摘要：向家壩水電站是目前已開工項目最大的空冷水輪發電機組，其額定出力達到890MVA。綜合考慮機組的額定出力和轉速，發電機定子繞組額定電壓設計值為23KV，這也是一個允許的最優化的發電機電氣設計。總之，額定電壓大於20KV的設計成為大型水電機組優化設計的發展方向。

　　實施如此高的電壓需要在設計、加工、試驗和安裝階段都特別的注意。朝著提高絕緣工作場強的方向，阿爾斯通已經不斷的提高了發電機定子繞組技術。根據安裝和廣泛的實驗室試驗反饋，確認了阿爾斯通防暈係統是適用於大於20KV額定電壓等級的可靠的技術。

　　對於向家壩這樣的大容量、低轉速水輪發電機，定轉子結構型式、推力軸承和冷卻係統是很重要的。經過若幹象龍灘、構皮灘、小灣和錦屏2成功采用阿爾斯通設計結構的600MW或更大的空冷水輪發電機組證明800MW的機組是完全可行的。向家壩作為國內最大的空冷水電機組也是多年研究論證的結果。

　　大型機組對於熱膨脹、離心力和各種事故工況如定子短路和半數磁極短路的受力都十分敏感。成功用於三峽項目的阿爾斯通結構型式可以很好的滿足發電機圓度、同心度要求並能夠在各種工況下減小結構件受力保證發電機穩定運行。

　　曾用於三峽項目的經驗表明，斜構件的運用可以滿足所有的要求，而且熱收縮磁軛 結構型式不會影響轉子中心體和推力頭的連接。



　　表 1 向家壩和三峽發電機主要尺寸


　　1. 定子繞組設計
材料的改進和有效的工藝控製增加了主絕緣的絕緣強度並使得大型發電機使用高電壓等級成為可能。高電壓的使用要特別注意線棒端部的設計和防暈係統。

　　1.1. 參考

　　阿爾斯通的Micadur® VPI絕緣係統最高用於額定電壓30 kV的機組，用於水電機組的最高達到23 kV，這個機組已經 投入運行。

　　1.2. 防暈係統

　　定子線棒防暈保護需要兩種防暈材料。在槽部需要導體表麵釋放槽部電暈。這樣的放電可導致主絕緣的老化最終造成對地短路。可使用防暈帶或防暈漆形成槽部的導體表麵。

　　阿爾斯通防暈係統最高可用於30 kV的額定電壓。它被用於已投入運行的火電和水電機組最高額定電壓為27 kV。特別是對於額定電壓大於16KV的端部防暈係統需要好的和穩定的技術性能。在槽部防暈和端部防暈的搭接部位和不同相相棒的撐塊部位是最容易起暈的部位。

　　端部防暈材料的表麵阻抗決定於電場強度。一般高電場強度需要低的表麵電阻以保護線棒防暈。實驗證明，端部防暈係統施於整個線棒端部可以提高起暈電壓值使之高於用戶一般要求。圖1表示定子線棒的端部係統。

　　圖 1: 定子線棒防暈係統

　　圖 2表示端部防暈係統沿定子線棒端部的作用效果。最大的電場強度減小了。

　　圖 2:端部防暈係統功能示意圖

　　圖3 表示了典型的定子繞組端部剖麵和端部支撐係統。可以看到端部防暈係統施於整個定子端部可控製電壓分布並減少了不同相線棒間撐塊的起暈風險。特別是在定子繞組耐壓試驗時，在撐塊部位不同相線棒端部的電壓差值大於起暈電壓值。由於兩相線棒端部之間的表麵路徑過短會導致場強局部集中發生起暈現象。所有這些潛在的風險都在定子繞組設計時被考慮到。

　　圖 3:水輪發電機定子繞組端部示意

　　1.3. 設計

　　和傳統的絕緣係統比較，隨著絕緣工作場強的提高主絕緣的厚度隨之減薄。這將使得槽的填充係數和發電機最終效率隨之提高。

　　除槽填充係數外，通過優化定子繞組幾何形狀可以減小定子繞組長度。通過考慮端部防暈係統需要的線棒間空氣距離優化繞組端部。也可通過優化繞組端部長度滿足用戶起暈試驗的要求。

　　其他的設計需注意的是端部的支撐係統強度能夠滿足短路工況下安全運行。另外，定子繞組端部、銅環、引線等部位的冷卻需要通風冷卻計算的確認。

　　1.4. 製造 ,

　　製造向家壩定子線棒需要特殊材料學知識和高壓絕緣工藝方法。所有的製造過程特別是真空壓力浸漬和聚合階段，都必須嚴格的按照生產大型水電或火電發電機線棒最好的製造和試驗經驗進行。在技術中心的全力支持下全球製造中心負責分公司間的經驗交流和通常工藝過程的製定。

