抽水蓄能电站发电电动机的特点及选型设计分析水力发电第36卷第7期2010年7月抽水蓄能电站发电电动机的特点及选型设计分析徐立佳(中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,湖南长沙410014)摘要:对发电电动机的特点,额定容量,功率因数,额定转速和电压,电压调压范围以及结构型式,冷却方式,起动和制动方式等方面进行了较全面的总结和分析.并介绍了黑麋峰和白莲河抽水蓄能电站发电电动机的参数,可供参考.关键词:发电电动机;参数;结构;制动;起动CharacteristicsandSelectionAnalysisofGenerator-motorofPumped-storagePowerStatio nXuLijia(HydroChinaZhongnanEngineeringCorporation,ChangshaHunan410014) Abstract:Thecharacteristics,theselectionofratedcapacity,powerfactor,ratedspeedandvol tageandvoltageregulatorrange,thestructuraltype,thecoolingmethodandthestartingandbrakingmethodsofgenerator-mot orwereanalyzedcomprehensively.Theparametersofgenerator-motorsforHeimifengandBailianhepumped—storagepowerstationswereintroducedherein.KeyWords:generator-motor;parameter;structure;brake;starting中图分类号:TM341;TV743文献标识码:A文章编号:0559—9342(2010)07—0060—030概述抽水蓄能电站由于具有工况转换多,运行方式灵活,反应速度快等优点,近年来在国内得到了相当规模的发展.抽水蓄能机组,无论设计条件还是结构形式都比常规机组复杂的多.白莲河和黑糜峰抽水蓄能电站均安装4台单机容量300Mw的可逆式机组,白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗-田县,机组由法国ALSTOM公司中标;黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城县,机组由东方电机股份有限公司供货,ALSTOM公司提供技术支持, 两工程的首台机组都于2009年投运.本文主要根据抽水蓄能机组的特点对发电电动机选型设计和参数的选择进行了总结和分析,希望能为今后大中型抽水蓄能电站的建设提供一些参考.1发电电动机的特点(1)抽水蓄能机组由于在电力系统中承担调峰,填谷,调频,调相及紧急事故备用任务,起停和工况转换频繁,一般每天至少要起停2次,白莲河和黑麋峰抽水蓄能电站设计每天起停10次.发电电动机需适应频繁变化的运行条件.(2)抽水蓄能机组在抽水和发电两种工况的转向相反.发电电动机需按双向运转设计.要求其通风冷却系统和轴承结构都应能适应双向旋转. (3)在抽水]_况下,发电电动机作为同步电动机运行时,为使起动电流不至过大,减少对电网的扰动,必须有专门的起动措施.(4)抽水蓄能机组转速高,发电电动机尺寸小,磁极对数少,每极容量大,通风冷却比常规水轮发电机难度大2发电电动机参数选择2.1额定容量发电电动机的容量包括发电机容量和电动机轴功率两个参数,其额定容量的选择应考虑:发电工收稿日期:2010—05—18作者简介:徐立佳(1965一),女,湖南益阳人,教授级高工,副总丁程师.主要从事水电丁程设计,咨询和技术管理丁作.第36卷第7期徐立佳:抽水蓄能电站发电电动机的特点及选型设计分析况与水轮机工况在额定水头下的额定出力匹配.电动工况的输出轴功率与水泵工况在最小扬程下的最大输入轴功率匹配电动机的容量选择在其最大输入轴功率不小于水泵工况最小扬程时的最大入力要求的前提下电动机视在功率尽量与发电机视在功率相等,以获得最高的综合效益.