劉新天，喬照威

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)，距繁昌縣城約25 km，距蕪湖市約45 km。安裝4臺250 MW可逆式水泵水輪發(fā)電機組。為保證響水澗發(fā)電電動機各項性能指標，本文主要從電磁方案的選型和主要性能的分析計算出發(fā)，對該發(fā)電電動機的參數(shù)選擇的合理性和主要電磁性能指標進行分析。

1 方案選擇與主要電磁參數(shù)

1.1 額定值

響水澗發(fā)電電動機需按以下基本參數(shù)進行方案選型計算。

發(fā)電工況額定容量/功率：277.8 MVA/250 MW

電動工況額定功率(軸輸出)：277.15 MW

發(fā)電工況額定功率因數(shù)：0.9(滯后)

電動工況額定功率因數(shù)：0.98(吸收有功，發(fā)送感性無功)

額定電壓：15.75 kV

額定頻率：50 Hz

相數(shù)：3

額定轉(zhuǎn)速：250 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：375 r/min

GD2：14 000 t·m2

1.2 方案選擇

1.2.1 主要尺寸確定

電機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時應考慮下列問題[1-4]：

(1) 電負荷和磁負荷應在合理的取值范圍內(nèi)，并使Xd′、Xd″等參數(shù)滿足要求；

(2) 選擇的主要尺寸應使轉(zhuǎn)子磁軛在正常的寬度和允許應力下，自然滿足所要求的GD2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滿足運輸條件的要求；

(4) 滿足電機本身通風冷卻的要求；

(5) 機組總體結(jié)構(gòu)布置合理。

鐵心內(nèi)徑和長度與額定容量及額定轉(zhuǎn)速有下述關(guān)系：

式中：SN為額定容量，kVA；Di為鐵心內(nèi)徑，m；lt為鐵心長度，m；nN為額定轉(zhuǎn)速，r/min；C為利用系數(shù)，kVA·m3·r/min；K為常數(shù)，K=1.35×10-6；A為定子電負荷，A/cm；Bδ為氣隙磁密，T。

綜合考慮，響水澗發(fā)電電動機的定子鐵心內(nèi)徑為7 500 mm，鐵心長度為2 350 mm。

1.2.2 支路數(shù)與槽電流

對于24個磁極的發(fā)電電動機，為滿足繞組完全對稱的條件，可選的支路數(shù)包括1、2、3、4、6、8、12、24，發(fā)電電動機額定功率為250 MW，額定電壓為15.75 kV，對應不同支路數(shù)時的支路電流與槽電流見表1。

表1 不同支路數(shù)對應的支路電流與槽電流

對于250 MW的發(fā)電電動機，槽電流最好控制在4 000～6 000 A左右，因此，最優(yōu)的支路數(shù)為4，此時槽電流為5 091 A。

1.2.3 電負荷與定子槽數(shù)的選擇

電負荷A是發(fā)電電動機的主要技術(shù)、經(jīng)濟參數(shù)之一，它對電機的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。為控制電機的主要尺寸，必須盡量提高電機的利用系數(shù)，其表達式為：

C=K·A·Bδ(kVA·m3·r/min)

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。在定子鐵心內(nèi)徑確定的前提下，選擇不同的槽數(shù)可決定不同的A值， 電機定子槽數(shù)與電負荷的對

應關(guān)系見表2。

表2 定子槽數(shù)與電負荷對應關(guān)系

對于250 MW等級的發(fā)電電動機，電負荷一般選取在700～800 A/cm左右，可以獲得合理的利用系數(shù)。另外，從控制熱負荷、運行穩(wěn)定域?qū)捒紤]，選擇360槽方案是比較適宜的。

1.3 主要電磁參數(shù)

發(fā)電電動機主要電磁設計參數(shù)見表3。

表3 主要電磁設計參數(shù)

2 主要性能指標

2.1 電壓波形畸變系數(shù)分析計算

應用運動網(wǎng)格時變電磁場有限元對響水澗發(fā)電機的空載線電壓全諧波進行計算，結(jié)果如下。

空載線電壓全諧波因數(shù)：0.993%。

空載磁場分布如圖1所示。

圖1 空載磁場分布

2.2 阻尼繞組穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性分析計算

應用專用軟件程序?qū)懰疂景l(fā)電電動機的阻尼系統(tǒng)進行全面分析計算。分析計算表明，對應額定容量長期不對稱負荷運行工況，當負序電流的標么值為9%時，阻尼繞組的最高溫升和溫度值分別為47.2 K和100.2 ℃。

在長期不對稱負荷和突然不對稱短路工況下，響水澗發(fā)電電動機的阻尼繞組溫升計算值在運行實踐和經(jīng)驗范圍內(nèi)，并具有一定的裕度，滿足安全可靠運行要求。

