水轮发电机定子波绕组新接线 方式的分析与研究 姜茂雄 摘 要 啦轮发电机某些分数精波绕组在６０。标准相带时，其定乎绕Ｉ煎的接巍化较复杂， 与之相应的结构布置与经济性能也不尽合理，目此，有必要具体问题具体分析，根据 该机蛆的实际情况，采取新的接线方式，以得剜简易可行、弪济合建、电势波璐电 善于的定子境组接线方案。寿此，拳文着重对定＿手波绕组新接鲺的两Ｊ科￣－．ｇ－（交换 事体法和请措法）厦其原建和特点进行Ｔ分析和研究｜并针对定子绕组新接线意移 最的大小相＿带（即非６ ０·标准相带），仔蛔分析和推导Ｔ走小袖蒂定手藐垃系数码 计算公式｜最君，以ｓＦ３ｏ．ｓ－－２ｏ＃．ｓｏｏ发电机为葜锏，惜蝻手定手绕组考框自紊龟 势星 向量图，说明是活运用交换导体法和措糟岳来分析解决实际问题前具体措施。 数稽骁组，每一个极下每相所占的槽数实际 概 述 上是互不相同的，部分极下多一个或少一个 稽，但每一稆在不同极下所占的总槽数却是 水轮发电机定子可采用整数槽绕组或分 相同的。由于水轮发电机定子槽数较多（有 数槽绕组 以叠绕或波绕构成框式叠绕组或 些低速大容量发龟机定子槽数多达０９Ｏ槽以 条式波绕蛆。对于整数槽绕组，每一对极下 上），分数槽叠绕姐接线方式比较简单，而 每相所占相应槽号在磁场下所处的位置完全 波绕组的接线方式较复杂些，对于容量较 相同，每一对极就组成一个循环，所以无论 大、铁芯较长的水轮发电机，其定子绕组一 叠绕组或波绕组，其接线均较简单。对子分 般都采用渡绕组，因此有必要根据每台机组 来瘸时．Ｈ１：１９９Ｏ年１２耳 的规章制度。还应立即着手解决进口设备备 能长期正常运行，在实践ｌ申积累经验，使我厂 件的国产化问题，特别是一些电气元件，控 （ＶＰＩ）工艺不断得到提高，能与世界先进水 制仪表，和浸渍罐的密封暖等，以保证在现 单同步，使这一先进工艺在祖国画化建设中 有备件消耗后能得到补充，以保证设备系统 创造更大效益。 ８ 的实际情况，对波绕担的接线方式进行分析 和研究。 定每极每相槽数ｇ＝６＋与，６０。标准相带 “ Ⅱ为满足绕组对称并得到最大电动势（即 时，填绕组循环数停前十数担成， 交换 上、下层导体后，其掣 组循环序变为由２ｄ个 数组成。 有较大的分布系数），三相整数槽绕组或分 数槽绕组一般采用６０。标准相带。然而，对 于水轮发电机的某些分数槽渡绕，若仍按标 准相带方法进行接线，将使每根极间跨接线 （４）相带分布由交换导体前的６０。标 变得 账，其数量和规格也增多，伺时还有 可能使极间跨接线相互交叉以及斜并头套增 准相带变为每一相的正、负两个相带之导体 数量不等的大小相带，但绕组三相合成之电 磁性能仍然平衡对称。 （５）由于绕组节距的变化及大小相带 多，导致用铜量增加、结构布置复杂，设计 制造困难等问题。为简化结构、缩短极间跨 接线长度和提高经济性能，因此，有必要对 这些分数稽渡绕组采取新的接线方式。 的形成，其绕组的短距系数和分布系数都随 之发发变化，对削弱某次谐波分量有利。 ２．