發電電動機定子繞組4支路技術在荒溝抽水蓄能電站的應用

何雪飛　朱南龍　何萬成

【摘 要】發電電動機定子繞組4支路在荒溝抽水蓄能電站機組成功應用，避免了7支路方案的不足，使得機組的技術參數更加合理、穩定性提高，有利于現場施工安裝質量的提高和檢修。4支路繞組的研究成果不僅可以應用于428.6r/min抽水蓄能電機，而且可以用于多種轉速抽水蓄能電機以及常規水輪發電機。技術發展以及未來市場開發來說，具有重要意義。

【關鍵詞】發電電動機；4支路；抽蓄電站；應用

0 概述

黑龍江荒溝抽水蓄能電站裝機容量1200MW，4臺機，單機容量為300MW。年平均發電量為18.36×108kW·h，年發電利用小時數為1530h；年抽水用電量為24.09×108kW·h，年抽水利用小時數為2008h。電站開發的主要任務是：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任務，同時為系統承擔調相和黑啟動任務。電站接入電力系統方式為：出線電壓500kV，出線二回，“π”接至方正變至林海變（牡丹江變）的500kV線路上。荒溝抽水蓄能電站距離方正變約80km，距離林海變（牡丹江變）約116km。電站建成后，電站500kV母線穿越功率為3000MW（含本電站容量）。

電站樞紐由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面副廠房、地面開關站和下水庫（利用已建蓮花水庫）等主要建筑物組成。

1 具體問題描述

1.1 問題提出的背景

當前，國內抽水蓄能電站面臨大發展態勢，基建項目大幅增加，投產機組容量不斷攀升，為電網安全，優化資源配置作出了新的貢獻。對于某些抽水蓄能電站機組轉速，如428.6r/min、272.7 r/min和230.8 r/min等的電機，當容量上升到一定等級時，就會出現容量、電壓和轉速不匹配的矛盾，使槽電流及電氣參數不合理，高壓設備選擇困難，電站系統的技術經濟指標不高。傳統的解決方法是要么放棄這種水輪機性能優越的轉速而選擇其他轉速，要么接受電機不盡合理的運行性能。因此，限制了水輪發電機轉速的使用范圍，使水輪機不得不放棄水力性能優越的轉速。

根據荒溝電機的容量，其標配電壓是18kV，由于上述矛盾，采用7支路時選擇15.75kV是不得已的選擇，而且使定子槽距小到了極限，給制造安裝帶來一定的困難外，且電機的性能不是很合理。其主要原因是對于轉速為428.6r/min的電機，根據傳統繞組理論，只能構成1、2或7支路繞組而不存在3支路或4支路繞組。

想解決這一矛盾，需要新的定子繞組連接方式，為此4支路繞組應運而生，它的優點是槽電流適中，參數合理，短路電流適中，鐵心長度適中，主保護方案簡單占地面積小，電站系統技術經濟指標高。

1.2 發電電動機定子繞組采用4支路的原因

針對荒溝抽水蓄能電站機組額定轉速為428.6r/min、發電電動機磁極數為14級的實際情況，牡丹江公司沒有立足于以往該類型的機組均采用7支路技術方案，而是主動聯系設計單位和國內主機生產廠家，采取現場實地調研、問卷調查等方式尋求一種好的技術方案。

新源公司高度重視荒溝項目發電電動機選型工作，專門組織了技術方案評審會，討論荒溝項目機組選型。牡丹江公司多次組織專家論證，廣泛征求各方意見，在新源公司的大力支持下，經過各種方案的比選，最終確定荒溝項目機組采用4支路方案。

1.3 7支路與4支路方案比選

從各國內主機設備制造廠商為本工程設計的發電電動機定子繞組7支路和4支路技術方案的對比分析可見，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。具體比較如下：

1）Xd”

超瞬態電抗Xd”值的大小直接關系到電站各電壓回路短路電流的大小，并可能影響到設備選擇，尤其是對發電機電壓回路設備關系密切。從各廠商為本工程提供Xd”的范圍不難看出，7支路方案較小約在0.16～0.17之間，4支路方案約在0.2左右。如若刻意提高7支路方案的Xd”值，則需要在原方案的基礎上，通過增加定子槽數等多項措施來實現，勢必造成電機設計更不合理，制造成本增加更多。

