发电电动机定子绕组4支路技术在荒沟抽水蓄能电站的应用

何雪飞　朱南龙　何万成

【摘 要】发电电动机定子绕组4支路在荒沟抽水蓄能电站机组成功应用，避免了7支路方案的不足，使得机组的技术参数更加合理、稳定性提高，有利于现场施工安装质量的提高和检修。4支路绕组的研究成果不仅可以应用于428.6r/min抽水蓄能电机，而且可以用于多种转速抽水蓄能电机以及常规水轮发电机。技术发展以及未来市场开发来说，具有重要意义。

【关键词】发电电动机；4支路；抽蓄电站；应用

0 概述

黑龙江荒沟抽水蓄能电站装机容量1200MW，4台机，单机容量为300MW。年平均发电量为18.36×108kW·h，年发电利用小时数为1530h；年抽水用电量为24.09×108kW·h，年抽水利用小时数为2008h。电站开发的主要任务是：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任务，同时为系统承担调相和黑启动任务。电站接入电力系统方式为：出线电压500kV，出线二回，“π”接至方正变至林海变（牡丹江变）的500kV线路上。荒沟抽水蓄能电站距离方正变约80km，距离林海变（牡丹江变）约116km。电站建成后，电站500kV母线穿越功率为3000MW（含本电站容量）。

电站枢纽由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面副厂房、地面开关站和下水库（利用已建莲花水库）等主要建筑物组成。

1 具体问题描述

1.1 问题提出的背景

当前，国内抽水蓄能电站面临大发展态势，基建项目大幅增加，投产机组容量不断攀升，为电网安全，优化资源配置作出了新的贡献。对于某些抽水蓄能电站机组转速，如428.6r/min、272.7 r/min和230.8 r/min等的电机，当容量上升到一定等级时，就会出现容量、电压和转速不匹配的矛盾，使槽电流及电气参数不合理，高压设备选择困难，电站系统的技术经济指标不高。传统的解决方法是要么放弃这种水轮机性能优越的转速而选择其他转速，要么接受电机不尽合理的运行性能。因此，限制了水轮发电机转速的使用范围，使水轮机不得不放弃水力性能优越的转速。

根据荒沟电机的容量，其标配电压是18kV，由于上述矛盾，采用7支路时选择15.75kV是不得已的选择，而且使定子槽距小到了极限，给制造安装带来一定的困难外，且电机的性能不是很合理。其主要原因是对于转速为428.6r/min的电机，根据传统绕组理论，只能构成1、2或7支路绕组而不存在3支路或4支路绕组。

想解决这一矛盾，需要新的定子绕组连接方式，为此4支路绕组应运而生，它的优点是槽电流适中，参数合理，短路电流适中，铁心长度适中，主保护方案简单占地面积小，电站系统技术经济指标高。

1.2 发电电动机定子绕组采用4支路的原因

针对荒沟抽水蓄能电站机组额定转速为428.6r/min、发电电动机磁极数为14级的实际情况，牡丹江公司没有立足于以往该类型的机组均采用7支路技术方案，而是主动联系设计单位和国内主机生产厂家，采取现场实地调研、问卷调查等方式寻求一种好的技术方案。

新源公司高度重视荒沟项目发电电动机选型工作，专门组织了技术方案评审会，讨论荒沟项目机组选型。牡丹江公司多次组织专家论证，广泛征求各方意见，在新源公司的大力支持下，经过各种方案的比选，最终确定荒沟项目机组采用4支路方案。

1.3 7支路与4支路方案比选

从各国内主机设备制造厂商为本工程设计的发电电动机定子绕组7支路和4支路技术方案的对比分析可见，无论是在个别电磁参数的匹配上还是定子内部结构上，4支路方案均优于7支路。具体比较如下：

1）Xd”

超瞬态电抗Xd”值的大小直接关系到电站各电压回路短路电流的大小，并可能影响到设備选择，尤其是对发电机电压回路设备关系密切。从各厂商为本工程提供Xd”的范围不难看出，7支路方案较小约在0.16～0.17之间，4支路方案约在0.2左右。如若刻意提高7支路方案的Xd”值，则需要在原方案的基础上，通过增加定子槽数等多项措施来实现，势必造成电机设计更不合理，制造成本增加更多。