白莲河抽水蓄能电站发电与抽水工况的额定容量分别为334MV?A和325MW:黑麋峰抽水蓄能电站发电工况为334MV?A,抽水工况为320MW(最大325MW).2.2功率因数(cos)发电电动机需确定发电与抽水两种_T况的功率因数.作为发电机运行时,机组是作为电力系统的电源,需向系统输L叶J无功,太高的功率因数会降低系统的稳定性.因此功率因数的选择要求略低一点.但当发电电动机有功功率一定时,选用较低的额定功率因数,发电电动机视在功率增大,尺寸和材料消耗相应增加,造价增大.随着电网的加强,以及快速励磁的采用大大提高了电力系统稳定性,因而使得发电电动机功率因数有提高的趋势,一般取0.9～0.95.作为电动机运行时,机组是作为电力系统的负荷,对无功的需求不是很大,通常只考虑补偿电站内主变压器的无功损耗,额定功率因数可取得高一点,这样可减少抽水工况下电机的设计容量, 一般取0.975～1.0.白莲河和黑麋峰抽水蓄能电站的发电电动机发电工况cos~b的取值为0.9.抽水工况cosch的取值为0.9752.3额定转速发电电动机的额定转速主要取决于水泵水轮机额定转速,与水泵水轮机工作水头,转轮型式,转轮直径,流量,效率等参数水平有关;同时要考虑发电电动机本身的额定电压,额定功率因数,定子绕组的并联支路数,合理的槽电流以及发电机的冷却方式. 对于一些特定转速,采用对称绕组设计时可选的并联支路数范围窄,在一定容量下.较难选取合适的槽电流.若槽电流太小,电机有效材料利用率低,不经济;槽电流太大,又会使损耗增加,绝缘温差增大.而采用非对称绕组设计,设计制造难度较大,不利于设备招标.为了求得最佳槽电流,可采用适当降低或提高额定电压的方法来解决,尽量采用对称绕组设计.综合比较白莲河发电电动机的额定转速选为250r/mim,黑麋峰发电电动机为300r/mim.2.4额定电压及调压范围(1)额定电压.额定电压反映发电电动机的绝缘水平,是一个综合性参数.它与发电电动机的容量,冷却方式,合理的槽电流和额定转速等有关,同时还必须考虑发电电动机回路电压配电装置,离相封闭母线和主变压器等设备的选型.一般电机容量越大,额定电压相应越高,这样可减少铜的消耗.最合适的额定电压大多与定子绕组的并联支路数有关,在电机电磁负荷取值合理的条件下,额定电压越低,绝缘材料和有效材料越省.但降低额定电压会使电机用铜量增加.综合技术经济比较后.白莲河发电电动机的额定电压选为l5.75kV,黑麋峰发电电动机的为18kV.(2)调压范围.抽水蓄能电站既是送电端又是受电端,工况变换频繁,潮流变化大,一般电压范围变化较大,可设置主变压器有载调压装置或采用机组调压.由于抽水蓄能电站主变压器一般布置在地下,运行条件差,有载调压开关故障率高,是变压器安全运行的一个薄弱环节.因此,目前趋向采用机组调压.发电电动机调压范围一般为额定电压的±5%.运行电压变化范围可提高到额定电压值的±7.5%或±10%.白莲河机组电压调节范围为±6. 5%,黑麋峰机组为±5%,主变均未设置有载调压装置.3发电电动机的结构3.1结构型式发电电动机型式按推力轴承布置位置分为悬式和伞式两种结构.一般认为,悬式结构的机械稳定性比伞式好.伞式结构总高度比悬式低,从而可降低厂房高度.通常,中低速大容量机组采用伞式,转速较高的则采用悬式结构.对于常规机组,一般用D_/Ln(D;为定子铁心内径,为定子铁心长度,凡为机组额定转速)来区分,大至有如下趋势:当D.rt≤0.025时,多采用悬式结构;当DILnN>0.025时,采用半伞式结构; 当D_IL≥0.05时采用全伞式结构.但抽水蓄能机组发电电动机的结构型式与常规电站设计不同.大多数大容量发电电动机的JLrl,都小于0.025,而都采用了半伞式结构.白莲河机组D.为7500mm,L为2262mm,n为250r/mim,黑麇峰机组D.为6500mm,L为2290mm,N为300r/mim,DJLinN均小于0.025.均采用了半伞式结构,推力轴承和下导轴承布置在下机架上.国外制造厂家也认为:解决运行稳定问题,缩短机组主轴长度是关键,悬式机组轴系长对轴的摆度和振动都不利.