林雪成

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站350 MW發(fā)電電動機(jī)選型分析

林雪成

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

介紹了鎮(zhèn)安抽水蓄能電站的機(jī)組數(shù)據(jù)，指出根據(jù)電站水利方面的基本參數(shù)，水泵水輪機(jī)推薦的機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為375 r/min。對鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)進(jìn)行了基本參數(shù)的選型分析，從而論證鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)的可行性和設(shè)計(jì)制造難度，以便為下一階段機(jī)組的施工設(shè)計(jì)做好技術(shù)準(zhǔn)備。

發(fā)電電動機(jī)；電壓；功率因數(shù)；電負(fù)荷；支路數(shù)；槽電流

0 引言

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于陜西商洛市鎮(zhèn)安縣月河鄉(xiāng)東陽村。

電站裝設(shè)4臺單機(jī)容量為350 MW的單級立軸單轉(zhuǎn)速混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動機(jī)組，總裝機(jī)容量1 400 MW，額定水頭446 m，具備日調(diào)節(jié)性能。電站建成后將主要承擔(dān)陜西電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、緊急事故備用和調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動任務(wù)。

1 電站的基本數(shù)據(jù)

鎮(zhèn)安水泵水輪機(jī)——發(fā)電電動機(jī)組基本數(shù)據(jù)如下：

發(fā)電工況機(jī)組出力 350 MW

電動工況水泵入力 383 MW

最大水頭 482 m

額定水頭 452 m

最小水頭 422 m

水輪機(jī)額定出力 356 MW

額定轉(zhuǎn)速 375 r/min

最大飛逸轉(zhuǎn)速 563 r/min

額定頻率 50 Hz

機(jī)坑直徑 7.4/5 m

2 發(fā)電電動機(jī)基本參數(shù)的選擇

2.1 主要尺寸

電機(jī)的主要尺寸是指定子鐵心內(nèi)徑Di(或極距τ)及鐵心長度lt。選擇和確定Di和lt時應(yīng)考慮下列問題：

1) 電負(fù)荷和磁負(fù)荷應(yīng)在合理的取值范圍內(nèi)，并使Xd'等參數(shù)滿足要求；

2) 選擇的主要尺寸應(yīng)使轉(zhuǎn)子磁軛在正常的寬度和允許應(yīng)力下，自然滿足所要求的轉(zhuǎn)動慣量值；

3) 由主要尺寸所決定的定子和轉(zhuǎn)子等大部件的尺寸應(yīng)滿足運(yùn)輸條件的要求；

4) 滿足電機(jī)本身通風(fēng)冷卻的要求；

5) 機(jī)組總體結(jié)構(gòu)布置合理。

對于全空冷、大容量水輪發(fā)電機(jī)/發(fā)電電動機(jī)，其利用系數(shù)C一般為9～10左右。為保證電機(jī)在飛逸轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)部件有足夠的強(qiáng)度(控制磁軛/磁極計(jì)算應(yīng)力不大于材料屈服點(diǎn)的2/3)，必須把電機(jī)的轉(zhuǎn)子在飛逸轉(zhuǎn)速下圓周速度控制在一定范圍以內(nèi)，以轉(zhuǎn)子磁軛應(yīng)力為指標(biāo)來確定定子內(nèi)徑。

2.2 功率因數(shù)

功率因數(shù)的選擇須考慮電站的實(shí)際需要及電機(jī)設(shè)計(jì)制造的難度。目前國內(nèi)外大容量發(fā)電電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)一般都在0.9(發(fā)電工況)以上。在電機(jī)出力一定的情況下，功率因數(shù)越小則電機(jī)的容量越大。較低的功率因數(shù)將進(jìn)一步提高電機(jī)設(shè)計(jì)和制造難度。參考國內(nèi)、外已有大容量發(fā)電電動機(jī)的功率因數(shù)值，對于350 MW級的鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)而言，建議功率因數(shù)不能低于0.9(發(fā)電工況)和0.97(電動工況)。

2.3 額定電壓、支路數(shù)與槽電流

發(fā)電機(jī)的額定電壓是一個綜合性參數(shù)。它的選取應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對發(fā)電機(jī)斷路器遮斷容量、母線、變壓器低壓線圈，近區(qū)負(fù)荷的供電電壓及其輸配電設(shè)備的投資運(yùn)行費(fèi)用等因素的影響。國內(nèi)、外制造的大型發(fā)電電動機(jī)的額定電壓一般為13.8～18 kV之間。

對于額定轉(zhuǎn)速為375 r/min的發(fā)電電動機(jī)而言，從繞組對稱角度來講，可選擇的支路數(shù)分別為1、2、4、8。最終的支路數(shù)選擇還要綜合考慮電壓、槽電流等參數(shù)的合理匹配。

