發(fā)電電動機(jī)定子繞組4支路技術(shù)在荒溝抽水蓄能電站的應(yīng)用

何雪飛　朱南龍　何萬成

【摘 要】發(fā)電電動機(jī)定子繞組4支路在荒溝抽水蓄能電站機(jī)組成功應(yīng)用，避免了7支路方案的不足，使得機(jī)組的技術(shù)參數(shù)更加合理、穩(wěn)定性提高，有利于現(xiàn)場施工安裝質(zhì)量的提高和檢修。4支路繞組的研究成果不僅可以應(yīng)用于428.6r/min抽水蓄能電機(jī)，而且可以用于多種轉(zhuǎn)速抽水蓄能電機(jī)以及常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)。技術(shù)發(fā)展以及未來市場開發(fā)來說，具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電電動機(jī)；4支路；抽蓄電站；應(yīng)用

0 概述

黑龍江荒溝抽水蓄能電站裝機(jī)容量1200MW，4臺機(jī)，單機(jī)容量為300MW。年平均發(fā)電量為18.36×108kW·h，年發(fā)電利用小時數(shù)為1530h；年抽水用電量為24.09×108kW·h，年抽水利用小時數(shù)為2008h。電站開發(fā)的主要任務(wù)是：承擔(dān)黑龍江省電網(wǎng)和東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和緊急事故備用任務(wù)，同時為系統(tǒng)承擔(dān)調(diào)相和黑啟動任務(wù)。電站接入電力系統(tǒng)方式為：出線電壓500kV，出線二回，“π”接至方正變至林海變（牡丹江變）的500kV線路上。荒溝抽水蓄能電站距離方正變約80km，距離林海變（牡丹江變）約116km。電站建成后，電站500kV母線穿越功率為3000MW（含本電站容量）。

電站樞紐由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面副廠房、地面開關(guān)站和下水庫（利用已建蓮花水庫）等主要建筑物組成。

1 具體問題描述

1.1 問題提出的背景

當(dāng)前，國內(nèi)抽水蓄能電站面臨大發(fā)展態(tài)勢，基建項目大幅增加，投產(chǎn)機(jī)組容量不斷攀升，為電網(wǎng)安全，優(yōu)化資源配置作出了新的貢獻(xiàn)。對于某些抽水蓄能電站機(jī)組轉(zhuǎn)速，如428.6r/min、272.7 r/min和230.8 r/min等的電機(jī)，當(dāng)容量上升到一定等級時，就會出現(xiàn)容量、電壓和轉(zhuǎn)速不匹配的矛盾，使槽電流及電氣參數(shù)不合理，高壓設(shè)備選擇困難，電站系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不高。傳統(tǒng)的解決方法是要么放棄這種水輪機(jī)性能優(yōu)越的轉(zhuǎn)速而選擇其他轉(zhuǎn)速，要么接受電機(jī)不盡合理的運(yùn)行性能。因此，限制了水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的使用范圍，使水輪機(jī)不得不放棄水力性能優(yōu)越的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)荒溝電機(jī)的容量，其標(biāo)配電壓是18kV，由于上述矛盾，采用7支路時選擇15.75kV是不得已的選擇，而且使定子槽距小到了極限，給制造安裝帶來一定的困難外，且電機(jī)的性能不是很合理。其主要原因是對于轉(zhuǎn)速為428.6r/min的電機(jī)，根據(jù)傳統(tǒng)繞組理論，只能構(gòu)成1、2或7支路繞組而不存在3支路或4支路繞組。

想解決這一矛盾，需要新的定子繞組連接方式，為此4支路繞組應(yīng)運(yùn)而生，它的優(yōu)點(diǎn)是槽電流適中，參數(shù)合理，短路電流適中，鐵心長度適中，主保護(hù)方案簡單占地面積小，電站系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。