借稽法 定子波绕组采取新接线的方 法和原理 水轮发电机定子波绕组采取非标准相带 接线的新接线方法主要有两种，其一是交换 交换等值相带两边的导体的原理：即将 某一相等值正极下靠近相带分界线的一个或 几个导体归并到相邻的另一相，同时将等值 负极 的相邻稆之相应数量的导体归并进 来，使 带在方框图的个别地方之宽度发生 变化，即使每一相的正、负两个相带之导体 导休法，其二是借槽法，现分别筒介如下。 １．交换导体法 交换同槽上、下层导体的原理：在标准 分布数最不等，形成大小相带，从而得到更 简易可行的接线方案 这种接线方法特点如 下。 （１）绕组的节距在借槽前后均保持不 变，即绕组的短距系数不变，这是借槽法与 交换导体法的一个明显区别 相带接线韵基础上，将某一相或每一相相同 极性的某一十相带的上、下层导体相互交换 位置，使原来的上层导体换到下层，下层导 （２）绕组的循环数序仍由借槽前的ｄ 个数组成，即借槽前后组成循环数序的位数 体换到上层，从而得到比标准棺带接线更简 易可行的接线方案。这种接线方法有如下特 点。 不变，但其县体数值会随方框图的变化而变 化。 （１）交换上，下层导体后每槽相直导 体的电动势保持不变，因而对整体绕组的电 （３）借槽前后每一相的总导体数量不 变，虽然借槽后相带分布大小不等，但绕组 三相合成后的电磁性能仍然平衡对称。 （４）由于形成大小相带，其绕组的分 磁性能无任何影响。 （２）绕组的前、后节距发发变化，有 可能使绕组的前、后节距变为相等，这对绕 组的前，后端部受力匀衡、简化线疆制造工 艺、提高下线工效等都是有利的。 （３）绕组的循环数序发发了变化，假 布系数随之发生相斑变化，并对削弱某次谐 波分量￣ｆ￣９１。 ９ 定子波绕组采取新接线后绕 组系数分析与计算 由于采用交换导体法和借槽法，定子绕 组的节距和招带分布都会发生相应变化，因 此，有必要分析和推导相应的绕组系数计算 公式。 １．短距系数 定子绕组交换上，下层导体前后，虽然 绕组节距有所变化，但是短距系数的计算公 式均相同，仅是公式中代入各自相应的数值 有别而已。若绕组的第一节距为Ｙ。，则 有， Ｙｔ／ ３ｑ ￣、。，。。 芸茎 ；｝ｃ 式中ｇ一每极每相槽数 对于基波，其短距系数计算公式为 ＫＰＩ＝ｓｉｎ（ ×９０。） （２） 对于高次谐波，其短距系数计算公式为 ＫＰ，＝ｓｆｎ（ ×卢×９０。） （３） 式中 一谐波次数。 ２．分布系数 （１）对于６０。标准相带接线，其基波 和高次谐波的分布系数分别计算如下： ①基波 ０ ．５（４） （６ｄ＋ｃ）ｓｉｎｆ ｕ－一ｌ ②高次谐波 … （６ｄ ｃ）ｓｉｎＩ ｌ （２）对于非６０。标准相带接线，由于 各相带的导体数量不同，各相带的台成电角 度不等，就不能用式【４）与式（５）来计 算其基波和高次谐波的分布系数，因此，有 必要针对大小相带推导出相应的分布系数计 算公式。现将该计算公式推导如下ｔ ①基波 假定ｓ电机总槽数为Ｚ 电机极数为２Ｐ 每极每相槽数ｇ＝６＋ 单元电机数为ｆ， 财ｆ＝ ｛Ｉｆｌ —２ ｄ（ｄｘ …～、为奇数） ｌ＿ｔ 呈ｄ （ｄ为偶数）“／ Ｉ 单元电机槽数ｚ。＝ｚｆ 单元电机正极相带导体数为Ⅳ ⅢⅡ有单元电机负极相带导体数为Ⅳ。 