荒溝發電電動機電磁選型和電氣性能研究

林雪成, 佟德利, 王洪瑜, 宋德強

(1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2.國網新源控股有限公司，北京 100761；3.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江157099)

0 引 言

荒溝抽水蓄能電站裝機容量1 200 MW，共4臺機，單機額定功率為300 MW。該電站開發的主要任務為承擔黑龍江省電網和東北電網的調峰、填谷、調頻和緊急事故備用，同時可為系統承擔調相和黑啟動任務。為使發電電動機采用更加合理的出口電壓值，并獲得更優的電氣參數,保證荒溝發電電動機各相性能指標滿足技術規范要求，該文從發電電動機電磁參數選型和部分電氣性能指標的分析與計算出發，對電磁設計方案的合理性和性能指標的可靠性進行深入分析[1]。

1 電磁設計方案的選擇

1.1 設備性能

發電機工況額定容量、功率：334 MVA、300 MW

電動機工況軸輸出功率：322 MW

額定電壓：18 kV

發電機工況功率因數：0.9

電動機工況功率因數：0.98

額定頻率：50 Hz

額定轉速：428.6 r/min

最大飛逸轉速：622 r/min

飛輪力矩GD2：5 750 t·m2

發電機工況：俯視順時針旋轉

電動機工況：俯視逆時針旋轉

1.2 方案選擇

1.2.1 主要尺寸的選擇[2]

定子鐵心內徑和定子鐵心長度是發電電動機的主要尺寸。通過對電負荷、磁負荷比選，充分考慮轉子磁軛應力、電機飛輪力矩的要求，并結合廠房實際設計尺寸限制，選定發電電動機的主要尺寸為

定子鐵心內直徑：5 470 mm

定子鐵心長度：2 900 mm。

1.2.2 定子支路數與槽電流的選擇

發電電動機的磁極數決定了機組的額定轉速，不同的磁極數對應不同的同步轉速，且變化是不連續的。同時，磁極數又決定了繞組的可選支路數。在某一轉速下，支路數的選擇是有局限性的。因此會出現容量、轉速和電壓不匹配的矛盾。根據交流繞組對稱性要求，限制繞組并聯支路數選擇的主要因素是磁極數，表1給出抽水蓄能電機常見并聯支路數與極數、轉速的關系。

表1 并聯支路數與極數、轉速的對應關系Table 1 Corresponding relationship between number of parallel branches, number of poles and speed

按傳統電機繞組設計理念，可選擇電機支路數影響電機槽電流。槽電流太小，表明電機有效材料的利用較差、不經濟，參數指標不好；槽電流太大，將導致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，電機冷卻困難。該電站發電電動機額定容量為333.3 MVA，額定轉速為428.6 r/min，額定電壓為18 kV。必須對電壓和支路數作合理的選配，才能獲得經濟合理的電機。結合表1，傳統設計可選支路數為2和7，隨著電機繞組設計理念的進步，4支路繞組設計技術逐漸應用于這一類機組中。表2為發電電動機支路數與槽電流的對應關系。

表2 發電電動機支路數與槽電流的對應關系Table 2 Corresponding relationship between branch number of generator motor and slot current

從表2可以看出，選擇2支路方案槽電流太高，只適用于定子內冷機組，不可選；選擇7支路時槽電流偏低，使得電機利用率低，導致電機鐵心過長、定子槽數過多、齒距偏小、定子線棒高寬比偏大、制造難度大等一系列問題。尤其是電機直軸超瞬變電抗值偏小，很難滿足電氣系統的保護要求。綜合考慮，選擇4支路方案能夠使電機獲得更好的槽電流，更高的利用率，更優良的電氣參數等指標，為最佳選擇方案。

1.2.3 電負荷與定子槽數的選擇

電負荷是發電電動機選型設計主要調整和控制的參數之一，它對電機的主要尺寸、電氣參數、定轉子繞組溫度都有著直接影響。隨著水電技術的發展，當前發電電動機的電負荷值已較從前大大提高，全空冷機組的利用系數以接近10，這在一定程度上可合理控制電機的主要尺寸，尤其可有效壓縮定子鐵心長度，提高發電電動機軸系穩定性。表3為定子槽數與電負荷的對應關系。

表3 定子槽數與電負荷對應關系Table 3 Corresponding relationship between number of stator slots and electrical load

從表3可以看出，選擇240槽及以下時，其電負荷最高僅為754 A/cm，造成電機利用率偏低，導致機組鐵心長度過長。選擇252槽和264槽僅從電負荷角度來講是適宜的，且選264槽時電機的利用率會更高一些，鐵心長度會更短一些。在鐵心內直徑確定的前提下，鐵心長度減小過多，容易導致電機GD2不滿足要求。另外，選擇264槽時，電機的每極每相槽數為6+2/7，電機接線相對復雜，且存在次諧波振動的風險。因此，對荒溝項目而言，選擇252槽方案更優，每極每相槽數為整數6，電機接線相對簡單，不存在次諧波振動的風險，可完全避免了定子產生次諧波振動問題，而且定子齒距相對合理，定子線棒的制造和定子繞組的安裝、維護工藝性更好。

1.3 主要電磁參數

表4給出了發電電動機主要電磁參數設計值。

表4 發電電動機主要電磁參數設計值Table 4 Design values of main electromagnetic parameters of generator motor

