300MW级全氢冷定子上出线结构设计
陈薇
（上海电气电站设备有限公司上海发电机厂，上海市闵行区江川路555号三号门 200240） 摘 要：文章介绍了上发厂自主研发的300MW级全氢冷发电机定子上出线的结构设计，并核算了导电部件之间的电气距离。通过型式试验，验证了该结构的安全性和可靠性。
关键词：全氢冷发电机 定子上出线 电气距离 型式试验验证
0 引言
市场的大力发展和政策的调整，清洁能源和环保越来越受到重视，联合循环机组也日益得到电厂的青睐[1]。全氢冷发电机与空冷发电机相比，具有出力大、效率高的优点；与水氢冷发电机相比，彻底杜绝定子漏水风险。全氢冷发电机在燃机联合循环电厂等项目中有着广泛的应用。
本文详细介绍了我厂自主研发的300MW级全氢冷定子上出线的结构设计，并对该结构进行了电气距离的核算，通过试验对其温升和模态进行了验证，从而确保产品的可靠性。
1 定子上出线结构设计
定子出线是把发电机定子电流从发电机内部引至机外的重要导电部件。三相绕组在发电机出线端一般有六到十二个引出线，若接成一个Y形，则依靠连接线把它联成6个或9个出线端子，若接成2个Y形，亦可以把它联成6个、9个或12个出线端子[2]。根据冷却方式的不同，定子出线可采用铜排表冷、氢冷或水冷的出线套管结构。根据出线端子在定子机座上的的相对位置，定子出线可分为上出线、下出线和侧出线。本文中的定子出线是上出线结构，由软连接线、主引线、出线套管、通风管、主引线固定板、风区隔板等结构组成。
1.1 软连接及主引线
300MW级全氢冷定子连接线与主引线通过软连接线进行电连接。软连接结构可调整连接线与主引线之间装配误差。每根主引线通过6件软连接与连接线T型接头连接。软连接单件截面尺寸为50mm×16mm×6mm，绞线导电截面积≥420mm²。软连接线处进行手包绝缘。软连接结构见图1。
主引线采用氢表冷铜排结构，由截面尺寸20mm×210mm的T2紫铜板弯形制得。主引线主绝缘采用桐马环氧玻璃粉云母带半叠包而成，绝缘单边 厚度为3.3mm。
图1 软连接及主引线结构
因主引线铜排较重，需对主引线铜排进行支撑固定。本设计通过风区隔板和夹板结构对主引线进行固定。对中性点侧主引线，采用风区隔板和一道夹板固定；对于出线侧主引线，由于引线较长，采用风区隔板和二道夹板固定。
风区隔板和夹板采用环氧酚醛玻璃布板，并通过不锈钢紧固件固定在机座出线盒上。
风区隔板采用多拼结构，便于从出线盒人孔处进行传递。与机座安装面间垫有密封衬垫，相互之间垫有浸渍过胶粘剂的涤纶毡，装配完成后所有接触面缝隙处用硅胶再次填充，保证拼缝位置不漏风。风区隔板上通风管及主引线的开孔为配开孔，防止安装时错位。
图2 主引线的夹板及风区隔板固定结构
1.2 通氢管
通氢管有两种结构：直管和弯管型。
中性点侧通氢管为直管型，材料为环氧酚醛玻璃布管，内径45mm。由胶木法兰与胶木管粘接而成，整体装入主引线铜排的沉孔内，并用浸漆后的涤纶毡填充沉孔处的空隙，要求 填充紧实，同时用环氧腻子将通风管与主引线铜排粘结牢固。
主出线侧通氢管为90°弯管型，材料为聚四氟乙烯管，内径40mm，直接通过机座侧壁的法兰接口接入机内。
图3 通氢管结构
1.3 出线套管
本次设计发电机出线端子共6个，3个为中性点，3个为主出线端子。出线套管额定电压为20kV，套管采用氢内冷 。
定子出线套管一般用于氢冷发电机上。因为氢冷发电机的机座需要密封和承受一定的氢气压力，所以要求出线套管能承受高电压、大电流并具有密封、抗振、防潮等性能。随着电网结构的变化，发电机还有宽负荷调峰能力，出线套管的结构和质量直接关系到发电机运行的可靠性。
定子出线套管由氢侧带有连接法兰空侧圆柱形连接端头的空心导电杆、带有电容屏蔽的环氧树玻璃纤维缠绕而成的绝缘筒及不锈钢安装法兰组成。空侧和氢侧的电连接法兰面均镀银，以减小连接处接触电阻。绝缘筒和导电杆采用O形圈密封。套管的安装法兰位于绝缘筒上并用螺钉固定。安装法兰与绝缘筒之间也采用了O形圈密封[2] 。
图4 出线套管结构
出线套管通过安装法兰固定在机座上，测量和继电保护用的套管式电流互感器套装在出线套管空气端。出线套管装上过渡接头与外侧连接，过渡接头采用铬青铜模锻接头或铬青铜精铸接头。三相中性点端过渡接头装短接铜排，短接铜排间用软连接线连接，用铜排引出与定子接地装置连接 。
图5 出线套管过渡接头结构
1.4 定子上出线的运输
定子上出线采用整体运输方式，厂内预装后拆除产品出线套管并安装假出线套管；出线套管单独装箱，定子主引线随出线盒和定子机座一同发运至现场后 安装产品出线套管、密封垫圈并锁紧止动垫圈。
1.5 定子上出线线圈端部固定结构
定子上出线线圈端部固定结构采用 定子线圈、连接线、内外支撑环、支架整体悬挂式绑扎结构，具有刚柔特性，悬挂式结构使 得线圈轴向能自由伸缩。端部结构件之间均垫有膨胀毡，GVPI处理后，所有绑带与膨胀毡浸胶固化，使定子端部结构形成一个整体，有足够的机械强度和短路热稳定性， 并具备宽负荷调峰运行的能力。