星形向量图中相邻两电势向量阔的电角 度ａ为Ｉ ＝３６０。／Ｚ （６＞ 单元电机正极相带的台成电角度０－为 口ｌ＝Ⅳｌ× 单元电机负极相带的合成电角度０：为 目 ＝Ｎ ×口 （ｅ＞ 又假定每个导体的电势向量之模为单位 １，根据数学原理，则有正极相带电势合成 ） （１５） 向置为 Ⅳｌ ，：∑ 。 （９） 其模值为 １．口 生 （１０） 其方向位于正极相带的几何中心线上。 负极相带电势合成向量为 Ｎ， ∑ 。 ｉ：１ 其模值为 （１２） 其方向位于负极相带的几何中心线上。 因为同一相绕组的正、负相带合成电势 问互差ｌ８０。电角度，则同一相绕组的两个相 带之电势向量合成后，其相电势合成向量为 Ｅ＝Ｅ 一Ｅ ２ （１ ３） 其合成向量的模值为 Ｅ＝Ｅ－一（一Ｅ ）＝Ｅ ＋Ｅ：（１４）． 将式（１０）．式（１２）代入式（１４）， 可得 其合成向量的方向位于正极相带的几何 中心线上。 根据分布系数的定义，定子绕组的分布 系数等于电势合成向量的矢量和与其算术和 之比值，所以，非６ｏ。标准相带的分布系数 为 ｄＩ：Ｅｌ（Ⅳ ＋Ⅳ２）葺 （１６） 将式（７）、式（８）、式（１５）代入 式（１＇６），经整理后得到非６０。标准相带的 分布系数计算公式为 ｓｉｎ（Ｎ，ｘ－ ａ）＋ｓｉｎ（Ｎ－２ ｘ￣ ） （Ⅳ Ｎ ）×ｓｉｎ（詈） （１７） 对于标准的６０。相带接线，式（１７）中 ⅣＩ＝Ｎ：，即Ｎ ＝Ｎ ＝ｂｄ＋ｃ且 口＝～６（６０ ￣ ，口Ｉ＝口２＝６０。，因此，式（１７）就 简化成式（４），即： ¨＝ ｓ－ｎ（等）＋ｓｉｎ（ ） ２（ ＋ｃ）×Ｓｉｎ（ ６丽０￣） ！曼 （ｂｄ…ｓｉｎ（ ） ③高次谐波 非６Ｏ。标准相带之高次谐波分布系数按 下式计算： ｓｉⅡ（Ⅳ－× ）十ｓｉⅡ（Ⅳ ×ｖ丁ｘ ２） 同时联合使用这两种方法，更改其接线方 ｄ 一式，以得到结构上更为简化、电气性能上更 （Ⅳ 十对 ）×ｓｉｎ（ ） 有改善 经济上更为可取的接线方案 下面就以ＳＦ３０．６—２Ｏ／４５００水轮发电机 （Ｉ８） 为例，说明联台使用交换导体法和借槽法的 中 一谐波 数。 具体分析方法和应用措施。 ＳＦ３０．６—２ｏ／４５ｏ０水轮发电 ，摹主要 簿缉赛数 数据。 ①基波 额定容量 ３６／ｓｐ．６ＭＶＡ／ＭＷ ＫＴｌ＝ ｌ×Ｋ ｄＩ （Ｉ９） 额定电压 １３．８ｋＶ 额定电流 １５０６Ａ ②高次谐波 额定功率因数 ０．８５ Ｋ，，＝Ｋ¨× ¨ 额定转速 ３００ｒ／ｍｉｎ （２０） 旋转方向 俯视逆时针 定子波绕组采取新接线方式 定子槽数 Ｚ＝２２８ 的具体应用实例 每极每相槽数 ｑ：３ ． 并联支路数 ａ＝１Ｙ 对于某些分数槽波绕组，其６Ｏ。标准相 定子绕组型式 双层波绕组 带的接线方案较为复杂，根据其具体情况， 如果定子绕组采用６Ｏ啼 准相带接线方 可以单独使用交换导体法和借槽法，也可以 法，其方框图见图１ ｎ Ａ Ｙ Ｃ Ｘ Ｂ Ｚ ＩＴ １８ ４Ｏ ４１ ２２Ｉ ２２５ １ｇ ２０ 囤１ Ａ相接线方式ｚ＝２２８，２Ｐ＝２ Ｏ，ｑ＝３ ４，８＝１Ｙ，Ｙ＝１～１１～２４，循环敷序Ｊ４４＋４Ｓ １２ Ａ Ｙ Ｃ Ｘ Ｂ Ｉ８ ４１ Ｚ ２２６ ２Ｏ 图２ Ａ相接线方式，ｚ＝２２ ８．