荒沟发电电动机电磁选型和电气性能研究
时间：2023-01-23 21:10:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
林雪成, 佟德利, 王洪瑜, 宋德强
(1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；
2.国网新源控股有限公司，北京 100761；
3.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江 牡丹江157099)
荒沟抽水蓄能电站装机容量1 200 MW，共4台机，单机额定功率为300 MW。该电站开发的主要任务为承担黑龙江省电网和东北电网的调峰、填谷、调频和紧急事故备用，同时可为系统承担调相和黑启动任务。为使发电电动机采用更加合理的出口电压值，并获得更优的电气参数,保证荒沟发电电动机各相性能指标满足技术规范要求，该文从发电电动机电磁参数选型和部分电气性能指标的分析与计算出发，对电磁设计方案的合理性和性能指标的可靠性进行深入分析[1]。
1.1 设备性能
发电机工况额定容量、功率：334 MVA、300 MW
电动机工况轴输出功率：322 MW
额定电压：18 kV
发电机工况功率因数：0.9
电动机工况功率因数：0.98
额定频率：50 Hz
额定转速：428.6 r/min
最大飞逸转速：622 r/min
飞轮力矩GD2：5 750 t·m2
发电机工况：俯视顺时针旋转
电动机工况：俯视逆时针旋转
1.2 方案选择
1.2.1 主要尺寸的选择[2]
定子铁心内径和定子铁心长度是发电电动机的主要尺寸。通过对电负荷、磁负荷比选，充分考虑转子磁轭应力、电机飞轮力矩的要求，并结合厂房实际设计尺寸限制，选定发电电动机的主要尺寸为
定子铁心内直径：5 470 mm
定子铁心长度：2 900 mm。
1.2.2 定子支路数与槽电流的选择
发电电动机的磁极数决定了机组的额定转速，不同的磁极数对应不同的同步转速，且变化是不连续的。同时，磁极数又决定了绕组的可选支路数。在某一转速下，支路数的选择是有局限性的。因此会出现容量、转速和电压不匹配的矛盾。根据交流绕组对称性要求，限制绕组并联支路数选择的主要因素是磁极数，表1给出抽水蓄能电机常见并联支路数与极数、转速的关系。
表1 并联支路数与极数、转速的对应关系Table 1 Corresponding relationship between number of parallel branches, number of poles and speed
按传统电机绕组设计理念，可选择电机支路数影响电机槽电流。槽电流太小，表明电机有效材料的利用较差、不经济，参数指标不好；
槽电流太大，将导致铜损及附加损耗增加，从而使槽绝缘温差增大，电机冷却困难。该电站发电电动机额定容量为333.3 MVA，额定转速为428.6 r/min，额定电压为18 kV。必须对电压和支路数作合理的选配，才能获得经济合理的电机。结合表1，传统设计可选支路数为2和7，随着电机绕组设计理念的进步，4支路绕组设计技术逐渐应用于这一类机组中。表2为发电电动机支路数与槽电流的对应关系。
表2 发电电动机支路数与槽电流的对应关系Table 2 Corresponding relationship between branch number of generator motor and slot current
从表2可以看出，选择2支路方案槽电流太高，只适用于定子内冷机组，不可选；
选择7支路时槽电流偏低，使得电机利用率低，导致电机铁心过长、定子槽数过多、齿距偏小、定子线棒高宽比偏大、制造难度大等一系列问题。尤其是电机直轴超瞬变电抗值偏小，很难满足电气系统的保护要求。综合考虑，选择4支路方案能够使电机获得更好的槽电流，更高的利用率，更优良的电气参数等指标，为最佳选择方案。
1.2.3 电负荷与定子槽数的选择
电负荷是发电电动机选型设计主要调整和控制的参数之一，它对电机的主要尺寸、电气参数、定转子绕组温度都有着直接影响。随着水电技术的发展，当前发电电动机的电负荷值已较从前大大提高，全空冷机组的利用系数以接近10，这在一定程度上可合理控制电机的主要尺寸，尤其可有效压缩定子铁心长度，提高发电电动机轴系稳定性。表3为定子槽数与电负荷的对应关系。
表3 定子槽数与电负荷对应关系Table 3 Corresponding relationship between number of stator slots and electrical load
从表3可以看出，选择240槽及以下时，其电负荷最高仅为754 A/cm，造成电机利用率偏低，导致机组铁心长度过长。选择252槽和264槽仅从电负荷角度来讲是适宜的，且选264槽时电机的利用率会更高一些，铁心长度会更短一些。在铁心内直径确定的前提下，铁心长度减小过多，容易导致电机GD2不满足要求。另外，选择264槽时，电机的每极每相槽数为6+2/7，电机接线相对复杂，且存在次谐波振动的风险。因此，对荒沟项目而言，选择252槽方案更优，每极每相槽数为整数6，电机接线相对简单，不存在次谐波振动的风险，可完全避免了定子产生次谐波振动问题，而且定子齿距相对合理，定子线棒的制造和定子绕组的安装、维护工艺性更好。
1.3 主要电磁参数
表4给出了发电电动机主要电磁参数设计值。
表4 发电电动机主要电磁参数设计值Table 4 Design values of main electromagnetic parameters of generator motor
该文针对发电电动机的部分主要电气性能特性进行分析阐述。
2.1 空载线电压全谐波畸变因数
