300Mvar級大型同步調相機工程特性探析

劉貴龍 李育敏 朱 瀅 林 遠 郁丹炯 吳 劍

(浙江省輻射環境監測站/浙江省輻射環境安全監測重點實驗室，杭州 310000)

0 引言

世界同步調相機研制始于20世紀初葉。在美國，1913—1931年，先后研制和投運了15 MVA(1913年)、30 MVA(1919年)、40 MVA(1923年)、50 MVA(1926年)和75 MVA(1931年)空冷調相機。1926年，美國GE公司研制成功世界首臺氫外冷發電機(50 MW，25 Hz，1500 r/min)，并作調相機運行。1928年，西屋公司研制成首臺工業用氫外冷調相機，(15 MVA，900 r/min)。1930年，美國研制成功多臺氫冷調相機，其最大容量為40 MVA(1937年)。二戰期間，調相機發展停滯。

二戰結束后，世界電力工業恢復發展，同步調相機發展重新起步。1940年后期至1950年，美國、英國、法國等研制成功一批37.5～80 MVA的同步調相機。1960年，研制成功60 MVA級至150 MVA級同步調相機。1970—1980年上半葉是同步調相機技術迅速發展的時期，先后研制成功345 MVA全水冷同步調相機(ASEA，1971年)以及160 MVA、250 MVA、320 MVA氫冷同步調相機。在中國，1950—1970年先后研制成功15 MVA、30 MVA空冷調相機及60 MVA氫冷調相機，試制成功120 MVA、250 MVA同步調相機。

近年來，同步調相機又重新引起重視，除中國國家電網裝設一大批300 MVA級同步調相機外，國外也在發展大型同步調相機，例如意大利Sardinia超高壓/高壓電網裝設了2臺250 MVA空冷同步調相機。意大利Sardinia的超高壓/高壓電網是意大利國家電網的一部分，歸Terna所有和運營。意大利電網中安裝的舊的調相機大部分采用氫水冷卻，這種方法雖然很普遍，尤其是非常大的發電機，但也有一些缺點，如維護停機頻繁，且有火險和爆炸風險。因此，為了更經得起考驗并獲得廉價和可靠的技術，意大利在2014年將2臺250 MVA空冷同步調相機安裝在Codrongianos變電站內。

在我國特高壓建設中，江蘇電網投運的第一個同步調相機工程是泰州2×300兆乏同步調相機工程。作為華東電網應用同步調相機站點之一，在泰州換流站裝設同步調相機有利于為電網的無功電壓調節提供有效的技術手段，為高比例直流受電的局部電網提供動態無功支撐，減小交流電網故障時直流換相失敗的范圍和概率，有利于電網安全穩定運行。調相機由定子、轉子及勵磁系統組成。電力系統的能源供給者有發電機和調相機。調相機是吸收系統少量的有功功率來供給本身的能量損耗，向系統發出無功功率或吸收無功功率。調相機不需要原動機，但必須和電網并列運行，而不能單獨運行。

泰州2×300兆乏同步調相機工程位于江蘇省泰州興化市。調相機站緊鄰±800 kV換流站西南側布置，調相機外形圖見圖1。建設規模：①調相機：三相、隱極機、自并勵靜止勵磁同步調相機，建設2×300 Mvar同步調相機；冷卻方式采用空冷和雙水內冷；單機額定容量為300 Mvar，單機容量調節范圍為-150 Mvar～300 Mvar。額定頻率為50 Hz；頻率范圍為45～55 Hz(長期)、40～60 Hz(短時擾動)。調相機采用2臺調相機同軸布置，共用轉子檢修空間。②500 kV主變壓器：建設2臺容量均為360 MVA主變壓器，采用常州東芝變壓器有限公司生產的三相一體變壓器，500 kV/20 kV主變，升壓接至換流站交流500 kV母線。單元接線至換流站交流500 kV母線，調相機出口不設置斷路器。③調相機內冷系統：兼容雙水內冷方式(定子繞組、轉子繞組水冷，定子鐵芯空冷)和全空氣冷卻方式。外部冷卻系統采用開式循環水冷卻系統。④供水系統：調相機站用水取自換流站內供水主管道，按最大用水量設計供水系統，不限制調相機運行方式。水池備用按3天考慮。⑤站內水處理系統：除鹽水制備系統采用“活性炭過濾+兩級反滲透+脫氣膜+電除鹽”工藝。并配置相應的膜處理加藥設施。⑥站內排水系統：調相機站內采用有組織分流制排水體制，即雨水及循環水排水系統、生活污水排水系統和事故排油系統。⑦工業水池：建設工業水池一座，工業水補充水源引接自調相機站的水源。工業水池要求儲存滿足3天的冷卻水補充水量。

