桐柏抽水蓄能电站电气设备的特点和一次设备的选择

135桐柏抽水蓄能电站电气设备的特点和一次设备的选择来国栋浙江省电力建设总公司桐柏项目部摘要：根据大型抽水蓄能电站电气特点和对一次设备的选择要求，对桐柏抽水蓄能电站的主接线和可逆式抽水蓄能机组的转速、机端电压、最大容量和额定功率因数、槽电流以及电动发电机的起动与换相接线方式的选择进行介绍。关键词：蓄能电站桐柏工程电气特点设备选择1桐柏抽水蓄能电站概况桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县境内，距天台县城7km，离杭州150km，交通便利。它利用已建成的常规桐柏水电站（装机2×4MW）的水库作为上库，下水库位于百丈溪中游。主厂房采用地下厂房，为一座日调节的纯抽水蓄能电站，装机4×300MW，额定水头244m，转速300r/min。最高扬程为288.71m，最小扬程为237.0m。日发电量为600万kW·h，日抽水电量797万kW·h,年发电量21.18亿kW·h；年抽水电量28.13亿kW·h。选用三相主轴半伞式可逆式抽水蓄能机组。500kV侧主接线采用内桥接线(见图1),每台发电机组连接一台主变,4台发电机组成二个扩大单元；电动机启动采用变频电源启动或同步启动方式；电站按“无人值班,少人值守”进行设计即实现计算机监控,电站接入系统采用双回500kV输电线送至距桐柏电站约100km的诸暨变电所。机组在发电工况的效率为:大于或等于97.7%在水泵电动机工况的效率为:大于或等于98.4%2可逆式水泵水轮发电电动机组的特点及参数选择要求可逆式水泵水轮机组即将水轮机和水泵合为一体,发电机和电动机合为一体,具有正反方向运行的功能。抽水蓄能电站的效率随水头的增大而明显提高，采用混流可逆式效率为最大。发电电动机的运行特点是由它的正反可逆运行决定的。实现可逆机组双向运行,在电气上唯一的要求就是改变其相序（当然对机组的制造会提出更高的技术和工艺要求），因此要求在电气主接线和开关选择上必须进行专门的考虑。同时由于需双向运行，对定子结构有其特别的要求。由于运输的问题，常规大型水轮机发电机组常采用分瓣定子到现场组装成整体的方式，增加了合缝间的焊接，降低了定子的整体刚度,这在单向运行机组不会出现问题。而大型抽水蓄能水轮发电机组就不能采用分瓣定子进行组装，这是因为抽水蓄能机组起停相当频繁,且工况转换相当迅速，频繁地进行启停和工况转换，电机内部温度变化会相当剧烈，对定子的刚度有很高的要求。定子分瓣焊接不能保证定子的整体刚度，因此，要求采用整体定子,实行无合缝装配。即在现场焊接、叠片、下线，以加强电机定子的整体性，增大定子的刚度。还应解决定子线棒在槽中的固定问题，当机组频繁起停及正反方向运行时，会产生热变，致使定子线棒在槽中不断的热胀冷缩而产生微小的松动，影响机组运行。目前，国际上大型的制造厂商对抽水蓄能机组定子线棒的固定采取了不同的方法，有的采用波浪形的新型半导体垫条，有的改进定子线棒的固定方式。由于抽水蓄能机组不但在电网中担任削峰填谷的调峰任务,还担任调频、调相、进相的各种工况机组运行,桐柏抽水蓄能电站对机组转换的要求为：静止和发电、静止和抽水、静止和调相（发电运行时）、静止和调相（水泵运行时）、发电和抽水、发电和发电调相、发电和抽水调相、抽水和抽水调相、抽水和发电调相的工况转换，以及进相运行。136抽水蓄能发电机组参数的选择与水轮机的选择密切相关，其关系主要是由公式f=60np和每槽线电流的限制而定的，以下就桐柏抽水蓄能电站的电机参数选择进行讨论。2.1抽水蓄能机组转速的选择桐柏抽水蓄能电站按其水头要求及减轻机组重量、降低造价、缩小厂房的开挖等因素产生3个转速比较方案：250r/min，272.7r/min和300r/min。经过比较选择，250r/min的制造水平偏低即机组重量增加，成本提高。用272.7r/min时则定子变成了分数槽数，这对电机的设计制造不是很有利，连线麻烦。最后选定了300r/min。从目前国际制造水平看，在200m～300m水头段采用300r/min是属较为先进的机组，但有可能存在一定的不稳定风险。经水力机械比较计算，300r/min转速有许多优势。考虑到有不稳定的风险，将原设计水头239m,提高到244m,以避开S不稳定区，但对发电电动机组是否合适有待进一步比较。发电电动电机转速的选择直接影响到机组额定电压、并联支路数、槽电流和冷却方式的确定等问题。2.2发电电动机额定电压的选择发电电动机额定电压的选择是技术经济的一个主要参数。其选择除按国家标准GB156(额定电压)中的规定外，还应遵照行业标准SD152-87的规定。