Ｐ＝２０，ｑ＝３詈，ａ＝１Ｙ，Ｙ＝１～１２ ２４， 循环数序｝６２５３５２５３５２ 袭１ ＳＦ３０．６－：２ｏ／４５ｏｏ，￣电机定子绕组交换上、下层导体前后 变化数值比较 定于绕组循环缸序 定子绳粗节强 ４４４４：３ Ｙ＝１～１１～２４ ９ 粗Ｊ可船接缉恨莪 革椎粗间碍接最的跨距 粗间跨接巍的品种（上层） 单元电机每相正枉相带导体敷 单元电机每相盘扭相带｝体鞭 ５Ｔ格 ３ １９ １９ ６ ５ 州 ｍ ５ ｊ ０嘴．雏任 ．１ ．一Ｂ ０『＿ ＿。０孙 ５ 目 目 目＿ｍ ８ ６ ５０ Ｂ ０他珈单元电机每相正枉相带电角度（基遗） 单元电机每柑直枉柑帚电角度（基波） 定于绕粗基波分市最数 定于烧粗基波拄正最缸 ６０。 ２ ６０‘ ０．９５５６５６５ ０．ｇ８１４６４６ ０．９５７５：３５８ 定于绕粗基波绕粗拳莪 定于觉诅五班谐波觉粗最数 定于觉扭七班谐ｌ蛊晓组幕毂 ０．１０９１７０５ ０．０５００１８０２ 从图１中可以看出每一相均有四根跨距 为５７槽的极间跨接线，如果任意打开一根跨 线作为引出线，则仍有三根长跨接线。同 时，任一相的每根极间跨接线都要与另外两 ｊ 毋婷求拄坤蓄ｆ卜，叫嚣 ＩＩ簟母蒜 明嚣水假１犀 辩辑＊。。∞ 。 ●。．。ｎ ｌ ｎ目 ｕ ０ ，工譬＝譬 －ｈ＝暑 暑薯譬＝暑譬 Ｉｌ ａ｜．。＝＝＝＝吉盎 ＝。＿＊，｜ｔ；－’ ｒｔ ｎ，Ｎ，Ｉｔ。，晶 ∞ ．ｚ ＝ 一● ｔ 器嚣器¨喜．女 《 Ｓ噬衄 噬趟 趟噬 噬 趟噬 噬 畦 幽 ｑ ■卜 ｑ 轻《 蛙蛙 牲《 蛙 暇鞲 昨 档 昨 据 蛙 档 蹄 ＃ｇ 蛙 辎 １４ ． ｝＋ ８ ｙ 图４ ６０。标准相带单元电机基波电势星形向量图 相的极间跨接线相互交叉，结构复杂，布置 叉，构成三平面结构 仅以上层为例，Ａ相 ５８槽到１１５槽的这根跨接线要与Ｂ相３９槽到 ９６槽的跨接线和ｃ相２Ｏ槽到７７槽的跨接线相 互交叉，且Ｂ相和Ｃ相的这两根跨接线同样 困难，给设计、制造和安装都将带来一定的 难度。另外，９根长跨接线的总长度约是定 子铁芯外径周长的２．２５倍，其经济性也不合 理。 也相互交叉 同时，每根极问跨接线的长度 均为１／４圆周。 基于上述原因，就有必要对其定子绕组 以Ａ相为例，若将ｌ６槽到７３槽这根下层 极闻踌接线打开作为Ｂ【出线，则余下１３０槽 蓟１８７槽的下层极间跨接线，５Ｏ槽到１１５槽的 上层极间跨接线，１７２槽到１槽的上层极问 跨接线。这三根极间跨接线的总长度为１７１ 个槽距，其长度约为定子铁芯外径周长的 ０．７５倍。同时，三相间极问跨接线均相互交 采取新的接线方式，以简化结构、缩短跨接 线、提高经济性，同时便于设计、制造和安 装。 新接线方式采取的第一个措施是交换导 体法，即交换６Ｏ 标准相带中ｘ、Ｙ、ｚ三个 ｌ５ Ｂ ＾ 图５ 交换上下层导体后，单元电机基波电势星丹ｊ向量图 相带的全部上、下层景体 定子绕组交换导 电势合成向置仍互差１８０。电角度，三相绕组 体后的方框图丑图２。交换导体后，向量分 的基波庖势台成向量也互差１２０。