

转子绕组绝缘等级F级

3 发电机结构设计

旁多电站发电机为半伞式结构，设有上导、推力及下导轴承如图1所示。

图1 半伞式结构

3.1 定子

定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组、铜环引线及端箍等组成。

定子机座由优质钢板焊接而成，主要作用是固定铁芯。设计过程中，强度是关键，因此本文对其进行了有限元分析，如图2所示。

定子铁芯由导磁性能好，损耗较小的硅钢片交错叠制而成，为了减小涡流损耗，在扇形片的两面涂以绝缘漆（F级）。在轴向方向把铁芯分成多段，段间用通风槽板隔开，以形成通风沟。铁芯两端设有齿压片和压板，通过穿心螺杆及碟形弹簧将铁芯拉紧；穿心螺杆及蝶形弹簧结构可有效防止铁芯松动，始终给予定子铁芯恒定的压力。每根螺杆上装有固定片，并焊于机座筋板上，使定子机座和铁芯成一整体。铁芯的固定采用双浮动式鸽尾结构，以适应铁芯热膨胀。

定子绕组为双层条式波绕组，绕组绝缘可靠，机械强度、散热条件好。采用360度完全换位，可有效降低定子绕组温升，确保机组长期安全稳定运行。

图2 定子机座有限元分析应力分布图

3.2 转子

转子主要由磁极、磁轭、转子支架、主轴等组成。

磁极主要由磁极铁芯、磁极线圈及阻尼绕组组成。磁极铁芯由优质钢板冲制的冲片叠压而成。叠压后，两端用磁极压板通过拉紧螺杆将铁芯固定成一整体。磁极线圈由异形铜排绕成，每匝匝间垫耐高温环氧玻璃坯布作为匝间绝缘。阻尼绕组由阻尼条与阻尼环组成。磁轭由优质钢板冲制的冲片叠压而成。磁轭全长分为多段，中间有多条环形通风道，用拉紧螺杆把紧成整体，然后用磁轭斜键通过热打将磁轭紧固在转子支架上。

转子支架采用圆盘式组焊结构。支架在工地热套在主轴上，它是支撑磁极、磁轭重量，传递力矩的主要部件。

3.3 上机架

上机架为辐射型组焊结构。在电站现场将上机架中心体与各支臂焊为一体。支臂底板处设有垫板，在现场调整好上机架高程、水平后将垫板焊在机座顶环上。上导轴承位于上机架中心体内，上导轴承瓦为分瓣刚性支承结构，共8块导瓦，上导轴承瓦座背面垫有绝缘板，以防止轴电流产生从而烧坏轴瓦。上导瓦油膜间隙均可通过调整支柱螺钉与导轴瓦之间的垫片获得。

3.4 下机架（含推力轴承）

下机架为负荷机架，主要承受水轮机的水推力和整个机组转动部分的全部重量及机架自重等。下机架主要由下机架中心体及支臂等组成。下机架的中心体内装有推力轴承、下导轴承和油冷却器等。推力轴承采用自循环油浸式、弹簧束支撑的分块扇形瓦结构。推力瓦为EMP推力轴瓦，共10块，油槽内的油被浸在其中的冷却器冷却。下导轴承位于推力轴承上方，下导轴瓦为分瓣刚性支撑结构，共16块瓦。

4 关键技术及创新点

西藏旁多电站地处4100米的高海拔、高寒地区。高海拔地区气候环境条件相当恶劣，昼夜温差极大、气温低、空气稀薄，从而对发电机的结构型式、材料选择、通风冷却方式、绝缘防晕及电气性能等提出挑战。现将发电机设计过程中所开发应用的新技术简述如下：

4.1 （高海拔地区）水轮发电机定子线棒少胶VPI技术

目前，欧洲、日本等国外制造企业通常采用少胶VPI制作定子线棒或采取整机浸渍方式；而我国中小型机组以多胶模压方式为主，大型机组虽采用VPI制造技术，但均应用于较低海拔地区。国内外，适用于高海拔地区的水轮发电机定子线棒VPI技术有待研发应用。研究表明，在海拔高度4100m时，定子线棒绝缘、防晕能力较低海拔地区下降约30%，若仍采用传统的多胶模压工艺，定子线棒的绝缘、防晕等多项电气参数均不能满足机组安全运行。针对上述情况，通过多个电磁方案计算分析，选择合适的线规、槽型尺寸，并结合车间各阶段试验数据，开发出了针对旁多电站定子线棒的专用少胶VPI技术。

4.2 推力轴承弹簧束支撑结构

推力轴承主要承受水推力及整个机组转动部分的重量。其工作性能的好坏直接影响机组能否长期安全稳定运行。因此，推力轴承支撑方式的选择尤为重要，针对旁多电站的特殊性，成功开发出了行业内仅少数厂家掌握的弹簧束支撑结构。

弹簧束支撑结构的特点是多支点支撑。将推力瓦放置在一簇具有一定刚度，高度又相等的支撑弹簧束上。支撑弹簧束除承受推力负荷外，还具有均衡各块瓦间的负荷和吸收振动的作用。弹簧束支撑结构具有较大的承载能力，较低的轴瓦温度和运行稳定等优点。该结构属于浮动式支撑，其合力作用点可随负荷、线速度的不同而有所不同。因而，此种支撑结构可适应的工况范围极广。

图3 弹簧束支撑车间预装配

4.3 （掌握了）高海拔低气压对发电机通风冷却系统的影响

研究证明，海拔高度的上升将导致冷却空气密度下降，具体如下：

a）发电机冷却空气密度下降，若机内空气流量保持不变，则发电机的通风损耗比例会相应下降，意味着发电机总发热量的减少和需求风量的降低。

b）冷却空气密度下降后，气（换热空气）-固（铁芯、线圈）两相间的对流换热强度随之减弱，表面散热系数降低，气-固两相间温差上升；同时，发电机冷却空气密度下降会降低其体积比热，若保持冷却空气的流量不变，则冷却空气的温升相应增加，故发电机冷却空气密度下降后，发电机内主要发热部件温升相应提高。

c）发电机海拔高度增加后，其主要发热部件的温升均会提高。在发电机内各部位散热面积和热负荷保持不变的情况下，其通风系统的设计必须考虑适当增加机内空气流量，通过适当增加空气流量来降低冷却空气的温升从而弱化高海拔对发电机内各部件温度的提升作用。

旁多电站水轮发电机通风系统基于此设计，通过1#机并网运行证明，通风冷却系统设计是成功的，达到预期效果。

5 结论

旁多电站1#水轮发电机组于2013年10月成功投运，运行工况良好，机组振动、噪音、温升等各项性能指标均显著优于国家标准。它的成功并网发电证明发电机所采用的一系列结构、新技术、新材料是相当成功的，具有极大的推广使用价值。

［1］白延年，主编.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

［2］陈锡芳，主编.水轮发电机结构运行监测与维修[M].北京：中国水利水电出版社，2008.