影響電機(jī)經(jīng)濟(jì)性的另一個因素是合理的槽電流。槽電流與發(fā)電機(jī)的容量、轉(zhuǎn)速、電壓、并聯(lián)支路數(shù)、繞組型式及冷卻方式等有關(guān)。槽電流太小，則發(fā)電機(jī)有效材料的利用較差、不經(jīng)濟(jì)；槽電流太大，將導(dǎo)致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，在工藝上由于線圈表面增大，使制造較復(fù)雜。當(dāng)發(fā)電電動機(jī)的轉(zhuǎn)速確定后，發(fā)電電動機(jī)可以選擇的支路數(shù)是有限的。必須對電壓與支路數(shù)作合理的選配，才能獲得經(jīng)濟(jì)合理的電機(jī)。從控制熱負(fù)荷并留有一定裕量考慮，大型空冷發(fā)電電動機(jī)的槽電流取值范圍為5 500～6 500 A左右。針對350 MW的鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)而言，分別配以13.8，15.75，18 kV電壓，以發(fā)電工況為例，選擇不同的支路數(shù)，其槽電流大小如表1、表2、表3所示：

表1 不同的支路數(shù)和槽電流(UN=13.8 kV)

表2 不同的支路數(shù)和槽電流(UN=15.75 kV)

表3 不同的支路數(shù)和槽電流(UN=18 kV)

根據(jù)表1～3可以看出，選擇額定電壓為18 kV、4支路方案時，槽電流為6 237 A，為最優(yōu)選擇。這僅僅是從槽電流的角度來看，具體方案還要考慮槽數(shù)的選擇、電負(fù)荷是否合適等因素，尤其要看與轉(zhuǎn)速的匹配情況。

2.4 電負(fù)荷

電負(fù)荷A是水輪發(fā)電機(jī)/發(fā)電電動機(jī)的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)之一。它對電機(jī)的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。為控制電機(jī)的主要尺寸，必須盡量提高電機(jī)的利用系數(shù)。A值的大小決定了定子內(nèi)圓單位表面積所產(chǎn)生的繞組銅損的大小，因而直接影響溫升和效率的高低。A的取值與每極容量、絕緣等級以及冷卻方式有關(guān)。隨著冷卻技術(shù)的進(jìn)步和絕緣材料性能的提高，A值較以往有較大提高。大容量發(fā)電電動機(jī)采用空冷方案時的利用系數(shù)一般為9～10左右，為獲得這樣的利用系數(shù)，鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)的電負(fù)荷A值應(yīng)為800～850 A/cm左右是合理的。若進(jìn)一步提高電負(fù)荷，需對轉(zhuǎn)子繞組的冷卻進(jìn)行特殊考慮。

2.5 定子電流密度

定子繞組電流密度的合理選擇直接影響定子銅線和定子沖片的重量，即直接影響到電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時將決定繞組溫升和效率。隨著冷卻方式的不同，定子電流密度選擇范圍也是不同的。對于大型空冷發(fā)電電動機(jī)而言，電流密度為2.5～3.5 A/mm2，具體數(shù)值還要與電負(fù)荷相匹配，以使發(fā)電電動機(jī)的熱負(fù)荷在一個合理的范圍內(nèi)，避免電機(jī)運(yùn)行時溫升過高。

2.6 熱負(fù)荷

熱負(fù)荷是有效控制定子繞組溫升及確定發(fā)電機(jī)冷卻方式的重要參數(shù)。較高的熱負(fù)荷將導(dǎo)致槽絕緣內(nèi)溫差增大，線圈溫升增高。

對于大型空冷發(fā)電電動機(jī)而言，熱負(fù)荷宜在2 700 A2/cm·mm2以內(nèi)。

2.7 方案

鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)初步方案見表4。

表4 鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)方案

(續(xù)表)

2.8 鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)的難度分析

鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和每極容量難度對比，見表5。

表5 大容量發(fā)電電動機(jī)機(jī)械強(qiáng)度難度和每極容量對比表

3 結(jié)語

根據(jù)電站的基本資料信息，水泵水輪機(jī)選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)速為375 r/min。根據(jù)該轉(zhuǎn)速，發(fā)電電動機(jī)亦能夠選擇非常理想的方案。從機(jī)械強(qiáng)度和每極容量難度對比可以看出，鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)的設(shè)計(jì)制造難度居中，機(jī)械強(qiáng)度難度低于寶泉、清遠(yuǎn)和仙居發(fā)電電動機(jī)，每極容量難度低于寶泉和仙居發(fā)電電動機(jī)。由此可以看出，鎮(zhèn)安發(fā)電電動機(jī)的設(shè)計(jì)方案完全在國內(nèi)發(fā)電設(shè)備制造廠家的經(jīng)驗(yàn)范圍之內(nèi)，該方案是可行的。

林雪成：男，1976年10月生，高級工程師，1999年7月畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，長期從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作。