2.3 定子線棒特殊換位分析計算

通常發(fā)電電動機有3種換位方式：360°換位、不完全換位和空換位。為使定子繞組中環(huán)流引起的熱損耗和發(fā)熱量最小，以減小股線在槽部漏磁場中不同位置產(chǎn)生環(huán)流引起的附加損耗和股線間溫差，應用電磁場有限元程序?qū)Σ煌膿Q位方式進行分析，計算集膚效應和電流密度的變化。結(jié)果表明，定子線棒采用的最佳換位方式為313.33°不完全換位。

2.4 發(fā)電機誤同期并網(wǎng)分析計算

應用仿真軟件程序?qū)Πl(fā)電電動機120°誤同期并網(wǎng)時的U.V.W三相電流及電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)過程進行全面分析，計算發(fā)電電動機和水輪機機械系統(tǒng)及飽和的影響，以求計算結(jié)果更準確。計算結(jié)果見表4及圖2。

表4 誤同期并網(wǎng)計算結(jié)果

圖2 誤同期最大力矩隨時間變化曲線(橫坐標為時間t/s，縱坐標為力矩標幺值Te/p.u.)

2.5 定子繞組端部電動力分析計算

發(fā)電電動機發(fā)生短路故障工況時，定子電流激增，定子繞組端部受到電動沖擊力，嚴重時致使繞組變形，對絕緣產(chǎn)生破壞[5]。應用計算軟件對6種工況的定子繞組端部電動力進行分析計算，詳見表5。從表5可知，120°誤同期工況定子繞組端部承受的電動力最大。端部固定結(jié)構(gòu)據(jù)此進行設計和核算，以滿足機組安全可靠穩(wěn)定運行要求。

表5 定子繞組端部電動力計算結(jié)果 單位：N

2.6 短路電流分析計算

應用專用計算軟件對發(fā)電電動機突然短路電流進行計算，同時考慮參數(shù)飽和的影響。額定容量對應短路電流各分量在不同時刻的計算值見表6及圖3。

表6 額定容量對應短路電流分量計算值 單位：kA

2.7 靜止變頻器(SFC)起動仿真計算

應用專用計算軟件對發(fā)電電動機進行靜止變頻器(SFC)起動仿真計算，發(fā)電電動機勵磁電流為1.0(p.u.)，勵磁控制方式為恒勵磁電流調(diào)節(jié)方式。起動過程為壓水起動，計算中考慮了各種損耗對電機產(chǎn)生的阻力矩，包括水輪機的水導軸承損耗、推力軸承損耗、主軸密封損耗、轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)的損耗、發(fā)電機的上導軸承損耗、下導軸承損耗、推力軸承損耗、通風損耗、鐵心損耗、定轉(zhuǎn)子繞組銅耗及雜散損耗等等[6]。另外，靜止變頻器的容量為18 MW。計算結(jié)果，電機的加速時間為210 s左右，即機組從靜止狀態(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速的時間(不包括同步并網(wǎng)的時間)見圖4。

圖3 三相突然短路電流隨時間變化曲線(橫坐標為時間t/s，縱坐標為電流標幺值Ia/p.u.)

圖4 轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線(橫坐標為時間t/s，縱坐標為轉(zhuǎn)速標幺值n/p.u.)

2.8 背靠背起動仿真計算

應用專用計算軟件對發(fā)電電動機進行背靠背起動仿真計算，發(fā)電機和電動機勵磁電流分別給定1.0(p.u.)，勵磁控制方式為恒勵磁電流調(diào)節(jié)方式。所分析的起動過程為壓水起動，計算中考慮了各種損耗對電機產(chǎn)生的阻力矩，包括發(fā)電機的上導軸承、下導軸承、水導軸承及推力軸承的損耗等等[7]。另外，起動過程中水輪機的輸入轉(zhuǎn)矩給定22%Tn。電機的加速時間為104 s左右，即機組從靜止狀態(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速的時間(不包括同步并網(wǎng)的時間)見圖5。

3 結(jié)論

通過發(fā)電電動機的容量、電壓、支路數(shù)及槽電流等參數(shù)的合理選擇和匹配，表明響水澗發(fā)電電動機的計算結(jié)果完全在設計制造運行經(jīng)驗范圍內(nèi)。通過對電機相關(guān)電氣特性進行全面的分析和計算，響水澗發(fā)電電動機能夠真正實現(xiàn)技術(shù)一流、運行安全可靠、穩(wěn)定域?qū)?、功率裕度大、易于調(diào)節(jié)、維護檢修和操作的綜合目標。目前4臺均已發(fā)電，運行良好。

圖5 轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線(橫坐標為時間t/s，縱坐標為轉(zhuǎn)速標幺值n/p.u.)