2 主要電氣性能指標

該文針對發電電動機的部分主要電氣性能特性進行分析闡述。

2.1 空載線電壓全諧波畸變因數

國家標準對發電電動機的空載線電壓全諧波畸變因數(total harmonic distortion,THD)有著明確的規定，要求其值不得大于5%。THD偏大，說明輸出波形較差、諧波較多，發電質量不好。因此，發電電動機進行選型設計后，一般都要對THD進行綜合分析計算。對于本電機而言，由于采用4支路繞組設計方案，線棒節距選擇整距，控制和優化空載線電壓THD非常重要。應用有限元電磁計算軟件進行發電電動機空載線電壓THD分析，三維仿真模型見圖1，計算結果如下。

圖1 空載磁場分布三維仿真Fig.1 Three dimensional simulation of no-load magnetic field distribution

發電電動機空載線電壓全諧波畸變因數THD計算值為0.66%，優于標準要求。

2.2 阻尼系統穩態特性和瞬態特性分析

荒溝發電電動機設有交、直軸阻尼繞組，可以抑制轉子的自由震蕩，提高電力系統的運行穩定性[3]。同時，阻尼系統還可以提高發電電動機并網能力和承擔不對稱負載的能力。機組運行時，不可避免的會存在某種不對稱狀態，這將導致發電電動機中含有部分負序電流。尤其在故障不對稱運行工況時，定子繞組中將產生更大的負序電流，有可能引起阻尼繞組溫度升高，影響阻尼系統的可靠性。基于此，對荒溝發電電動機的阻尼系統進行了穩態負序溫升和瞬態負序溫升的核算，結果如下。

1)穩態工況阻尼繞組溫升。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54.7 K和107.7 ℃。

2)瞬態短路工況負序溫升計算。當電機定子發生突然短路時，阻尼繞組做負序狀態運行，對瞬態過程中阻尼繞組進行溫升計算，對應額定容量相間不對稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為94.9 K和147.9 ℃；單相對地不對稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為83.4 K和136.4 ℃。

從計算結果可以看出，在長期穩態工況不對稱運行時，阻尼繞組最高溫度為107.7 ℃，不超過130 ℃；在短時故障工況不對稱運行時，阻尼繞組最高溫度為147.9 ℃，不大于220 ℃。結果表明，荒溝發電電動機阻尼系統可靠性設計合理，可靠性較高。

2.3 定子線棒換位方式分析

水輪發電機定子線棒多采用羅貝爾換位，這樣可有效降低繞組中各股線間的環流和熱損耗,減小股線因環流而產生附加損耗和股線間溫差。應用三維電磁場有限元軟件對荒溝發電電動機定子線棒的換位方式、角度、節距等進行分析計算，計算中充分考慮了集膚效應和電密變化的影響。經核算，定子線棒需采用不完全換位的最佳換位方式，采用的換位角度為316.22°，換位節距為44.62 mm。

2.4 誤同期并網分析

為滿足發電電動機并網要求，需對發電電動機進行誤同期并網分析計算。誤同期并網主要分兩種，一種為發電電動機三相相序與電網相差120°時的誤同期并網，一種為相差180°時的誤同期并網。并網操作發生誤同期狀況時，發電電動機三相定子電流IU、IV、IW和電磁轉矩Te較正常工況高很多[4]。對120°和180°誤同期并網工況進行瞬態過程的仿真分析。計算中考慮了機組機械系統及飽和的影響，計算結果見表5。

表5 誤同期并網計算數據Table 5 Missynchronization grid connection calculation data

2.5 繞組端部電動力分析

為提高發電電動機定子繞組的穩定性，結構設計時需對繞組進行必要固定。端部固定的設計需考慮各種運行工況時所受的電動力大小。通常要求發電電動機定子繞組端部的支撐系統要具有足夠的剛度和強度,這樣才能確保繞組端部及其連接線牢靠支撐和固定[5]。計算中進行7種不同工況的端部電動機的分析計算，詳見表6。從表6可以看出，在180°誤同期故障工況時定子繞組端部所承受的電動力最大，達到42.133 kN。結構設計時，發電電動機定子繞組端部的固定結構需據此進行設計和核算，以滿足機組安全可靠穩定運行要求。

表6 定子繞組端部電動力計算數據Table 6 Calculation data of stator winding end electrodynamic force 單位：kN

2.6 短路電流分析計算

發電電動機并網運行后，有時會發生短路估重，給機組本身和電力系統帶來安全隱患。基于此，對荒溝發電電動機進行了三相突然短路電流的分析計算，計算中考慮了參數飽和的影響。額定容量對應短路電流各分量在不同時刻的計算值見表7，圖2為三相負載突然短路時電流(標幺值)隨時間變化曲線。

表7 三相突然短路電流分析計算數據Table 7 The data of short circuit current analysis and calculation 單位：kA

圖2 三相負載突然短路時電流特性曲線Fig.2 Current characteristic curve of sudden short circuit of three-phase load

突發短路過程中，繞組中出現強大的沖擊電流，隨著這一沖擊電流的出現，電機的繞組端部將承受強大的電磁力作用。該計算結果可用于指導開關和保護設備的選擇，并對發電電動機定子繞組端部固定的受力計算提供基礎數據。

3 結 語

荒溝發電電動機的電磁選型與以往常規機組理念不同， 采用非常規繞組的設計方案。根據發電

電動機基本參數要求，對發電電動機的主要尺寸、槽電流、支路數、電負荷、定子槽數等關鍵參數進行綜合分析，并分析計算主要的電氣性能指標。分析計算結果表明，采用4支路電磁設計方案的各主要參數合理，各項性能指標優良，完全滿足荒溝發電電動機電氣參數要求，為確保機組長期穩定運行提供了技術保障。