国家标准对发电电动机的空载线电压全谐波畸变因数(total harmonic distortion,THD)有着明确的规定，要求其值不得大于5%。THD偏大，说明输出波形较差、谐波较多，发电质量不好。因此，发电电动机进行选型设计后，一般都要对THD进行综合分析计算。对于本电机而言，由于采用4支路绕组设计方案，线棒节距选择整距，控制和优化空载线电压THD非常重要。应用有限元电磁计算软件进行发电电动机空载线电压THD分析，三维仿真模型见图1，计算结果如下。
图1 空载磁场分布三维仿真Fig.1 Three dimensional simulation of no-load magnetic field distribution
发电电动机空载线电压全谐波畸变因数THD计算值为0.66%，优于标准要求。
2.2 阻尼系统稳态特性和瞬态特性分析
荒沟发电电动机设有交、直轴阻尼绕组，可以抑制转子的自由震荡，提高电力系统的运行稳定性[3]。同时，阻尼系统还可以提高发电电动机并网能力和承担不对称负载的能力。机组运行时，不可避免的会存在某种不对称状态，这将导致发电电动机中含有部分负序电流。尤其在故障不对称运行工况时，定子绕组中将产生更大的负序电流，有可能引起阻尼绕组温度升高，影响阻尼系统的可靠性。基于此，对荒沟发电电动机的阻尼系统进行了稳态负序温升和瞬态负序温升的核算，结果如下。
1)稳态工况阻尼绕组温升。当负序电流的标么值为9%时，阻尼绕组的最高温升和温度值分别为54.7 K和107.7 ℃。
2)瞬态短路工况负序温升计算。当电机定子发生突然短路时，阻尼绕组做负序状态运行，对瞬态过程中阻尼绕组进行温升计算，对应额定容量相间不对称突然短路的最高温升和温度值分别为94.9 K和147.9 ℃；
单相对地不对称突然短路的最高温升和温度值分别为83.4 K和136.4 ℃。
从计算结果可以看出，在长期稳态工况不对称运行时，阻尼绕组最高温度为107.7 ℃，不超过130 ℃；
在短时故障工况不对称运行时，阻尼绕组最高温度为147.9 ℃，不大于220 ℃。结果表明，荒沟发电电动机阻尼系统可靠性设计合理，可靠性较高。
2.3 定子线棒换位方式分析
水轮发电机定子线棒多采用罗贝尔换位，这样可有效降低绕组中各股线间的环流和热损耗,减小股线因环流而产生附加损耗和股线间温差。应用三维电磁场有限元软件对荒沟发电电动机定子线棒的换位方式、角度、节距等进行分析计算，计算中充分考虑了集肤效应和电密变化的影响。经核算，定子线棒需采用不完全换位的最佳换位方式，采用的换位角度为316.22°，换位节距为44.62 mm。
2.4 误同期并网分析
为满足发电电动机并网要求，需对发电电动机进行误同期并网分析计算。误同期并网主要分两种，一种为发电电动机三相相序与电网相差120°时的误同期并网，一种为相差180°时的误同期并网。并网操作发生误同期状况时，发电电动机三相定子电流IU、IV、IW和电磁转矩Te较正常工况高很多[4]。对120°和180°误同期并网工况进行瞬态过程的仿真分析。计算中考虑了机组机械系统及饱和的影响，计算结果见表5。
表5 误同期并网计算数据Table 5 Missynchronization grid connection calculation data
2.5 绕组端部电动力分析
为提高发电电动机定子绕组的稳定性，结构设计时需对绕组进行必要固定。端部固定的设计需考虑各种运行工况时所受的电动力大小。通常要求发电电动机定子绕组端部的支撑系统要具有足够的刚度和强度,这样才能确保绕组端部及其连接线牢靠支撑和固定[5]。计算中进行7种不同工况的端部电动机的分析计算，详见表6。从表6可以看出，在180°误同期故障工况时定子绕组端部所承受的电动力最大，达到42.133 kN。结构设计时，发电电动机定子绕组端部的固定结构需据此进行设计和核算，以满足机组安全可靠稳定运行要求。
表6 定子绕组端部电动力计算数据Table 6 Calculation data of stator winding end electrodynamic force 单位：kN
2.6 短路电流分析计算
发电电动机并网运行后，有时会发生短路估重，给机组本身和电力系统带来安全隐患。基于此，对荒沟发电电动机进行了三相突然短路电流的分析计算，计算中考虑了参数饱和的影响。额定容量对应短路电流各分量在不同时刻的计算值见表7，图2为三相负载突然短路时电流(标幺值)随时间变化曲线。
表7 三相突然短路电流分析计算数据Table 7 The data of short circuit current analysis and calculation 单位：kA
图2 三相负载突然短路时电流特性曲线Fig.2 Current characteristic curve of sudden short circuit of three-phase load
突发短路过程中，绕组中出现强大的冲击电流，随着这一冲击电流的出现，电机的绕组端部将承受强大的电磁力作用。该计算结果可用于指导开关和保护设备的选择，并对发电电动机定子绕组端部固定的受力计算提供基础数据。
荒沟发电电动机的电磁选型与以往常规机组理念不同， 采用非常规绕组的设计方案。根据发电
电动机基本参数要求，对发电电动机的主要尺寸、槽电流、支路数、电负荷、定子槽数等关键参数进行综合分析，并分析计算主要的电气性能指标。分析计算结果表明，采用4支路电磁设计方案的各主要参数合理，各项性能指标优良，完全满足荒沟发电电动机电气参数要求，为确保机组长期稳定运行提供了技术保障。
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