1.2 發(fā)電電動機(jī)定子繞組采用4支路的原因

針對荒溝抽水蓄能電站機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為428.6r/min、發(fā)電電動機(jī)磁極數(shù)為14級的實(shí)際情況，牡丹江公司沒有立足于以往該類型的機(jī)組均采用7支路技術(shù)方案，而是主動聯(lián)系設(shè)計單位和國內(nèi)主機(jī)生產(chǎn)廠家，采取現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研、問卷調(diào)查等方式尋求一種好的技術(shù)方案。

新源公司高度重視荒溝項目發(fā)電電動機(jī)選型工作，專門組織了技術(shù)方案評審會，討論荒溝項目機(jī)組選型。牡丹江公司多次組織專家論證，廣泛征求各方意見，在新源公司的大力支持下，經(jīng)過各種方案的比選，最終確定荒溝項目機(jī)組采用4支路方案。

1.3 7支路與4支路方案比選

從各國內(nèi)主機(jī)設(shè)備制造廠商為本工程設(shè)計的發(fā)電電動機(jī)定子繞組7支路和4支路技術(shù)方案的對比分析可見，無論是在個別電磁參數(shù)的匹配上還是定子內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，4支路方案均優(yōu)于7支路。具體比較如下：

1）Xd”

超瞬態(tài)電抗Xd”值的大小直接關(guān)系到電站各電壓回路短路電流的大小，并可能影響到設(shè)備選擇，尤其是對發(fā)電機(jī)電壓回路設(shè)備關(guān)系密切。從各廠商為本工程提供Xd”的范圍不難看出，7支路方案較小約在0.16～0.17之間，4支路方案約在0.2左右。如若刻意提高7支路方案的Xd”值，則需要在原方案的基礎(chǔ)上，通過增加定子槽數(shù)等多項措施來實(shí)現(xiàn)，勢必造成電機(jī)設(shè)計更不合理，制造成本增加更多。

2）定子槽數(shù)

7支路方案的定子槽數(shù)遠(yuǎn)多于4支路方案，相比約多出33%到75%之間不等。可見，7支路方案的槽利用率較低，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

3）定子鐵心長度

7支路方案的定子鐵心長度均長于4支路方案，相比約長出6%到16%之間不等?？梢姡?支路方案的定子鐵心利用率較低，同時也不利于通風(fēng)散熱。

4）內(nèi)部接線及布置

由于7支路方案的支路數(shù)和槽數(shù)比4支路方案多，導(dǎo)致定子線棒、匯流環(huán)銅環(huán)連接線數(shù)量亦多，占用定子端部空間較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，端部溫升較高，對端部絕緣和端部電暈影響較大，降低了可靠性，不利于機(jī)組長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

5）中性點(diǎn)外部接線及布置

由于7支路方案的中性點(diǎn)引出線數(shù)量比4支路方案多，使得中性點(diǎn)外部接線、導(dǎo)體布置、電流互感器及繼電保護(hù)配置等均較4支路方案復(fù)雜，不利于機(jī)組的安裝、檢修和運(yùn)行維護(hù)

經(jīng)上述技術(shù)分析后，從經(jīng)濟(jì)方面看，由于7支路方案定子槽數(shù)多、線棒多、鐵心長，有效材料利用率自然低，重量必然高。4支路方案的有效材料利用率和單臺發(fā)電電動機(jī)的重量降低，經(jīng)濟(jì)效益比較可觀。

通過7支路與4支路方案的比較，可以看出4支路方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）槽電流合理，電磁參數(shù)較好， 電機(jī)材料利用率提高；

（2）定子鐵芯長度縮短，結(jié)構(gòu)更為合理；

（3）直軸超瞬變電抗 Xd” 提高， 使得短路電流減??；

（4）線棒數(shù)量少， 高寬比合理， 齒距大， 工藝性好；

（5）定子中性點(diǎn)引 出線及主引 出線等接線簡單， 主保護(hù)方案及CT 配置簡單。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)組的穩(wěn)定性提高、有利于現(xiàn)場施工安裝質(zhì)量的提高和檢修、維護(hù)方便。