圖1 單個同步調相機外形圖

1 主要環境影響特征

同步調相機是一種特殊運行狀態下的同步電機，能在勵磁系統作用下自動地在電網電壓降低時增加輸出無功以維持電壓，平滑地改變無功功率的大小和方向；對于特高壓直流輸電系統來說，調相機可以在直流系統發生嚴重電壓跌落故障時短時內提供大量無功，為系統提供緊急無功電壓支撐，有助于直流功率和系統電壓迅速恢復，防止電壓崩潰。同步調相機工程是電網建設采用的新技術，目前均與特高壓換流站緊鄰建設。

同步調相機工程對環境的影響主要有：電氣設備、主變壓器及冷卻裝置運行產生的工頻電場、工頻磁場、噪聲，工作人員生活產生的生活污水、固體廢物對周圍環境的影響，同步調相機工程產生的冷卻塔循環排水及反滲透濃水排放對周圍水環境的影響。

(1)工頻電場、工頻磁場

站內的工頻電場、工頻磁場主要產生于配電裝置的母線下及電氣設備附近。站內各種帶電電氣設備包括變壓器、斷路器、電流互感器、勵磁控制系統等對周圍環境產生一定的工頻電場、工頻磁場。

(2)噪聲

工程的設備聲源主要來自工程調相機廠房、主變壓器、水泵房、機力通風冷卻塔通風及淋水噪聲等。

(3)廢污水

調相機站運行工作人員產生的生活污水，調相機站除鹽系統產生的除鹽水(清下水)及循環水系統排水(清下水)，清洗除鹽系統中膜處理系統化學清洗及超濾加強反洗水，主變壓器等發生事故時產生的變壓器油。

(4)固體廢物

工程巡檢人員日常活動產生少量生活垃圾，工程運行過程中會產生廢舊蓄電池，除鹽系統DTRO膜更換產生的碟管式膜片膜柱，主變發生事故時排出的廢變壓器油。

2 工程環境影響監測與調查

2.1 工程環境影響監測

本次現場監測選取了工頻電場、工頻磁場、噪聲為監測項目。監測儀器及相應的技術參數見表1，監測布點見表2，監測期間設備運行工況見表3。

表1 監測儀器及相應技術參數

表2 監測布點

表3 運行工況

監測天氣條件選擇晴天良好天氣測量，避免大風、雨、雪、冰雹等天氣的影響。監測結果見表4、表5。

表4 工頻電場強度、磁感應強度測量結果

表5 噪聲監測結果

由表4及表5可見，調相機站四周圍墻外的工頻電場、工頻磁場、噪聲均小于相應標準限值要求。

2.2 工程環境影響調查

(1)水環境影響調查

調相機站區雨水經設置在道路邊場地上的雨水口收集后，通過地下排水管道排至換流站雨水管網系統。其他水環境影響分析如下：

①調相機站除鹽系統產生的除鹽水及循環水系統排水

為滿足循環水的使用要求，調相機站內設置了一套除鹽系統，自來水先經除鹽系統除鹽后，再循環使用。除鹽水制備系統采用“活性炭過濾+兩級反滲透+脫氣膜+電除鹽”工藝，并配置相應的膜處理加藥設施。

根據調相機每周補充水量，水處理設備容量按1周內產生80 m3除鹽水設計，設置1套出力為1 m3/h的除鹽水處理裝置，并設1臺100 m3的除鹽水箱用于儲存調相機轉子、定子系統冷卻水補水。除鹽系統產生的除鹽水量約為12.0 m3/d，該部分排水屬于清下水，隨循環水排污水一起排放。

