采用GVPI技术的50～60 MW空冷发电机的电磁设计

汪 蒲

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)



采用GVPI技术的50～60 MW空冷发电机的电磁设计

汪 蒲1，2

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

以现有的60 MW空冷发电机为原型，对50～60 MW级产品进行系列化、模块化设计。开发具有完全自主知识产权的采用GVPI技术的50～60 MW级空冷发电机。新系列发电机比原型机体积小、成本低、效率高，达到国内同类产品的先进水平。

发电机；可靠性；材料利用率；模块化；短路比

0 引言

随着我国能源结构的不断调整，发电形式逐渐趋于多元化，这使得容量在100 MW以下的小型空冷发电机在如今国内发电机市场中的比重日益增大，逐渐显现出其不可替代的市场价值，有着较大的市场需求[1]。

为了降低产品的制造成本，实现空冷机型的系列化和模块化，本次自主开发采用GVPI技术的50～60 MW空冷发电机。 本设计包含4个机型的空冷发电机，分别是60 MW-50 Hz-10.5 kV型，60 MW-50 Hz-6.3 kV型，50 MW-50 Hz-10.5 kV型和60MW-60 Hz-13.8 kV型，技术参数见表1。

1 设计的原则与目标

1.1 设计原则

1) 本设计将可靠性放在首位，以现有60 MW空冷发电机(原型机)为基础，参考GVPI空冷发电机的绝缘结构和其它汽轮发电机的成熟结构；

2) 本设计发电机单位容量的有效体积应比原型机适当减小，以提高材料的利用率；

3) 本设计应充分考虑50～60 MW系列的50 Hz及60 Hz空冷发电机的系列化和模块化；

4) 本设计的发电机性能应满足相关国家标准中的各项规定。

1.2 设计目标

表1 采用GVPI技术的50～60 MW级空冷发电机需满足的技术参数

2 设计值的确定

2.1 转子本体直径和长度

按照系列化、模块化的设计要求，本设计4个机型的转子直径均在原型机的基础上缩小35 mm，通过改变定子槽数、定子铁心长度等参数，实现容量、电压或频率的变化[2]。

2.2 定子铁心内外径和长度

考虑到应将短路比控制在0.45的设计目标附近，本设计4个机型的单边气隙长度均比原型机缩小4.5 mm，按照机座设计系列化和模块化的要求，在保证磁密合格的情况下，定子外径统一比原型机缩小130 mm。

60 MW和50 MW等50 Hz发电机方案的定子铁心比转子本体长度短50 mm。对于60 MW-60 Hz发电机，由于其定转子端部气隙处的风速较高，故需将定子长度进一步缩短，以增大定转子端部气隙，从而降低此处的风速。

2.3 定、转子槽数

60 MW(10.5 kV，6.3 kV)和50 MW(10.5 kV)等50 Hz方案的转子槽数/槽分度数，比值γ接近0.7，可获得较好的电势波形及减少磁场高次谐波在定子表面产生的附加损耗。

对于60 MW(13.8 kV)-60 Hz方案，为保证转子齿安全系数满足要求，需将转子槽数/槽分度数比值进行调整。

2.4 定、转子槽形

本设计4个机型需同时从设计模块化及降低成本的角度考虑，当定子槽数及并联支路数相同时，力求将定子槽形设计成相同的尺寸。

本设计4个机型的定子槽形都与原型机相同，即开口平行槽。其中，60 MW-50 Hz-10.5 kV方案，定子槽宽×槽高为18 mm×169 mm。50 MW-50 Hz-10.5 kV和60 MW-60 Hz-13.8 kV方案，定子槽宽×槽高均为28.9 mm×172 mm。这2个方案的电压不同，绝缘厚度不同，因此13.8 kV方案的定子铜线尺寸略小于10.5 kV方案。60 MW-50 Hz-6.3 kV方案，定子槽宽×槽高为25.2 mm×171 mm。

50 Hz方案的3个机型转子采用模块化设计，转子横截面设计相同。转子槽形为开口平行槽，槽底开有斜副槽。线槽采用深浅槽设计。

60 Hz方案的转子槽形为开口平行槽，槽底开有斜副槽。未采用深浅槽设计。

2.5 定子线规

本设计4个方案的定子线圈冷却方式与原型机相同，均采用实心铜线编织结构，股线采用两排布置，并根据槽形和绝缘尺寸调整股线尺寸和数量。

2.6 转子线规

本设计4个方案采用与原型机相同，采用含银无氧铜线的转子导体材料。优化转子槽形尺寸后，50 Hz和60 Hz方案的转子单匝铜线尺寸统一为同一规格。

3 结语

本设计的4个机型，定转子的有效体积D2L/MVA比60 MW原型机小20%～22%，降本幅度较大。短路比均在0.5～0.56范围内，比原型机略低，但满足GB/T 7064—2008《隐极同步发电机技术要求》中的规定。发电机效率均超过98.2%，满足国标要求。各方案的发电机电磁设计参数比较如表2所示。

本系列化设计的空冷发电机体积比原型机小，制造成本较低。发电机结构经优化设计后，总体结构趋于成熟可靠，性能优越，抗电网波动能力强，适用于国内外市场。

表2 采用GVPI技术的50～ 60 MW空冷发电机电磁设计方案比较表

[1]汪耕，李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海：上海科学出版社，2012.

[2]陈世坤.电机设计[M]. 2版.北京：机械工业出版社，2007.