图6 定子上出线线圈端部固定结构
2 电气距离的核算
在发电机定子设计中，要确保发电机在额定运行电压下无闪络或放电，并能顺利通过耐电压及电晕试验，必须使定子各部件之间具有足够的电气距离，保证机组长期、稳定、可靠地运行。
发电机的电气距离设计按照我厂设计规范的规定，其在电压等级为20kV时电气距离设计限值见表1。本项目首台机将安装在江苏省无锡市，无高海拔要求，电气距离不用进行海拔修正。结合结构设计要求，本项目上出线结构具体电气距离见表2。
表1 电压等级为20kV时电气距离设计标准
序号 名称 限值/mm
1 主引线绝缘后对地放电距离 80
2 主引线绝缘后对地爬电距离 100
3 软连接线之间绝缘后放电距离 12
4 软连接线处绝缘后对地放电距离 80
5 出线套管（裸）对地放电距离 140
6 出线套管（裸）对地爬电距离 240
表2 发电机电气距离设计值
序号 电气距离 设计限值 300MW(20 kV) 设计值
1 主引线绝缘后对地放电距离 80 261
2 主引线绝缘后对地爬电距离 100 417
3 软连接线之间绝缘后放电距离 12 151
4 软连接线处绝缘后对地放电距离 80 237.5
5 出线套管（裸）对地放电距离 140 261
6 出线套管（裸）对地爬电距离 240 431.8
3 温升及模态的试验验证
在设计阶段对发电机定子上出线中主引线及出线套管温度进行了计算，见表3和表4。
表3 主引线计算温度
温度限值 ≤130℃
表面风速 3m/s 4m/s 5m/s 6m/s 7m/s 8m/s
300MW 工况热点温度 105.7℃ 103.2℃ 101.6℃ 100.4℃ 99.6℃ 98.9℃ 主引线在不同表面风速下，热点温度稍有变化，但均满足国标B级温升考核要求。
出线套管的冷却氢气从套管环形面进入套管，冷却导电杆后，由导电杆内腔排出，再经氢气导管排入铁心背部端部出风区空间。 表4 出线套管计算温度
序号 电气距离 温度限值 300MW工况
1 冷氢温度（℃） / 43
2 定子电流（A） 11207
3 导电杆内径（mm） 95
4 导电杆外径（mm） 118
5 单根套管冷却风量（m3/s） 0.093
单根套管损耗（W） 1078.2
6 套管热点温度（℃） ≤130℃ 59.2
套管的热点计算温度为59.2℃，远低于国标B级温升考核的要求，具有较大的温升裕度。
发电机总装后在工厂内进行了型式试验，其主引线温度见表5 。
表5 型式试验主引线温度
主引线热点温度 111.7℃
主引线热点温度限值 ≤130℃ 分析表 5中的数据可知，300MW级全氢冷发电机主引线实际热点温度为111.7℃，低于限值130℃，满足B级绝缘温升的考核要求，且有较大裕度。
发电机内定子GVPI后测量了定子端部模态，其固有振动频率见表6。
表6定子上出线结构端部模态测量
定子上出线结构端部椭圆振动频率/Hz 58.8
定子上两侧出线结构端部椭圆振动频率要求/Hz ≤95或≥110 从表6中可以看出，300MW级全氢冷发电机含定子上出线结构端部实际椭圆振动频率为58.8Hz，成功避开了会发生谐振的95～110Hz频率段，满足设计要求。
综上，所设计的300MW级全氢冷发电机定子上出线结构 满足各项设计要求。
4 结论
本文对300MW级全氢冷定子上出线结构设计进行了介绍，核算了各导电部件之间的电气距离，并通过厂内试验对该结构的温升和模态进行了验证，产品结构安全可靠。该机是我厂自主研发的300MW级全氢冷燃机发电机，首批3台应用于江苏无锡和江阴，并在2023年10月顺利完成型式试验。该机采用整体真空压力浸渍（GVPI）绝缘体系， 具有优越的绝缘和防晕性能，在燃机联合循环等项目中有很好的市场前景。
参考文献：
[1]袁昌健，焦晓霞，王彦滨，马健．450H全氢冷燃气轮发电机设计[J]．上海大中型电机，2019（2）：22-27．
[2] 汪耕，李希明．大型汽轮发电机设计、制造与运行[M]．上海：上海科学技术出版社，2012．
作者简介：
陈 薇（1989. 4－），女，湖北省咸宁市（县）人，本科，高级工程师，从事发电机定子电工设计工作，E-mail：chenwei8@shanghai-electric.com。
注：（作者联系方式：陈薇，手机：18017762268，固定电话：021-64626666-6711，电子信箱：chenwei8@shanghai-electric.com，通信地址：上海市闵行区江川路555号3号门上海发电机厂，邮编：200240）
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