[科普中国]-抽水蓄能发电电动机

特点

现在在抽水蓄能电站中应用最多的是与可逆式水泵水轮机配套的可逆式电动发电机，这种电动发电机和常规水轮发电机相比，有以下不同的特点:

1、双向旋转

由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵运行时的旋转方向是相反的，因此电动发电机也需相应地双向运转。为实现同步电机双向运转，在电气上要求电源相序能够转换，这在电气主接线和开关设备的选择上可以实现;电机本身如作双向旋转则要求通风冷却和轴承都能适应双向工作。至于组合式水泵水轮机，因其作水轮机和水泵运行时旋转方向不变，故与之配合的电动发电机与常规发电机相差不多。

2、频繁起停

抽水蓄能电站在电力系统中起填谷调峰的作用，一般每天至少要起停2次，有的蓄能电站则要求起停更为频繁，同时还籍经常作调频、调相运行，工况的调整也很频繁。蓄能机组要求能迅速增减负荷，大型机组要求有每秒钟变动10MW负荷的能力。从空载到满负荷以及从抽水直接转换到发电运行，也都要求在很短时间内完成。电动发电机处于这样频繁变化的运行条件下，其内部温度变化自然十分剧烈，电机绕组将产生更大的温度应力和变形，也可能由于温度差在电机内部结膝而影响绝缘。英国狄诺威克抽水蓄能电站是近年建设的蓄能电站中起停操作要求很高的一个实例，设计每天要起停40次。

3、需有专门起动措施

由于转向相反。电动发电机作电动机运行时不能像作发电机那样利用水泵水轮机起动，必须采用专门的起动方法。为此在采用异步起动方法时需在转子上装设起动用阻尼绕组或使用实芯磁极，当采用其他起动方法时均需增加专门的电气设备和相应的电站接线。这些措施都增加设备造价，并使操作复杂。/4、过渡过程复杂

抽水蓄能机组在工况转换过程中要经历各种复杂的水力、机械和电气瞬态过程。在这些瞬态过程中将发生比常规水轮发电机组大得多的受力和振动，对于整个电机设计都提出更严格的要求。1

主要参数发电电动机的设计应满足以下三方面的参数:

(1)水力机械条件:有功功率;转速(单转速、双转速);飞逸转速;旋转方向(单向、双向):转动惯量要求;安装条件。

(2)电力系统条件:视在功率;功率因数;稳定性要求;瞬态电抗X'd;次瞬态电抗X’’d;运行方式〔工况转换次数及间隔);调相运行要求;负荷频率控制(LFC);启动功率;允许的电压降;可用率要求。

(3)电机设计要求:电压等级;允许温升;绝缘等级要求;尺寸(空间)的限制;设计标准。2

结构发电电动机的结构方式和常规水轮发电机是相近的。早期使用的卧式组合式蓄能机组配有横轴的电动发电机，有名的一个实例是1964年在卢森堡投产的维也丹(Viander)卧式蓄能机组，其最大功率为115MVA。但近年的抽水蓄能机组更多地使用立式结构。

立式电机按推力轴承的位置可分为悬式和伞式两大类。推力轴承装在转子上方的称为悬式;装在转子下方的称为伞式;如转子上方还有一个导轴承的称为半伞式，如无此轴承的称为全伞式。现在抽水蓄能机组对于额定转速高于400-500r/min的多用悬式结构，而低于此转速的多数用半伞式或全伞式结构。

伞式机组的推力轴承可连同下导轴承装在电机的下机架上;另外为减小机组高度，也有的推力轴承装在水泵水轮机顶盖上。从结构的高度来看，悬式机组最大，半伞式其次，全伞式最小。悬式电机的总高度虽然最大，但其稳定性较好，推力轴承处于电机的顶部，此处轴已不传递任何扭矩，故轴径可比主轴径小些，这样可以减少轴承能量损耗。右图1表示典型悬式电动发电机的主要部件，右图2为不同结构的电动发电机高度的相对比较。

1、转子

电动发电机的转子和常规发电机是相像的，由转子支架、磁扼和磁极三部分组成。转子

支架的作用是为固定磁扼并在磁极与主轴之间传递扭矩;磁扼是电机磁路的组成部分;磁极上装有磁极绕组和阻尼绕组。

转子支架包括轮毅和轮辐。常规的轮毅是整体铸造的，运到现场与主轴热套成一体。轮辐有臂式和圆盘式两种结构形式。圆盘式支架一般运至现场后拼焊成整体，可逆式机组的旋转方向是双向的，不能装设常规的风扇叶片，故圆盘式轮辐要设计成合适的形状，可以在双向起扇风作用，臂式轮辐通常为装配式的。

2、转动部分

抽水蓄能机组的电机转子为适应高转速的要求(额定转速为500r/min的机组在飞逸时转速可能达到725 r/min),应该结构紧凑，在满足转动惯量的条件下具有最小的尺寸。在高速电机上现在开始使用实心轮幅，已不再豁要轮毅，而是由几段有较大厚度的环形轮幅通过长照栓连成整体，再与上下两根主轴联接。这样大大增强了转子体的整体性，更能防止转速快速变化时可能产生的变形。水电机组现在均使用刚性轴系，整个转动部分的固有频率应在第一临界转速之下一定的安全范围内。在满足水泵水轮机和电动发电机的结构要求下，轴承间的距离应缩至最小。在电机转子的上方装设一个导轴承对减轻机组振动是很有效的。