2）定子槽数

7支路方案的定子槽数远多于4支路方案，相比约多出33%到75%之间不等。可见，7支路方案的槽利用率较低，结构较复杂。

3）定子铁心长度

7支路方案的定子铁心长度均长于4支路方案，相比约长出6%到16%之间不等。可见，7支路方案的定子铁心利用率较低，同时也不利于通风散热。

4）内部接线及布置

由于7支路方案的支路数和槽数比4支路方案多，导致定子线棒、汇流环铜环连接线数量亦多，占用定子端部空间较大、结构复杂，端部温升较高，对端部绝缘和端部电晕影响较大，降低了可靠性，不利于机组长期安全、稳定运行。

5）中性点外部接线及布置

由于7支路方案的中性点引出线数量比4支路方案多，使得中性点外部接线、导体布置、电流互感器及继电保护配置等均较4支路方案复杂，不利于机组的安装、检修和运行维护

经上述技术分析后，从经济方面看，由于7支路方案定子槽数多、线棒多、铁心长，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单台发电电动机的重量降低，经济效益比较可观。

通过7支路与4支路方案的比较，可以看出4支路方案的优点如下：

（1）槽电流合理，电磁参数较好， 电机材料利用率提高；

（2）定子铁芯长度缩短，结构更为合理；

（3）直轴超瞬变电抗 Xd” 提高， 使得短路电流减小；

（4）线棒数量少， 高宽比合理， 齿距大， 工艺性好；

（5）定子中性点引 出线及主引 出线等接线简单， 主保护方案及CT 配置简单。

鉴于以上优点，使得机组的稳定性提高、有利于现场施工安装质量的提高和检修、维护方便。

荒沟项目发电电动机定子绕组采用4支路对称绕组型式。这是国内抽水蓄能机组首次采用该型式，该应用案例在世界范围内也很少见。技术国产化的应用、制造工艺水平的提升以及厂家对4支路方案的不断深化研究，4支路方案在技术上已经成熟，达到可以推广应用的条件，必将为后续类似项目机组的选型提供新的解决方案，促进国内抽蓄事业的发展。

2 具体实施思路和做法

强化本质安全，抽水蓄能电站电站建设的核心在机组长期安全稳定运行，牡丹江公司始终以提升本质安全为目标，提前预判，提前布局，提前行动，这“三个提前”，大大增加了电站的本质安全水平，为后续工作奠定了坚实基础。

发电发动机，是抽水蓄能电站的核心，其安全性能事关重大。荒沟电站采用4支路技术，这在国内尚属首次。此项技术的应用有利于控制成本，减少风险点，但是，新技术的应用有难度、有机遇，不确定因素多。“设备健康”是牡丹江公司建设本质安全型企业的重要一环，既敢于“吃螃蟹”，又要保证吃的过程“零风险”，这是牡丹江公司坚定不移的追求。

荒沟抽水蓄能电站4台单机容量为30万千瓦的机组，没有采用传统的定子绕组7支路技术，而是采用了4支路技术，这在国内尚属首次。牡丹江公司从源头控制，筑起一道道安全关口。他们从招标开始，就对机组的安全指标提出了很高的要求，以国家能源局、国网公司和新源公司的反措为抓手，吸取近年来典型事故经验教训，要求制造厂在设计制造阶段严格落实反措实施方案，同时要求每次联络会均需对反措实施情况进行专题讨论，及时更新反措文件，动态調整反措实施条款，狠抓过程管理，强化水电设备、设施的全寿命管理，切实保证设备制造质量，保证机组本质安全落实到实处。这是第一次在机组设计制造阶段系统地落实反措要求，必将扭转运行阶段不断整改的被动局面。

关口前移的好处显而易见。目前，它已对荒沟电站建设项目所有子项实现全覆盖，它的效能将随着时间的流逝日益显现，荒沟电站建成后必将成为成功的典范。

3 效果及展望

荒沟抽水蓄能电站机组由7支路改为4支路后，避免了7支路方案的不足，使得机组的技术参数更加合理、稳定性提高，有利于现场施工安装质量的提高和检修、维护方便降低了造价。除此之外，更重要的是4支路绕组的研究成果不仅可以应用于428.6r/min抽水蓄能电机，而且可以用于多种转速抽水蓄能电机以及常规水轮发电机。技术发展以及未来市场开发来说，具有重要意义。

[责任编辑：朱丽娜]