高海拔地区大中型空冷汽轮发电机研发

肖智毓，宋术青，房俊伟

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

0 引言

随着我国“一带一路”战略的深入落实，我国西部高海拔地区大中型电站建设迅猛增加。尤其是国家审批建设的20个光热发电示范项目，近一半建设在高海拔地区。根据《GB/T 20626.1—2006特殊环境条件 高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》，高海拔地区具有较恶劣的自然环境条件，如空气压力低或空气密度较低、温度较低且变化较大、绝对湿度较小、太阳辐射照度较高、降水量较少、年度大风日较多、土壤温度较低和冷冻期较长等。大中型空冷汽轮发电机产品一般采用密闭空气循环冷却方式，布置在厂房内，虽然海拔增加环境温度降低，但对发电机的温升影响不大，因此其应用于高海拔地区时的主要影响是空气压力低或空气密度较低。其中，空气压力低或空气密度较低主要影响的是大中型空冷汽轮发电机的出力、绝缘强度和起晕电压。

本文对我公司高海拔地区大中型空冷汽轮发电机研发经验进行了总结，主要介绍其与应用于低海拔地区时的区别。

1 海拔修正系数

根据《GB/T 7064—2008隐极同步发电机技术要求》，常规空冷发电机应按安装地点不大于海拔1 000 m设计。当安装地点海拔高度大于1 000 m时，必须对发电机的相关参数进行修正。我国对高海拔地区大中型空冷汽轮发电机的设计、制造经验尚不够多，目前并无相关国家、行业标准来规定确切的海拔修正系数。目前大多数发电机制造厂家按如下公式计算海拔修正系数：

(1)

式中：HA为设备安装地点海拔高度(m)。

我们知道，实际上大气压力是随海拔增加呈指数下降的，因此按该公式计算海拔修正系数是不够准确的。《GB 311.1—2012绝缘配合 第1部分：定义、原则和规则》提出了海拔修正系数Ka计算公式如下：

(2)

式中：HA为设备安装地点海拔高度(m)；q为指数，取值为1.0。

从实际经验来看，对于高海拔地区大中型空冷汽轮发电机，公式(2)的海拔修正系数是比较准确的。

2 发电机的出力

由于空气密度与气压成正比关系，可知冷却风量与大气压力成正比关系，而冷却风量决定了发电机的温升，发电机温升限制着其输出功率。因此对于同一发电机，其他条件不变时，其额定输出功率与海拔高度的关系公式应为：

(3)

式中：PN*为发电机安装地点额定输出功率(MW)；PN为发电机试验地点(海拔高度1 000 m处)额定输出功率(MW)；Ka为海拔修正系数。

以某台安装地点海拔高度为3 000 m、额定功率为50 MW空冷汽轮发电机为例，如其他条件不变，经过公式(3)修正，则其在试验地点(海拔高度1 000 m处)的额定输出功率应约为63.9 MW。

3 发电机主绝缘强度

由于海拔升高，大气压力降低，发电机主绝缘强度也会降低，因此对于高海拔地区的大中型空冷汽轮发电机，其主绝缘厚度应有所增大。各发电机制造厂的发电机绝缘材料、绝缘方式不尽相同，其主绝缘厚度也就不太一样。由于工厂批量制造工艺需要，一般会有不同的电压等级对应不同的主绝缘厚度等级。对于同一发电机，其他条件不变时，其定子绕组交流工频耐电压试验值与海拔高度的关系公式应为：

(4)

式中：Uap*为发电机安装地点的试验电压(kV)；Uap为发电机试验地点(海拔高度1 000 m处)试验电压(kV)；Ka为海拔修正系数。

以某台安装地点海拔高度为3 000 m、额定电压为10.5 kV空冷汽轮发电机为例，如其他条件不变，经过公式(4)修正，则其在试验地点(海拔高度1 000 m处)的试验电压Uap≈28.1 kV。即在其他条件不变时，安装在海拔3 000 m的发电机，对额定电压UN为10.5 kV的发电机，其定子绕组交流工频耐电压试验值应为28.1 kV，此值更接近于额定电压13.8 kV的试验值，因此其主绝缘厚度等级应对应于额定电压13.8 kV等级。

4 发电机防晕措施

国内外各大发电机制造企业和科研机构在高压电机的防晕技术研究方面已做了大量的工作，对发电机电晕产生的原因和危害及防范措施有了比较完整的理论和实践经验。在定子线棒的绝缘设计上采用了不同的防晕结构和绝缘工艺，如分段式防晕、内防晕、应用SiC等非线性电阻防晕材料及定子VPI整浸工艺等很多技术和工艺措施。对于大中型空冷汽轮发电机，可以采用这些成熟经验，本文不再赘述。需要注意的是，由于大中型空冷汽轮发电机定子线圈是靠空气表面冷却，对防晕结构的设计要求会更高。

对于安装在高海拔地区的大中型空冷汽轮发电机，由于海拔升高，空气稀薄，大气压力、温度和绝对湿度都会降低，相比于平原地区的发电机，其起晕电压会明显下降。因此在进行高海拔地区的大中型空冷汽轮发电机研发时，需要注意加强其防晕强度。《JB/T 8439—2008使用于高海拔地区的高压交流电机防电晕技术要求》规定，电机线圈(或线棒)的起晕电压值应不低于公式(5)的计算值。电机绕组的起晕电压值应不低于公式(6)的计算值。

UBS=1.5UN(1-KHS)/(1-KHA)

(5)

式中：UBS为线圈(或线棒)的电晕起始电压(kV)；UN为电机的额定电压(kV)；K为电晕起始电压随海拔升高的递减率，取K=0.1(km-1)；HS为电机试验地点的海拔(km)；HA为电机安装地点的海拔(km)。

UIS=1.3Uφ(1-KHS)/(1-KHA)

(6)

式中：UIS为电机绕组的电晕起始电压(kV)；Uφ为电机的额定相电压(kV)。

由于空气密度是随海拔增加呈指数下降的，公式(5)、公式(6)中电晕起始电压随海拔升高的递减率简单的取K=0.1/km是不够准确的。因此，公式(5)、公式(6)应分别改为如下公式(7)、公式(8)。

UBS=1.5UN(1-KaHA)/(1-KaHS)

(7)

式中：UBS为线圈(或线棒)的电晕起始电压(kV)；UN为电机的额定电压(kV)；Ka为海拔修正系数；HS为电机试验地点的海拔(km)；HA为电机安装地点的海拔(km)。

UIS=1.3Uφ(1-KaHA)/(1-KaHS)

(8)

式中：UIS为电机绕组的电晕起始电压(kV)；Uφ为电机的额定相电压(kV)。

5 结语

1) 大中型空冷汽轮发电机安装于高海拔地区时，由于受空气压力低或空气密度较低的影响，需要对发电机的出力、绝缘强度、起晕电压等进行修正。

2) 我国对高海拔地区大中型空冷汽轮发电机的设计、制造经验尚不够多，相关标准的海拔修正系数计算公式不够完善。随着我国高海拔地区投入的大中型空冷汽轮发电机越来越多，急切需要修订相关国家、行业标准。