3、定子

定子机架是由钢板和型材焊接的结构，定子机架主要用于固定定子铁心，并将上机架所传来的下推力传到机墩上。定子机架必须要有相当的刚性，能够承受电磁力和热作用力，防止定子铁心出现过量的变形。在定子机架的下面经常放一块很厚实的底环，这样可以有效地减轻电气娜路时对于基础混凝土的剪切应力。

和常规水轮发电机一样，中大型电动发电机的定子都是分瓣运输到现场再组装成整体。一般情况下，定子铁心在工厂叠积井下好大部分线棒，只留下接合部分的线棒在工地上装配并焊接。电动发电机的运行条件恶劣，温度变化剧烈而频繁，为加强定子的整体性，增大定子刚度，近来常采取在现场叠积铁心和下线的工艺，实行无合缝装配。1

4、推力轴承

同步电机(发电机或电动机)本身是可以向两个方向旋转的，同步电机本身完全适合抽水蓄能机组的需要，只有在推力轴承和风扇的设计上需作些特殊考虑。

推力轴承是支持立式电机和水泵水轮机转动部分和水推力的关键部件，由镜面推力头和推力轴瓦组成。常规水轮机的推力轴瓦是偏心支撑的，机组旋转以后轴瓦倾斜，在镜面板和轴瓦之间形成油楔而产生润滑作用。但可逆电机需要双向旋转，推力瓦只能做成对称支撑，故一般油膜较薄，润滑性能差，摩擦损耗大且散热困难，所以设计上要用比常规自调整式轴瓦数目多一倍的轴瓦。

可逆式电动发电机因为运行条件变化特别频繁，推力轴承(包括导轴承)的设计也要求比常规发电机更为严格。

5、通风冷却系统

（1）滋轭径向通风和强制通风冷却

电动发电机或利用转子本身的扇风作用，或靠做成适当形状的转子支臂和磁轭来起扇风作用，将冷空气从转子两端吸入，沿转子磁轭的通风槽在离心力的作用下通过磁极的空间来冷却励磁绕组和定子线圈及铁心，热空气经定子外部冷却器冷却后循环流通。

当高速机组转子的高度达到一定程度后，径向通风已不能保证沿铁心高度方向均匀冷却，有的电机在转子磁轭高度的中部留出1或2个间隔(相当于1个特别宽的通风槽)，其中安放通风叶片，用以加强中段的散热。

（2）直接水冷却

对于大容量电机，为进一步加强水冷却的效果，可以将电机绕组做成空心的，使冷却水从中通过将热量带走。如果定子绕组使用水冷而转子绕组仍为风冷称为半水内冷;如果定子和转子绕组都为水冷则称为全水内冷，或双水内冷。

在汽轮发电机上使用过双水内冷结构，但水内冷的工艺要求很高，水轮发电机的线棒数目比汽轮发电机更多，因此有大量复杂的接头，运行时发生漏水的可能性增加。为保证运行的可靠性，在水电机组上多数场合只使用半水内冷，即只用水冷却定子绕组，转子绕组仍用空气冷却。用水冷却方式还牵涉到复杂的水处理过程，这种设备在电站厂房内要占不小空间。

（3）蒸发冷却系统

蒸发冷却是采用氟里昂或其他沸点低的特种液体作为内冷介质，利用其蒸发热带走电机绕组热量，保持绕组温度在低温沸点附近，蒸发后的气体再经水冷却后回复为液态返回循环。由于这种介质是绝缘的，少量渗漏不会影响电机的安全运行，故能提高电机的运行率(可用率)。1

起动方式为使电动发电机作电动机运行时起动电流不致过大，并对电网不产生过大扰动，必须采用专门的电气设备及操作方法。常用的电气起动方法大致有5种:同轴电动机起动;异步起动;同步(背靠背)起动;半同步起动;变频起动等。各种起动方法的典型转矩一转速特性。除全电压异步起动方法外，其他起动方法均需水泵水轮机同时充气压水，以减少起动转矩。2

制动方式抽水蓄能机组是电力系统中最具灵活性的调节设备，要求能最快地从一种工况转入另一种工况。蓄能机组在从发电尽抽水工况停机时，由于转动部分的惯性很大，要很长时间才能停下来，这就延迟了转入另一工况或进入备用状态的时间。

电气制动可以有效地缩短机组减速的时间，使用电气制动由额定转速降到零转速的时间比自由减速最后加机械制动所需时间的一半还少。

电气制动又称为动力制动。常用的操作方式是在机组转速降到50%时加电气制动，到5%转速时投入机械制动。与此相比，如不用电气制动，待转速降到30%时加机械制动，则总时间要长很多。我国近年投产的大型抽水蓄能机组都配备有电气制动功能。

电气制动的方法是在同步电机从电网解列后，把定子绕组直接短路或通过外加电阻短路，此时仍具有励磁的转子就在定子绕组内感应出电流(约为额定电流的1.1倍)而形成负荷，使转子减速。使用电气制动时应防止定子电流超过安全值，因为在降低转速以后电机的散热能力大为削弱，故应保证电机的温升不要过高。如果电机的励磁电流是由励磁机供给的，则需为电气制动设置专用的励磁装置。1