荒溝項目發(fā)電電動機(jī)定子繞組采用4支路對稱繞組型式。這是國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組首次采用該型式，該應(yīng)用案例在世界范圍內(nèi)也很少見。技術(shù)國產(chǎn)化的應(yīng)用、制造工藝水平的提升以及廠家對4支路方案的不斷深化研究，4支路方案在技術(shù)上已經(jīng)成熟，達(dá)到可以推廣應(yīng)用的條件，必將為后續(xù)類似項目機(jī)組的選型提供新的解決方案，促進(jìn)國內(nèi)抽蓄事業(yè)的發(fā)展。

2 具體實(shí)施思路和做法

強(qiáng)化本質(zhì)安全，抽水蓄能電站電站建設(shè)的核心在機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，牡丹江公司始終以提升本質(zhì)安全為目標(biāo)，提前預(yù)判，提前布局，提前行動，這“三個提前”，大大增加了電站的本質(zhì)安全水平，為后續(xù)工作奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

發(fā)電發(fā)動機(jī)，是抽水蓄能電站的核心，其安全性能事關(guān)重大?；臏想娬静捎?支路技術(shù)，這在國內(nèi)尚屬首次。此項技術(shù)的應(yīng)用有利于控制成本，減少風(fēng)險點(diǎn)，但是，新技術(shù)的應(yīng)用有難度、有機(jī)遇，不確定因素多。“設(shè)備健康”是牡丹江公司建設(shè)本質(zhì)安全型企業(yè)的重要一環(huán)，既敢于“吃螃蟹”，又要保證吃的過程“零風(fēng)險”，這是牡丹江公司堅定不移的追求。

荒溝抽水蓄能電站4臺單機(jī)容量為30萬千瓦的機(jī)組，沒有采用傳統(tǒng)的定子繞組7支路技術(shù)，而是采用了4支路技術(shù)，這在國內(nèi)尚屬首次。牡丹江公司從源頭控制，筑起一道道安全關(guān)口。他們從招標(biāo)開始，就對機(jī)組的安全指標(biāo)提出了很高的要求，以國家能源局、國網(wǎng)公司和新源公司的反措為抓手，吸取近年來典型事故經(jīng)驗教訓(xùn)，要求制造廠在設(shè)計制造階段嚴(yán)格落實(shí)反措實(shí)施方案，同時要求每次聯(lián)絡(luò)會均需對反措實(shí)施情況進(jìn)行專題討論，及時更新反措文件，動態(tài)調(diào)整反措實(shí)施條款，狠抓過程管理，強(qiáng)化水電設(shè)備、設(shè)施的全壽命管理，切實(shí)保證設(shè)備制造質(zhì)量，保證機(jī)組本質(zhì)安全落實(shí)到實(shí)處。這是第一次在機(jī)組設(shè)計制造階段系統(tǒng)地落實(shí)反措要求，必將扭轉(zhuǎn)運(yùn)行階段不斷整改的被動局面。

關(guān)口前移的好處顯而易見。目前，它已對荒溝電站建設(shè)項目所有子項實(shí)現(xiàn)全覆蓋，它的效能將隨著時間的流逝日益顯現(xiàn)，荒溝電站建成后必將成為成功的典范。

3 效果及展望

荒溝抽水蓄能電站機(jī)組由7支路改為4支路后，避免了7支路方案的不足，使得機(jī)組的技術(shù)參數(shù)更加合理、穩(wěn)定性提高，有利于現(xiàn)場施工安裝質(zhì)量的提高和檢修、維護(hù)方便降低了造價。除此之外，更重要的是4支路繞組的研究成果不僅可以應(yīng)用于428.6r/min抽水蓄能電機(jī)，而且可以用于多種轉(zhuǎn)速抽水蓄能電機(jī)以及常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)。技術(shù)發(fā)展以及未來市場開發(fā)來說，具有重要意義。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]