因此.在国外绝大部分大容量,高转速发电电动机也都趋向采用半伞式结构.3.2定,转子由于抽水蓄能机组转速高,定子铁心长,需保W~~erPowerV o1.36.No.7囫证线棒沿铁心长度的温度分布均匀.又由于起停频繁.内部温度变化剧烈,要考虑定子线棒产生的温度应力和热变形.发电电动机转子的阻尼绕组的设计与机组的起动方式有关.当采用异步起动时需加强转子磁极和阻尼绕组结构,选用高电阻的阻尼绕组或实心磁极以产生足够大的起动力矩并吸收起动过程中产生的大量热量.3.3推力轴承及其冷却方式为适应双向旋转,推力瓦只能对称支撑,一般油膜较薄,润滑性能较常规机组差.因此,抽水蓄能机组一般设有高压油顶起装置,以利于起动过程中形成油膜.减少电动工况时的摩擦力.推力轴承油的冷却通过油一水冷却器实现,按循环冷却方式分为内循环和外循环.外循环有外加泵和自身泵两种形式,自身泵又分为镜板泵和导瓦泵两种.外循环方式有利于推力轴承和冷却器检修,因此只要空间允许.应优先采用外循环方式.白莲河和黑麋峰机组推力轴承和下导轴承合一布置,推力轴承采用导瓦自身泵外循环方式.3.4通风冷却方式目前.抽水蓄能机组一般采用无外加风机的转子磁轭径向通风方式或带外加风机的强迫循环通风方式.一般优先采用无外加风机的径向通风方式.白莲河和黑麋峰机组均采用了无外加风机的转子磁轭径向通风方式.发电电动机的冷却方式有全空冷,半水冷(定子水冷)和蒸发冷却三种.蒸发冷却,目前还缺少用于发电电动机的工程经验.全空冷和半水冷则技术较成熟,特别是全空冷方式应用最广泛,而目前发电电动机的容量,转速范围均能满足全空冷机组的要求,因此没有必要采用半水冷方式或蒸发冷却方式(上接第54页)最低水位91.01TI,尾水洞出口顶板高程79.0m.均高于72.0rn高程排水廊道.为防止深井泵在异常低扬程下运行而烧毁电机,排水开始时.应密切关注检修集水井内的水位,利用盘形阀控制进入检修排水廊道的水量,确保检修集水井内的水位保持在其顶板以下.4发电电动机的起动和制动方式4.1起动方式起动方式常用的主要有异步起动,同步起动和静止变频起动几种起动方式.异步起动和同步起动受电力系统和机组本身制造的制约,而静止变频起动则不受限制,因此静止变频起动得到了越来越广泛的应用目前,国内外在建的大型抽水蓄能电站几乎都采用了静止变频起动为主,背靠背起动作为备用的起动方式.白莲河和黑麋峰机组均为全厂设一套静止变频起动装置作为水泵工况的主要起动方式,背靠背起动作为备用起动方式.4.2制动方式制动停机是起停频繁机组的关键问题之一.机械制动力矩与转速成正比,在过高转速时投制动会造成制动块剧烈磨损和振动,而低转速时制动力矩低,一般在额定转速的20%左右投机械制动.从停机过程看,机械制动停机时间长,对要求能快速从一种工况转换到另一种工况的抽水蓄能机组不理想.与机械制动相比,电气制动制动力矩大,不存在制动块磨损大及污染问题,可以在任何转速下投入,而且电气制动力矩很大范围内与转速成反比,在低转速区制动力矩反而增大.因此大型抽水蓄能机组都配备有电气制动,电气制动和机械制动相结合以加快停机.一般在较高转速(额定转速的50%)下先投电气制动,再在较低转速(额定转速的5%～10%)下投机械制动.白莲河和黑麋峰机组均采用了电气和机械联合制动的停机方式,必要时机械制动可单独使用.参考文献:[1]梅祖颜.抽水蓄能发电技术[M]北京:清华大学出版社,1988. (责任编辑刘书秋)渗漏与检修排水分开设置,水经地下洞室的自流排水廊道排至白莲河水库下游;检修排水采用间接排水系统,集水井通气孔经自流排水廊道与大气自由连通.既满足技术要求,确保地下厂房的安全,又能节省投资和运行维护费用.该工程排水系统的设计可为大埋深地下厂房排水系统设计提供参考和借鉴.7结语参考文献:排水是地下厂房工程最重要的环节之一,抽水蓄能电站的地下厂房工程埋深较大,排水系统的安全性尤为重要.白莲河抽水蓄能电站地下厂房系统固WaterPowerV o1.36.No.7[1]陆佑楣,潘家铮.抽水蓄能电站EM].北京:水利电力出版社,1992.[2]梅祖彦.抽水蓄能发电技术[M].北京:机械工业出版社,2000. (责任编辑常青)。