抽水蓄能机组定子支路数应用与研究

李言龙

摘 要：针对常规抽水蓄能电站300 MW、14级发电电动机定子绕组支路数的选择及其相关问题，国内多家主机设备厂商进行了深入的研究，并达成共识，认为发电电动机定子绕组采用“4支路方案”比采用“7支路方案”在技术、经济和环保等方面的优势更加突出。以往担心的发电电动机定子绕组采用“4支路方案”所带来的环流和谐波振动问题，随着科学技术的飞速发展和蓄能机组研发、设计、制造水平的不断提升，已被有效控制或完全消除。可以说，发电电动机定子绕组采用“4支路方案”的条件已基本成熟。

关键词：发电机；4支路方案；主机设备厂；磁极

中图分类号：TV734.2 文獻标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.036

通常情况下，水轮发电机定子三相绕组是按照电磁和物理上完全对称的原理设计的。也就是U、V、W三相绕组在电相位上互相差120°，物理上也将其称为一定的机械角度对称均布。而在同相的各个支路上，相互间的电相位角度为0，相互间电压差为0.据此基本原则可知，定子绕组的每相支路数必须为发电机磁极数的质数，才能达到各支路对称或平衡的要求。在实际工程设计中，受“支路数必须为磁极数质数”的限制，支路数决定了定子的槽电流，槽电流又基本决定了发电机的电抗、效率、绕组运行温度等重要参数。因此，在某些具体条件下，遵循对称原则，支路数选择受限，选定的支路数会使定子槽的电流偏大或偏小，使得发电机电磁设计非常困难或者设计出的发电机综合参数极不协调。这就是按照传统设计理念选择定子绕组支路数时的局限性所致。

近几年来，随着科学技术的飞速发展，大型主机设备制造厂商在技术研发、设计、工艺水平、加工制造能力等方面有了很大的提高，尤其在14极电机定子绕组支路数优化选择的研究上，有了突破性的进展。主机设备制造厂商对于额定转速为428.6 r/min、14极发电电动机定子绕组支路数方案，均推荐采用4支路，而推荐的4支路又分为“不对称”和“完全对称”2种，且已有设计、制造和运行业绩。

1 工程定子绕选择4支路的必要性

定子绕组支路数方案的选择与电机磁极数密切相关，而电机磁极数取决于机组的额定频率和额定转速。在选择发电电动机额定转速时，除了要考虑发电电动机的额定电压、额定功率因数、定子绕组的并联支路数、合理的槽电流和冷却方式等设计制造的合理性和可行性外，还必须得适应水泵水轮机的额定转速和参数的选择。

根据常规抽水蓄能300 MW，转子磁极14级的机组额定转速为428.6 rpm的特点，发电电动机定子绕组采用对称4支路或者不对称4支路均可提高电机材料的利用率。电机综合参数设计合理，能够解决转速与支路数不匹配的问题，消除支路间不平衡电压导致环流和谐波分量过高对机组温升和振动等的影响。从国内各主机厂的调研情况来看，它们都趋向于选择4支路方案。

2 方案比较

2.1 技术比较

在实际工作中，工作人员对比、分析了各主机设备制造厂商设计的发电电动机定子绕组7支路和4支路方案，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，具体比较情况如下。

2.1.1 Xd"

超瞬态电抗Xd"值直接影响着电站各电压回路短路电流，还可能会影响设备的选择，它与发电机电压回路设备有密切的关系。从各厂商（除个别厂商外）提供的Xd"范围中不难看出，7支路方案的Xd"值在0.16～0.17之间，4支路方案的Xd"值在0.2左右。Xd"值选在0.2左右比较合适。如果刻意提高7支路方案的Xd"值，则需要在原方案的基础上采取增加定子槽数等多项措施来实现。这样做，势必会出现电机设计不合理的情况，进而增加制造成本。

2.1.2 定子槽数

同一厂商7支路方案的定子槽数远多于4支路方案，相比多出33%～75%不等。由此可见，7支路方案的槽利用率比较低，结构比较复杂。

2.1.3 定子铁心长度

同一厂商7支路方案的定子铁心长度均长于4支路方案，相比长出6%～16%不等。由此可见，7支路方案的定子铁心利用率比较低，不利于通风散热。

2.1.4 内部接线及其布置

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也多，占用定子端部的空间比较大。结构复杂，端部温升比较高，对端部绝缘和端部电晕影响比较大，降低了接线的可靠性，不利于机组长期安全、稳定运行。

2.1.5 中性点外部接线及其布置

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、电流互感器和继电保护配置等都比4支路方案复杂。7支路方案不利于机组的安装、检修和运行维护。

2.2 经济比较

综上所述，7支路方案定子槽数多、线棒多、铁心长，所以，有效材料的利用率自然低，质量必然高。由同一厂商4支路、7支路方案的有效材料利用率和单台发电电动机的质量可知，虽然它们的相差幅度不尽相同，但规律一致。单台发电电动机质量最小差为13 t，最大差为190 t，有3家差50 t以上。4台机总质量差在52～760 t之间，经济效益比较可观。

3 结论

经过与主机设备制造厂商的深入交流和对本工程4支路、7支路方案的分析、研究，可以得出以下结论：①发电电动机定子绕组采用4支路或7支路方案都是可行的。②4支路方案比7支路方案在技术性和经济性方面更加合理。③各厂商的设计特点不同，但4支路方案的技术已经成熟，能有效控制或避免不对称支路的环流和谐波。④“不对称”支路方案的设计供货业绩不断增多，4支路方案有彻底取代7支路方案的趋势。⑤无论是电机设计制造的技术水平、业绩、招标时机，还是采购模式，采用4支路方案占有较大优势。⑥发电电动机定子绕组接线采用“4支路方案”和“7支路方案”理论上都是可行的。随着主机设备厂商生产能力、业绩的不断成熟，采用“4支路方案”是主流发展方向。

〔编辑：白洁〕