抽水蓄能機組定子支路數應用與研究

李言龍

摘 要：針對常規抽水蓄能電站300 MW、14級發電電動機定子繞組支路數的選擇及其相關問題，國內多家主機設備廠商進行了深入的研究，并達成共識，認為發電電動機定子繞組采用“4支路方案”比采用“7支路方案”在技術、經濟和環保等方面的優勢更加突出。以往擔心的發電電動機定子繞組采用“4支路方案”所帶來的環流和諧波振動問題，隨著科學技術的飛速發展和蓄能機組研發、設計、制造水平的不斷提升，已被有效控制或完全消除。可以說，發電電動機定子繞組采用“4支路方案”的條件已基本成熟。

關鍵詞：發電機；4支路方案；主機設備廠；磁極

中圖分類號：TV734.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.036

通常情況下，水輪發電機定子三相繞組是按照電磁和物理上完全對稱的原理設計的。也就是U、V、W三相繞組在電相位上互相差120°，物理上也將其稱為一定的機械角度對稱均布。而在同相的各個支路上，相互間的電相位角度為0，相互間電壓差為0.據此基本原則可知，定子繞組的每相支路數必須為發電機磁極數的質數，才能達到各支路對稱或平衡的要求。在實際工程設計中，受“支路數必須為磁極數質數”的限制，支路數決定了定子的槽電流，槽電流又基本決定了發電機的電抗、效率、繞組運行溫度等重要參數。因此，在某些具體條件下，遵循對稱原則，支路數選擇受限，選定的支路數會使定子槽的電流偏大或偏小，使得發電機電磁設計非常困難或者設計出的發電機綜合參數極不協調。這就是按照傳統設計理念選擇定子繞組支路數時的局限性所致。

近幾年來，隨著科學技術的飛速發展，大型主機設備制造廠商在技術研發、設計、工藝水平、加工制造能力等方面有了很大的提高，尤其在14極電機定子繞組支路數優化選擇的研究上，有了突破性的進展。主機設備制造廠商對于額定轉速為428.6 r/min、14極發電電動機定子繞組支路數方案，均推薦采用4支路，而推薦的4支路又分為“不對稱”和“完全對稱”2種，且已有設計、制造和運行業績。

1 工程定子繞選擇4支路的必要性

定子繞組支路數方案的選擇與電機磁極數密切相關，而電機磁極數取決于機組的額定頻率和額定轉速。在選擇發電電動機額定轉速時，除了要考慮發電電動機的額定電壓、額定功率因數、定子繞組的并聯支路數、合理的槽電流和冷卻方式等設計制造的合理性和可行性外，還必須得適應水泵水輪機的額定轉速和參數的選擇。

根據常規抽水蓄能300 MW，轉子磁極14級的機組額定轉速為428.6 rpm的特點，發電電動機定子繞組采用對稱4支路或者不對稱4支路均可提高電機材料的利用率。電機綜合參數設計合理，能夠解決轉速與支路數不匹配的問題，消除支路間不平衡電壓導致環流和諧波分量過高對機組溫升和振動等的影響。從國內各主機廠的調研情況來看，它們都趨向于選擇4支路方案。

2 方案比較

2.1 技術比較

在實際工作中，工作人員對比、分析了各主機設備制造廠商設計的發電電動機定子繞組7支路和4支路方案，無論是在個別電磁參數的匹配上，還是定子內部結構上，4支路方案均優于7支路，具體比較情況如下。

2.1.1 Xd"

超瞬態電抗Xd"值直接影響著電站各電壓回路短路電流，還可能會影響設備的選擇，它與發電機電壓回路設備有密切的關系。從各廠商（除個別廠商外）提供的Xd"范圍中不難看出，7支路方案的Xd"值在0.16～0.17之間，4支路方案的Xd"值在0.2左右。Xd"值選在0.2左右比較合適。如果刻意提高7支路方案的Xd"值，則需要在原方案的基礎上采取增加定子槽數等多項措施來實現。這樣做，勢必會出現電機設計不合理的情況，進而增加制造成本。

2.1.2 定子槽數

同一廠商7支路方案的定子槽數遠多于4支路方案，相比多出33%～75%不等。由此可見，7支路方案的槽利用率比較低，結構比較復雜。

2.1.3 定子鐵心長度

同一廠商7支路方案的定子鐵心長度均長于4支路方案，相比長出6%～16%不等。由此可見，7支路方案的定子鐵心利用率比較低，不利于通風散熱。

2.1.4 內部接線及其布置

由于7支路方案的支路數和槽數比4支路方案多，導致定子線棒、匯流環銅環連接線數量也多，占用定子端部的空間比較大。結構復雜，端部溫升比較高，對端部絕緣和端部電暈影響比較大，降低了接線的可靠性，不利于機組長期安全、穩定運行。

2.1.5 中性點外部接線及其布置

由于7支路方案的中性點引出線數量比4支路方案多，使得中性點外部接線、導體布置、電流互感器和繼電保護配置等都比4支路方案復雜。7支路方案不利于機組的安裝、檢修和運行維護。

2.2 經濟比較

綜上所述，7支路方案定子槽數多、線棒多、鐵心長，所以，有效材料的利用率自然低，質量必然高。由同一廠商4支路、7支路方案的有效材料利用率和單臺發電電動機的質量可知，雖然它們的相差幅度不盡相同，但規律一致。單臺發電電動機質量最小差為13 t，最大差為190 t，有3家差50 t以上。4臺機總質量差在52～760 t之間，經濟效益比較可觀。

3 結論

經過與主機設備制造廠商的深入交流和對本工程4支路、7支路方案的分析、研究，可以得出以下結論：①發電電動機定子繞組采用4支路或7支路方案都是可行的。②4支路方案比7支路方案在技術性和經濟性方面更加合理。③各廠商的設計特點不同，但4支路方案的技術已經成熟，能有效控制或避免不對稱支路的環流和諧波。④“不對稱”支路方案的設計供貨業績不斷增多，4支路方案有徹底取代7支路方案的趨勢。⑤無論是電機設計制造的技術水平、業績、招標時機，還是采購模式，采用4支路方案占有較大優勢。⑥發電電動機定子繞組接線采用“4支路方案”和“7支路方案”理論上都是可行的。隨著主機設備廠商生產能力、業績的不斷成熟，采用“4支路方案”是主流發展方向。

〔編輯：白潔〕