镇安抽水蓄能电站350 MW发电电动机选型分析

林雪成

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

镇安抽水蓄能电站350 MW发电电动机选型分析

林雪成

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

介绍了镇安抽水蓄能电站的机组数据，指出根据电站水利方面的基本参数，水泵水轮机推荐的机组额定转速为375 r/min。对镇安发电电动机进行了基本参数的选型分析，从而论证镇安发电电动机的可行性和设计制造难度，以便为下一阶段机组的施工设计做好技术准备。

发电电动机；电压；功率因数；电负荷；支路数；槽电流

0 引言

镇安抽水蓄能电站位于陕西商洛市镇安县月河乡东阳村。

电站装设4台单机容量为350 MW的单级立轴单转速混流可逆式水泵水轮发电电动机组，总装机容量1 400 MW，额定水头446 m，具备日调节性能。电站建成后将主要承担陕西电网的调峰、填谷、紧急事故备用和调频、调相、黑启动任务。

1 电站的基本数据

镇安水泵水轮机——发电电动机组基本数据如下：

发电工况机组出力 350 MW

电动工况水泵入力 383 MW

最大水头 482 m

额定水头 452 m

最小水头 422 m

水轮机额定出力 356 MW

额定转速 375 r/min

最大飞逸转速 563 r/min

额定频率 50 Hz

机坑直径 7.4/5 m

2 发电电动机基本参数的选择

2.1 主要尺寸

电机的主要尺寸是指定子铁心内径Di(或极距τ)及铁心长度lt。选择和确定Di和lt时应考虑下列问题：

1) 电负荷和磁负荷应在合理的取值范围内，并使Xd'等参数满足要求；

2) 选择的主要尺寸应使转子磁轭在正常的宽度和允许应力下，自然满足所要求的转动惯量值；

3) 由主要尺寸所决定的定子和转子等大部件的尺寸应满足运输条件的要求；

4) 满足电机本身通风冷却的要求；

5) 机组总体结构布置合理。

对于全空冷、大容量水轮发电机/发电电动机，其利用系数C一般为9～10左右。为保证电机在飞逸转速下旋转部件有足够的强度(控制磁轭/磁极计算应力不大于材料屈服点的2/3)，必须把电机的转子在飞逸转速下圆周速度控制在一定范围以内，以转子磁轭应力为指标来确定定子内径。

2.2 功率因数

功率因数的选择须考虑电站的实际需要及电机设计制造的难度。目前国内外大容量发电电动机实际运行功率因数一般都在0.9(发电工况)以上。在电机出力一定的情况下，功率因数越小则电机的容量越大。较低的功率因数将进一步提高电机设计和制造难度。参考国内、外已有大容量发电电动机的功率因数值，对于350 MW级的镇安发电电动机而言，建议功率因数不能低于0.9(发电工况)和0.97(电动工况)。

2.3 额定电压、支路数与槽电流

发电机的额定电压是一个综合性参数。它的选取应考虑发电机的技术经济指标，对发电机断路器遮断容量、母线、变压器低压线圈，近区负荷的供电电压及其输配电设备的投资运行费用等因素的影响。国内、外制造的大型发电电动机的额定电压一般为13.8～18 kV之间。

对于额定转速为375 r/min的发电电动机而言，从绕组对称角度来讲，可选择的支路数分别为1、2、4、8。最终的支路数选择还要综合考虑电压、槽电流等参数的合理匹配。

影响电机经济性的另一个因素是合理的槽电流。槽电流与发电机的容量、转速、电压、并联支路数、绕组型式及冷却方式等有关。槽电流太小，则发电机有效材料的利用较差、不经济；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，在工艺上由于线圈表面增大，使制造较复杂。当发电电动机的转速确定后，发电电动机可以选择的支路数是有限的。必须对电压与支路数作合理的选配，才能获得经济合理的电机。从控制热负荷并留有一定裕量考虑，大型空冷发电电动机的槽电流取值范围为5 500～6 500 A左右。针对350 MW的镇安发电电动机而言，分别配以13.8，15.75，18 kV电压，以发电工况为例，选择不同的支路数，其槽电流大小如表1、表2、表3所示：

表1 不同的支路数和槽电流(UN=13.8 kV)

表2 不同的支路数和槽电流(UN=15.75 kV)

表3 不同的支路数和槽电流(UN=18 kV)

根据表1～3可以看出，选择额定电压为18 kV、4支路方案时，槽电流为6 237 A，为最优选择。这仅仅是从槽电流的角度来看，具体方案还要考虑槽数的选择、电负荷是否合适等因素，尤其要看与转速的匹配情况。

2.4 电负荷

电负荷A是水轮发电机/发电电动机的主要技术、经济参数之一。它对电机的主要尺寸、电抗和绕组温度等有直接影响。为控制电机的主要尺寸，必须尽量提高电机的利用系数。A值的大小决定了定子内圆单位表面积所产生的绕组铜损的大小，因而直接影响温升和效率的高低。A的取值与每极容量、绝缘等级以及冷却方式有关。随着冷却技术的进步和绝缘材料性能的提高，A值较以往有较大提高。大容量发电电动机采用空冷方案时的利用系数一般为9～10左右，为获得这样的利用系数，镇安发电电动机的电负荷A值应为800～850 A/cm左右是合理的。若进一步提高电负荷，需对转子绕组的冷却进行特殊考虑。

2.5 定子电流密度

定子绕组电流密度的合理选择直接影响定子铜线和定子冲片的重量，即直接影响到电机的经济性，同时将决定绕组温升和效率。随着冷却方式的不同，定子电流密度选择范围也是不同的。对于大型空冷发电电动机而言，电流密度为2.5～3.5 A/mm2，具体数值还要与电负荷相匹配，以使发电电动机的热负荷在一个合理的范围内，避免电机运行时温升过高。

2.6 热负荷

热负荷是有效控制定子绕组温升及确定发电机冷却方式的重要参数。较高的热负荷将导致槽绝缘内温差增大，线圈温升增高。

对于大型空冷发电电动机而言，热负荷宜在2 700 A2/cm·mm2以内。

2.7 方案

镇安发电电动机初步方案见表4。

表4 镇安发电电动机方案

(续表)

2.8 镇安发电电动机的难度分析

镇安发电电动机机械强度和每极容量难度对比，见表5。

表5 大容量发电电动机机械强度难度和每极容量对比表

3 结语

根据电站的基本资料信息，水泵水轮机选择最优转速为375 r/min。根据该转速，发电电动机亦能够选择非常理想的方案。从机械强度和每极容量难度对比可以看出，镇安发电电动机的设计制造难度居中，机械强度难度低于宝泉、清远和仙居发电电动机，每极容量难度低于宝泉和仙居发电电动机。由此可以看出，镇安发电电动机的设计方案完全在国内发电设备制造厂家的经验范围之内，该方案是可行的。

林雪成：男，1976年10月生，高级工程师，1999年7月毕业于哈尔滨理工大学电机专业，长期从事水轮发电机设计工作。