　　1.5. 試驗

　　為保證產品質量，所有的線棒在製造過程中都必須進行試驗。一些實驗項目如下所列：

　　• 原材料性能試驗
　　• 線棒股間固化過程控製
　　• 單根股線短路試驗
　　• 線棒股間固化後尺寸檢查
　　• 端部成形焊接後尺寸檢查
　　• 包絕緣後絕緣厚度檢查
　　• 浸漬用樹脂質量控製
　　• VPI程序控製
　　• 主絕緣聚合程序控製
　　• 線棒尺寸、槽部表麵阻抗、耐壓試驗和介損值最終測試

　　這些試驗程序是製造高質量的23KV定子線棒的保證。

　　1.6. 安裝

　　定子繞組的安裝是發電機最重要的安裝步驟之一。很重的線棒必須安裝進垂直的定子鐵芯槽內。安裝必須保證線棒與槽之間機械、電氣和熱膨脹接觸要求。使用阿爾斯通“裹包”下線方法可以很好的滿足以上三項要求。
精確的定子線棒幾何尺寸可以保證安裝時滿足諸如高電壓線棒間氣隙值的要求。穩固的定子繞組支撐係統可確保發電機安全運行和在諸如短路等事故工況下穩定的機械性能，同, 時還具有足夠的柔韌性允許材料受熱膨脹。
在圖4中表示不同部件的支撐係統。同層線棒間放置硬樹脂聚合材料使同層形成一個足夠強度的支撐環。浸膠的玻璃絲繩固定在下層線棒上以保護支撐環不被擴大（左圖所示）。線棒間鐵芯上端齒部放置樹脂聚合材料撐塊支撐定子繞組使之在垂直方向保持一致。

　　圖 4:定子繞組支撐係統


　　2. 結構設計

　　在設計大容量低轉速發電機靜止部件時，特別要注意要在各種運行條件下定子能夠保證良好的圓度。
另一點需要注意的是，要保證定轉子的同心度。並且能夠在由於溫度等原因產生位移擾動時定轉子能夠自動修複以確保定轉子同心。不同部件采用斜構件結構例如定子機座、軸承機架和轉子支架等，可很好的滿足以上要求。

　　3. 斜構件的基本原理

　　在轉子上，斜立筋連接兩個環狀部件，這兩個環狀部件在同一個平麵但直徑不同，同樣結構，機架的斜支臂連接中心體與基礎，轉子斜立筋連接轉子支架中心體與磁軛。在定子上，斜腳板連接著兩個環狀構件，這兩個環狀構件不在同一個平麵但直徑相同，這兩個構件一個是定子基礎另一個是上機架。

　　定轉子上的斜構件的機械性能和特點是十分相似的。當兩個環發生同心的膨脹時，斜構件都要向阻力最小的方向扭轉。兩個環也分別以各自的圓心發生扭轉。但是當一個環發生的變形、移動或扭轉與另一個環不同步時，斜構件將有向阻力最大的方向變形的趨勢。

　　3.1. 定子與基礎之間的連接

　　代替傳統的定子與混凝土之間采用剛性連接結構，用帶有彈性的斜腳板連接定子與混凝土基礎會給我們帶來以下好處：

　　• 由於斜腳板具有彈性，它不會限製定子鐵芯同心的熱膨脹。這使得定子鐵芯發生曲翹變形的風險大大降低。
　　• 確保定子的同心度和圓度。

　　• 控製係統共振因此能減小短路受力。

　　3.2. 定子與上機架的連接

　　上機架斜支臂與定子斜角板和基礎相連接。這種結構具有以下優點：
　　• 上機架不影響定子的熱膨脹，這樣為避免定子鐵芯發生曲翹變形提高了安全係數。
　　• 上機架中心體和上導軸承不會因定子和上機架的熱膨脹受到影響。
　　• 機架的連接剛度和導軸承剛度與機架腿之間整體鋼板結構型式的機架在傳遞力上實際是一樣的。
　　• 能夠確保定子的同心度。



　　圖 7 向家壩總裝示意圖


　　3.3. 轉子

　　轉子支架斜立筋在扇形體上下環板和中心體之間為空氣流動建立了通道。在軸向方向，斜立筋延續了中心體整個長度以承受磁軛重量的彎矩。

　　當扇形體上下環板與中心體焊接時會有焊接收縮的風險。但斜立筋結構可以控製這樣的風險，因為任何支臂上的焊接收縮應力可以被旋轉的中心體環板所均衡。圖8和9表示的是扇形體與中心體焊接結構型式的轉子支架。

　　圖8 斜立筋結構的轉子支架 圖 9 斜立筋結構的轉子

　　按照合同要求，磁軛要求熱套在轉子支架上且熱套盡量應能承受1.4倍額定轉速。如果采用傳統式的輻射狀轉子支架結構型式，對中心體的影響是非常大的。但是通過采用斜立筋式轉子支架結構，轉子支架中心體與推力頭的連接實際上不受任何影響。