，且合成痢 布由６Ｏ。标准相带变为向量分布不等的大、 匿的模大小相等。’所以，交换导体后，兰相 小相带，且定子绕组的循环数序与绕组节距 台成电势仍平衡对称。 都发生了变化。皮族导体后的定子绕组导 根据图２和表ｌ可以看出，定子绕组交 体分布见图３。交换导体前后的单元电机 换导体后， 据根极间踌接线的跨距曲５７槽缩 基波电势星形向量图盼 冠图．４和圜５。 短为１０槽，土层极间跨接线的品种由３种减 交换导体前后定子绕组的变化数直见表 少为１ｆ种，跨接线的结搀由相互交叉的兰平 １。 面复杂结构简化为各自啦立的单平面简单结 根据图５可以看出，定子绕组交换导体 构。如果仅以跨接线结构的难易程度＿及；菸经 后虽然变成了电势向量分布不等的大小相 济性能来看，交换导体后妁接线方式明显优 带，但其每相绕组的正、负两个相带之基波 于６０。标准柜带接线方式。 根据图５和表１也可以看出，定子绕组 交换导体后，绕组循环数序由４，￣４．４３变为 ６２５３５２５ ３５２，绕组的前节距由Ｙ ｌ＝１０变为 中的６７槽和第１８１槽归并到Ｂ相带。在交换 导体基础上借槽后的定子绕组方框图见图 Ｂ，其相应的单元电机基波电势星形向量图 见图７。 Ｙ Ｊ＝１１，单元电机的基波沌势向量分布由 。 ＾０ 标准的６０。相带变为茸角度分别是８２等 和 １ ０ 撼据图７可以看出，借槽后，单元电机 每相绕组之正、负相带的基波电角度分别由 ３７ 的大小相带，单元电机每个相带的导 体数由相等的ｌ９分别变成差异较大的２６和 １２，但其基波绕组系数基本没变。同样，五 次谐波和七次谐波的绕组系数在交换导体前 后也基本没有多大变化。可见，对于该机 组，交换导体法对简化结构和提高经济性虽 有明显的优势，但对电势波形并无明显的改 善。因此，还有必要在此基础上对其接线方 式作进一步的改进，使其电势波形得到明显 的改善。 改进该机定子绕组接线方式所采取的第 ８２￣１３ ３７ 一 ＾为８５ 和３Ｖ ４ ，但其基波 ＾Ｖ 电势合成向量仍互差１８０。；三相绕组的基波 电势合成向星也互差１２０。，且合成向量的模 大小相等。所以，定子绕组采取第二个措施 改进接线后，三相绕组的电势合成向量仍是 平衡对称的。 定子绕组交换导体后再借槽的变化数值 见表２。根据图６和表２可以看出，借槽后 据根极间跨接线的跨距为ｌ ３槽，但仍远远小 于６Ｏ。标准相带接线时的５７槽，其品种和结 二个措施是借槽。即在交换导体后，借助于 新的方框图（图２）和新的单元电机基波电 构与借槽前梧同。因此，若仅考虑简化结构 和提高羟济性 借槽后的定子绕组接线方式 也明显优于６Ｏ。标准相带之接线方式。同 时，根据图７和表２还可以看出，借槽后单 竹 元电机的每个相带导体数分别由２６和１２变为 ｅ、势星形向量图（图５），将ｘ相带中的第 １０５槽和第２１９槽归并到Ｃ相带，将Ｙ相带中 的第２９槽和第１４３槽归并到Ａ相带，将Ｚ相带 ●ｆ叫． ● Ⅲ 柘 Ａ ｌＹ Ｃ Ｘ Ｂ ｚ ｎ朽 … ． 