循環水系統排水：調相機冷卻系統采用帶機械通風冷卻塔的循環供水系統。生產、消防、生活系統水源從泰州換流站主體工程引接。循環水系統擬采用母管制供水系統，其流程為：補給水→冷卻塔集水池→循環水回水管→循環水泵房→循環水供水壓力管→調相機冷卻換熱系統→循環水排水壓力管→冷卻塔→冷卻塔集水池。外部冷卻系統采用機械通風冷卻塔冷卻，開式循環，由于蒸發水損失、風吹水損失及排污水損失，單臺機組補水量約10.95 m3/h(循環水量620 m3/h)。本階段調相機按照上海電機廠滿出力單臺冷卻水量為620 m3/h，總冷卻水量為1261.9 m3/h，補給水量21.9 m3/h。本項目采用開式機力塔二次循環水冷卻系統，輔機循環水補水采用自來水。循環水濃縮倍率均按3.0進行設計。

調相機站的除鹽系統產生的除鹽水(清下水)及循環水系統的排水(清下水)總排水量約為141.6 m3/d，其中除鹽系統產生的除鹽水量為12.0 m3/d，循環水系統的排水量為129.6 m3/d。調相機站的循環系統產生的排水、除鹽水制備系統產生的反滲透濃水均為清下水，排至站內雨水收集池，通過雨水管網排入泰州換流站雨水排放系統。由于循環冷卻水排水為“清凈下水”，不屬于污水，排至站外溝渠后，經自然水體的稀釋，不會對附近地表水環境產生不良影響。

②除鹽水處理裝置膜處理系統化學清洗廢水、超濾加強反洗水

廢水的種類主要包括除鹽水處理加強反洗廢水、膜清洗、沖洗廢水，主要為COD、pH值超標，一般一年清洗2次。調相機站內設有2個5 m3廢水貯存池，一個為化學清洗廢水箱，一個為中和廢水箱。布置于除鹽水處理車間北面室外部分，兩臺廢水泵布置于除鹽水處理設備上，與除鹽水處理設備成套布置。膜處理系統化學清洗廢水排至化學清洗廢水箱，超濾加強反洗水排放至中和廢水箱，定期外運處理。

③生活污水

調相機站新建工程產生的生活污水主要來源于值班人員間斷產生的生活污水。調相機站與泰州換流站運行人員一致，運維班采用3班制，每班運行人員約10人，運維人員生活污水利用泰州換流站已建的地埋式生活污水處理裝置進行處理，處理后用于站內綠化，不外排，對周圍水環境沒有影響。

(2)固體廢物環境影響調查

調相機站固廢主要來源于主控制樓內工作人員產生的生活垃圾、廢舊蓄電池及反滲透膜片膜柱。

調相機站內設有垃圾收集箱(桶)短暫存放垃圾，每天僅產生少量的生活垃圾。并有保潔人員定期打掃并集中收集外運至鄰近城鎮垃圾收集站，統一處理。調相機站內設置了事故油池，當發生事故時，排出的油經事故油池統一收集，交由有資質單位回收處理，不外排。站內蓄電池一般使用壽命為10年，調相機站尚無廢舊蓄電池產生。DTRO膜是反滲透的一種方式，主要為碟管式膜片膜柱，該碟管式膜片膜柱一般4～5年更換一次，定期由生產廠家回收處理。

3 結論

作為江蘇電網投運的第一個調相機工程，通過對泰州2×300兆乏調相機工程中調相機站的現場調查及周圍環境的實測，結果表明：

(1)同步調相機工程對周圍的電磁輻射環境和噪聲影響較小，其中工程產生的工頻電場、工頻磁場、噪聲均小于相應標準限值要求。

(2)雖然除鹽系統產生的除鹽水(清下水)及循環水系統的排水(清下水)總排水量較大，但是其屬于清下水，不屬于污水，排至站外溝渠后，經自然水體的稀釋，不會對附近地表水環境產生不良影響。

(3)廢水種類中除鹽水處理加強反洗廢水、膜清洗、沖洗廢水，其主要為COD、pH值超標，由廢水貯存池收貯后定期外運處理。

(4)調相機站固廢對周圍環境基本無影響。生活垃圾由保潔人員定期打掃并集中收集外運至鄰近城鎮垃圾收集站，統一處理；站內蓄電池一般使用壽命為10年，到期后由廠家回收處理；碟管式膜片膜柱，一般4～5年更換一次，由生產廠家回收處理。