响水涧发电电动机选型计算与性能分析

刘新天，乔照威

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇境内，距繁昌县城约25 km，距芜湖市约45 km。安装4台250 MW可逆式水泵水轮发电机组。为保证响水涧发电电动机各项性能指标，本文主要从电磁方案的选型和主要性能的分析计算出发，对该发电电动机的参数选择的合理性和主要电磁性能指标进行分析。

1 方案选择与主要电磁参数

1.1 额定值

响水涧发电电动机需按以下基本参数进行方案选型计算。

发电工况额定容量/功率：277.8 MVA/250 MW

电动工况额定功率(轴输出)：277.15 MW

发电工况额定功率因数：0.9(滞后)

电动工况额定功率因数：0.98(吸收有功，发送感性无功)

额定电压：15.75 kV

额定频率：50 Hz

相数：3

额定转速：250 r/min

飞逸转速：375 r/min

GD2：14 000 t·m2

1.2 方案选择

1.2.1 主要尺寸确定

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[1-4]：

(1) 电负荷和磁负荷应在合理的取值范围内，并使Xd′、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GD2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。

铁心内径和长度与额定容量及额定转速有下述关系：

式中：SN为额定容量，kVA；Di为铁心内径，m；lt为铁心长度，m；nN为额定转速，r/min；C为利用系数，kVA·m3·r/min；K为常数，K=1.35×10-6；A为定子电负荷，A/cm；Bδ为气隙磁密，T。

综合考虑，响水涧发电电动机的定子铁心内径为7 500 mm，铁心长度为2 350 mm。

1.2.2 支路数与槽电流

对于24个磁极的发电电动机，为满足绕组完全对称的条件，可选的支路数包括1、2、3、4、6、8、12、24，发电电动机额定功率为250 MW，额定电压为15.75 kV，对应不同支路数时的支路电流与槽电流见表1。

表1 不同支路数对应的支路电流与槽电流

对于250 MW的发电电动机，槽电流最好控制在4 000～6 000 A左右，因此，最优的支路数为4，此时槽电流为5 091 A。

1.2.3 电负荷与定子槽数的选择

电负荷A是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，其表达式为：

C=K·A·Bδ(kVA·m3·r/min)

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。在定子铁心内径确定的前提下，选择不同的槽数可决定不同的A值， 电机定子槽数与电负荷的对

应关系见表2。

表2 定子槽数与电负荷对应关系

对于250 MW等级的发电电动机，电负荷一般选取在700～800 A/cm左右，可以获得合理的利用系数。另外，从控制热负荷、运行稳定域宽考虑，选择360槽方案是比较适宜的。

1.3 主要电磁参数

发电电动机主要电磁设计参数见表3。

表3 主要电磁设计参数

2 主要性能指标

2.1 电压波形畸变系数分析计算

应用运动网格时变电磁场有限元对响水涧发电机的空载线电压全谐波进行计算，结果如下。

空载线电压全谐波因数：0.993%。

空载磁场分布如图1所示。

图1 空载磁场分布

2.2 阻尼绕组稳态和瞬态特性分析计算

应用专用软件程序对响水涧发电电动机的阻尼系统进行全面分析计算。分析计算表明，对应额定容量长期不对称负荷运行工况，当负序电流的标么值为9%时，阻尼绕组的最高温升和温度值分别为47.2 K和100.2 ℃。

在长期不对称负荷和突然不对称短路工况下，响水涧发电电动机的阻尼绕组温升计算值在运行实践和经验范围内，并具有一定的裕度，满足安全可靠运行要求。

2.3 定子线棒特殊换位分析计算

通常发电电动机有3种换位方式：360°换位、不完全换位和空换位。为使定子绕组中环流引起的热损耗和发热量最小，以减小股线在槽部漏磁场中不同位置产生环流引起的附加损耗和股线间温差，应用电磁场有限元程序对不同的换位方式进行分析，计算集肤效应和电流密度的变化。结果表明，定子线棒采用的最佳换位方式为313.33°不完全换位。

2.4 发电机误同期并网分析计算

应用仿真软件程序对发电电动机120°误同期并网时的U.V.W三相电流及电磁转矩瞬态过程进行全面分析，计算发电电动机和水轮机机械系统及饱和的影响，以求计算结果更准确。计算结果见表4及图2。

表4 误同期并网计算结果

图2 误同期最大力矩随时间变化曲线(横坐标为时间t/s，纵坐标为力矩标幺值Te/p.u.)

2.5 定子绕组端部电动力分析计算

发电电动机发生短路故障工况时，定子电流激增，定子绕组端部受到电动冲击力，严重时致使绕组变形，对绝缘产生破坏[5]。应用计算软件对6种工况的定子绕组端部电动力进行分析计算，详见表5。从表5可知，120°误同期工况定子绕组端部承受的电动力最大。端部固定结构据此进行设计和核算，以满足机组安全可靠稳定运行要求。

表5 定子绕组端部电动力计算结果 单位：N

2.6 短路电流分析计算

应用专用计算软件对发电电动机突然短路电流进行计算，同时考虑参数饱和的影响。额定容量对应短路电流各分量在不同时刻的计算值见表6及图3。

表6 额定容量对应短路电流分量计算值 单位：kA

2.7 静止变频器(SFC)起动仿真计算

应用专用计算软件对发电电动机进行静止变频器(SFC)起动仿真计算，发电电动机励磁电流为1.0(p.u.)，励磁控制方式为恒励磁电流调节方式。起动过程为压水起动，计算中考虑了各种损耗对电机产生的阻力矩，包括水轮机的水导轴承损耗、推力轴承损耗、主轴密封损耗、转轮在空气中旋转的损耗、发电机的上导轴承损耗、下导轴承损耗、推力轴承损耗、通风损耗、铁心损耗、定转子绕组铜耗及杂散损耗等等[6]。另外，静止变频器的容量为18 MW。计算结果，电机的加速时间为210 s左右，即机组从静止状态加速到额定转速的时间(不包括同步并网的时间)见图4。

图3 三相突然短路电流随时间变化曲线(横坐标为时间t/s，纵坐标为电流标幺值Ia/p.u.)

图4 转速随时间变化曲线(横坐标为时间t/s，纵坐标为转速标幺值n/p.u.)

2.8 背靠背起动仿真计算

应用专用计算软件对发电电动机进行背靠背起动仿真计算，发电机和电动机励磁电流分别给定1.0(p.u.)，励磁控制方式为恒励磁电流调节方式。所分析的起动过程为压水起动，计算中考虑了各种损耗对电机产生的阻力矩，包括发电机的上导轴承、下导轴承、水导轴承及推力轴承的损耗等等[7]。另外，起动过程中水轮机的输入转矩给定22%Tn。电机的加速时间为104 s左右，即机组从静止状态加速到额定转速的时间(不包括同步并网的时间)见图5。

3 结论

通过发电电动机的容量、电压、支路数及槽电流等参数的合理选择和匹配，表明响水涧发电电动机的计算结果完全在设计制造运行经验范围内。通过对电机相关电气特性进行全面的分析和计算，响水涧发电电动机能够真正实现技术一流、运行安全可靠、稳定域宽、功率裕度大、易于调节、维护检修和操作的综合目标。目前4台均已发电，运行良好。

图5 转速随时间变化曲线(横坐标为时间t/s，纵坐标为转速标幺值n/p.u.)