娃一 图６ Ａ相接线方式，ｚ＝２２８，２Ｐ＝２０，ｑ＝３詈，ａ＝１Ｙ，Ｙ＝１～１２～２４， 糖挪 数序Ｉ ６２５３５２６２５２ １７ Ｂ 五 图７ 交换导体，借糟后单元电机基波电势星彤向量图 ２７和１ｌ，其相应的基波电势相带电角度分别 但综合考虑其结构布置、经济性能、电势波 形等因素，都不如上述接线方式。这些未采 用的接线方式就不在这里分析和讨论了。 在此以前，水轮发电机定子绕组的设计 也曾单独使用过交换导体或借槽来改进其接 线方式，但设计水轮发电机定子绕组，这两 种方法同时使用，这还是首次进行这方面的 探讨。 由８２ 和３７昔变为８５ 和３ ｝，基波绕 组系数虽有微弱变化，但最明显的变化是五 次谐波和七次谐波的绕组系数，均大大低于 借槽前的数值，另外，除十一次谐波的绕组 系数略偏高一点外，其十三、十七次谐波的 绕组系数也有所降低。显然，借槽后定子绕 组的电努波形得到了明显改善。所以，综合考 虑简易可行、经济合理、电势波形等多方面 的因素，该机定子绕组就选用交换导体后再 借槽的接线方案。 当然，对于该机还有其他的接线方式， １８ 小 结 水轮发电机某些分数槽波绕组在６Ｏ。标 表２ ＳＦ ３０．６－－２ｏ／４５ｏｏ￣轮发电机定子绕组交换导体与借槽前后的变化数值比较 序 啊 ６０。标准相帚 支挟早体 ｌ 戈橇导体后待特 定干巍衄撼环敷序 定干巍衄节距 ４４４４￣ Ｙ一１～１１～２４ ６２５；５２５；５２ ｊ ０２５￣５２６２５２ Ｙ一１～１２～２４ Ｙ一１～１２～２４ Ｉ 定干巍衄短距倍数 单据枉问跨接线的跨菇 上屡枉『日１跨接线的品种 ｐ＝５ｏ／５７ ５Ｔ特 ； ｐ．＝５５／５￣ Ｉ 目：５５／５Ｔ 简单（单平面） 粗『日１跨接绳的蛄构布置 粗何跨的相互是秉 蔓杂（三平面） 相互变置 简单（单干面）ｌ 粗坷跨接蝇的幸ｊ遵、装窟工时 垒部扭问跨接线的甚长度 ２．２５倍定于’卜径一长 事 １。… 单元电机每柄正扳相带导体敷 １５ 单无屯机每相正扳相带基波电席虎 单无电机每相真扭相帝导体敷 单屯屯机每机氩枉相带基波电角度 定于绕衄基波短距秉薮 ８０’ １９ ６０’ ０．５９１４５４５ 。２昔 １２ ；１ １ Ｉ １１ 孙 定于巍衄基盘分市秉薮 基蛊绕衄最敷 五班谐波览衄秉敷 七班谐波绕姐秉敷 十一班谙蛊绕粗暴款 十三班谐嵌览衄木敷 十七班谐遗绳姐秉薮 ０．５５５０５０５ ０．９；＂／￣３５８ ０．１０５１７０．５ ０．０３００１８０２ ０．０４６１６４ ０．０６４Ｔ￣６６ ０．０５７７２８０ ００４５６０￣０ ｏ５３５５１２５ Ｊ ０．９；０５１９５ ０１０５０５１２ ｌ ｌ ０．０６３２４５８ ０．００￣５０４２９ ００２７８１Ｉ４５ ｉ０．０５４４６１２４ ００￣４１８８５ １ ０．０２ｌｆ１￣６４ 准相带时，定子绕组的接线比较复杂，其结 构布置与经济性能不是很合理，因此，应具 体问题具体分析，根据该机的实际情况，借 助于方框图和电势星形向量图，灵活运用交 换导体法和借槽法，改进其定子绕组的接线 方式，综台分析和比较，以获得简易可行、 经济台理、电势波形良好的定子绕组接线方 案。 参考文献 １．清卒太学电机秉璃著．同 电机 ２．白建年主璃．水转发电机设计与计茸 ；．同 屯机．电机工程手册．幂１９工 １９