　　4. 推力軸承

　　為了支撐整個機組軸係重量和水輪機的水推力，向家壩推力軸承負荷設計值達到了4420噸。

表 3 推力軸承的技術數據

　　4.1. 軸瓦的設計

　　推力軸承瓦采用阿爾斯通開發並獲得專利的雙層瓦結構。它的組成結構是：表麵是一層薄的運行瓦，薄瓦最終由具有足夠剛度的負荷瓦支撐。在兩層瓦之間不同直徑因此也具有不同彈性的支撐柱精確對準軸瓦與推力頭的接觸的不同位置。上層運行瓦的變形由支撐柱的變形來決定。在上層運行瓦由於溫度梯度造成的變形並不嚴重。按照壓力分布計算放置的不同規格的支撐柱可以彌補運行瓦負荷不均勻造成的變形不均勻從而最終保證運行瓦總是於推力頭很好的接觸。

　圖 10 雙層推力軸承瓦 圖 11 三峽推力軸承瓦

軸承運行的有效部件瓦和推力頭的變形是由負荷和油膜的水平和垂直方向的溫度梯度造成的。三維油膜理論運用於變形計算能構準確計算處油膜的幾何形狀。在設計階段應檢查推力瓦的變形和計算需要的油膜。最終油膜的厚度、溫度和油膜的平均壓力將作為確保軸承性能的設計參數。
4.2. 瓦的支撐係統
三峽左岸龍灘向家壩

　　5. 冷卻係統

　　發電機有效部分是空氣冷卻方式。在定子背後與空冷器進行熱交換後的冷空氣分成兩路以端部回風的通風方式通過定子上下端部，然後進入轉子支架。轉子支架和磁軛的通風溝旋轉的離心力作用於空氣產生的壓力驅動空氣由氣隙經過定子通風溝然後回到空冷器。產生的壓力需要與通過定轉子通風溝、空冷器、定子端部等部位壓力損失相等。轉子、氣隙、定子鐵芯和空冷器組成了空氣循環回路。

　　定子繞組連接線的交流損耗總是大於直流損耗，這是因為集膚效應的影響。使用特殊的有限元計算可以確保繞組連接線的溫度限製。通過計算可以確定集膚效應的程度和冷卻連接線所需要的風量。

圖 12 繞組連接線的有限元分析模型 圖13 在繞組連接線中電流密度

定子繞組兩側的端部是通過端部回風通風方式冷卻的。對於向家壩項目，雖然采用具有可避免粉塵汙染優點的單路通風方式從技術上是可行的，但雙路通風方式為通風冷卻提供了更大的安全係數。

　6. 結論

　　向家壩發電機是中國最大的空冷發電機組。因此為保證有效的通風冷卻係統和繞組端部的冷卻，對此必須進行特殊的研究。

　　定子繞組的設計是根據若幹額定電壓20KV或大於20KV的機組的製造經驗。用於向家壩項目定子繞組的23KVMicadur®絕緣係統和防暈係統是經過阿爾斯通公司驗證和批準的。同樣這種線棒的設計和製造通過了介損試驗和老化試驗的驗證。

　　參考：
- 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

　　作者介紹
　　Thomas KUNZ 1991年加入阿爾斯通水電部門進行電氣設計。他曾在瑞士水電工程部擔任多種職務。自2002年擔任全球阿爾斯通水電技術研發中心主任，負責阿爾斯通水電業務的電氣研發與產品發展。

　　Thomas KLAMT 畢業於德國Ilmenau 科技大學的電氣工程師。1992年加入阿爾斯通公司擔任電氣工程師進行定子繞組設計。他參於多個項研發項目。現在領導阿爾斯通水電定子繞組絕緣技術活動。

　　金東浩畢業於武漢華中科技大學電機專業。自1987年擔任超過40個發電機項目主設或技術領導。他具有水電和火電項目發電機設計、製造、安裝和試驗的經驗。自2005年擔任天津阿爾斯通水電公司電機工程部經理職務。

　　孫星軍1992年畢業於哈爾濱理工科技大學電機專業。他曾擔任多個項目像橋鞏57MW貫流機組和構皮灘600MW發電機主設。從2007擔任天津阿爾斯通水電公司發電機工程部技術負責人。
, 時還具有足夠的柔韌性允許材料受熱膨脹。
在圖4中表示不同部件的支撐係統。同層線棒間放置硬樹脂聚合材料使同層形成一個足夠強度的支撐環。浸膠的玻璃絲繩固定在下層線棒上以保護支撐環不被擴大（左圖所示）。線棒間鐵芯上端齒部放置樹脂聚合材料撐塊支撐定子繞組使之在垂直方向保持一致