2）定子槽數

7支路方案的定子槽數遠多于4支路方案，相比約多出33%到75%之間不等。可見，7支路方案的槽利用率較低，結構較復雜。

3）定子鐵心長度

7支路方案的定子鐵心長度均長于4支路方案，相比約長出6%到16%之間不等。可見，7支路方案的定子鐵心利用率較低，同時也不利于通風散熱。

4）內部接線及布置

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亦多，占用定子端部空間較大、結構復雜，端部溫升較高，對端部絕緣和端部電暈影響較大，降低了可靠性，不利于機組長期安全、穩定運行。

5）中性點外部接線及布置

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、電流互感器及繼電保護配置等均較4支路方案復雜，不利于機組的安裝、檢修和運行維護

經上述技術分析后，從經濟方面看，由于7支路方案定子槽數多、線棒多、鐵心長，有效材料利用率自然低，重量必然高。4支路方案的有效材料利用率和單臺發電電動機的重量降低，經濟效益比較可觀。

通過7支路與4支路方案的比較，可以看出4支路方案的優點如下：

（1）槽電流合理，電磁參數較好， 電機材料利用率提高；

（2）定子鐵芯長度縮短，結構更為合理；

（3）直軸超瞬變電抗 Xd” 提高， 使得短路電流減小；

（4）線棒數量少， 高寬比合理， 齒距大， 工藝性好；

（5）定子中性點引 出線及主引 出線等接線簡單， 主保護方案及CT 配置簡單。

鑒于以上優點，使得機組的穩定性提高、有利于現場施工安裝質量的提高和檢修、維護方便。

荒溝項目發電電動機定子繞組采用4支路對稱繞組型式。這是國內抽水蓄能機組首次采用該型式，該應用案例在世界范圍內也很少見。技術國產化的應用、制造工藝水平的提升以及廠家對4支路方案的不斷深化研究，4支路方案在技術上已經成熟，達到可以推廣應用的條件，必將為后續類似項目機組的選型提供新的解決方案，促進國內抽蓄事業的發展。

2 具體實施思路和做法

強化本質安全，抽水蓄能電站電站建設的核心在機組長期安全穩定運行，牡丹江公司始終以提升本質安全為目標，提前預判，提前布局，提前行動，這“三個提前”，大大增加了電站的本質安全水平，為后續工作奠定了堅實基礎。

發電發動機，是抽水蓄能電站的核心，其安全性能事關重大。荒溝電站采用4支路技術，這在國內尚屬首次。此項技術的應用有利于控制成本，減少風險點，但是，新技術的應用有難度、有機遇，不確定因素多。“設備健康”是牡丹江公司建設本質安全型企業的重要一環，既敢于“吃螃蟹”，又要保證吃的過程“零風險”，這是牡丹江公司堅定不移的追求。

荒溝抽水蓄能電站4臺單機容量為30萬千瓦的機組，沒有采用傳統的定子繞組7支路技術，而是采用了4支路技術，這在國內尚屬首次。牡丹江公司從源頭控制，筑起一道道安全關口。他們從招標開始，就對機組的安全指標提出了很高的要求，以國家能源局、國網公司和新源公司的反措為抓手，吸取近年來典型事故經驗教訓，要求制造廠在設計制造階段嚴格落實反措實施方案，同時要求每次聯絡會均需對反措實施情況進行專題討論，及時更新反措文件，動態調整反措實施條款，狠抓過程管理，強化水電設備、設施的全壽命管理，切實保證設備制造質量，保證機組本質安全落實到實處。這是第一次在機組設計制造階段系統地落實反措要求，必將扭轉運行階段不斷整改的被動局面。

關口前移的好處顯而易見。目前，它已對荒溝電站建設項目所有子項實現全覆蓋，它的效能將隨著時間的流逝日益顯現，荒溝電站建成后必將成為成功的典范。

3 效果及展望

荒溝抽水蓄能電站機組由7支路改為4支路后，避免了7支路方案的不足，使得機組的技術參數更加合理、穩定性提高，有利于現場施工安裝質量的提高和檢修、維護方便降低了造價。除此之外，更重要的是4支路繞組的研究成果不僅可以應用于428.6r/min抽水蓄能電機，而且可以用于多種轉速抽水蓄能電機以及常規水輪發電機。技術發展以及未來市場開發來說，具有重要意義。

[責任編輯：朱麗娜]