根据不同额定容量，经制造厂结合经济比较，可能选用电压等级如下：6.3kV,10.5kV,13.8kV,15.75kV,18kV。根据额定电压的选取应考虑的因素：发电机断路器的开断能力；发电机母线；主变压器的低压绕组；厂用电负荷的供电以及抽水蓄能机组的容量选择（一般是以水能的合理利用为前提的），并按配电设备的投资，运行费用等因素考虑。桐柏抽水蓄能电站选取的发电机额定容量根据水能的合理利用，选为333.333MVA。据此，合理的发电电压选取见下图范围。SN(MVA)UN(KV)30272523201815.751513.810.5106.353.151000900800700600500400300200100908070605040302010从图中可以看出，额定电压的选取范围为13.8kV、15.75kV、18kV和20kV。一般情况下,若发电机电磁负荷取值合适，额定电压选择低，电机制造消耗的绝缘材料小，但铜线增加，发电机开关的折断电流容量提高，发电机与主变联接母线增大,造成了发电电压等设备价格上升。按国外已投产机组转速和容量的关系，在额定转速为300r/min，容量为333.4MVA时，发电机电压UN为15.75kV、18kV和20kV。按UN＝15.75kV计算，IN=12219A；按UN＝18kV计算,IN=10692A，这是一个比较理想的数值。而采用UN＝20kV时，电机的绝缘要求大大提高，防晕措施增加，增加了电机的制造难度。桐柏抽水蓄能机组最终选择的发电机额定电压为18kV。2.3最大容量和最大容量时功率因数的选择可逆机组的容量分成两个参数即发电机的容量和电动机轴功率,其反应了发电工况和抽水工况137下的负荷能力。发电电动机的发电容量应与水泵水轮机的额定出力相匹配,即PGN=PTNηGNPTN:水泵水轮机在水轮机工况时的额定出力ηGN:发电机的额定效率PGN:发电电动机在发电时的有功功率发电电动机在电动机运行时的轴功率和水泵水轮机水泵工况下的输入功率应相匹配，即PMN≥PPNPMN:电动机输出的轴功率PPN:水泵水轮机的输入轴功率SGN=PGN/COSφGN≥GNGNTNCOSPφη→发电的视在功率SMN=PMN/[(COSφMN)(ηMN)]≥MNMNTNCOSPηφ→电动机工况容量可逆机组的设计容量SNSN=max{SGN,SMN}设计中尽可能满足：SGN=SMN即GNGNTNCOSPφη=MNMNPNCOSPφη电动发电机的效率在两种工况下可以认为是相等的。ηGN=ηMN发电电动机的额定功率因素在发电状态下应略低于电动机状态，因为在发电机状态下COSφGN小，说明发电电动机向电网提供无功多，而在电动机状态下COSφMN略大些，因为在电动机状态下都是电网有功富裕时，电网无功功率的需求不是很大。取COSφMN大些可以减少抽水情况下的电机设计容量。一般设计考虑:COSφGN取0.9～0.95COSφMN取1在这样的情况下一般可以满足：SGN=SMN桐柏机组经水能计算，水轮机单机超出力为332.5MW，4台机组连续运行2.83小时或3台机连续运行3.77小时。根据原水电部部颁标准SD152-87规定，水轮机在额定情况下(UN,PN,COSφN)，应能在115%额定容量下连续安全运行，即发电机的过载不能超过15%额定容量。对于桐柏机组其过负荷容量若按超15%计算:SMAX=300×1.15÷COSφCOSφ取0.95=300×1.15÷0.95=363.16MVA若按此选取,过载倍数为:363.16÷333.3=1.08倍若COSφ取0.9则SMAX=300×1.15÷0.9=383.33此时过载倍数为383.33÷333.33=1.15倍这对机组最大容量选择过高,不能与其他设备的选型机配合。138若最大容量按350MVA，COSφ取0.9计算，超负荷5%，此时超负荷能力偏小。因此在最大容量为350MVA时的COSφ不能与额定负荷时的COSφGN＝0.9相同考虑。当COSφ取0.95时300350×0.95=1.1083即此时超负荷为10.83%是较为合理的。其实最大容量350MVA，也是按超负荷为10.83%选取的。SMAX=300÷COSφN×1.1083=350MVA。若按超负荷为15%选取，SMAX=300÷COSφN×1.15=383.3MVA，这样对主变压器的选择带来困难，因为正常运行功率与主变压器的额定功率相差过大。2.4槽电流和并联支路数的选择在一定的绝缘及耐热等级下，槽电流的选择与发电机容量、电压、并联支路数及绕组型式有关:过小的槽电流说明发电机定子的有效材料的利用率低、经济性差。槽电流太大,铜损及附加损耗增加(如漏磁通增大)从而使槽绝缘温差增大,另外,线圈截面增大,制造工艺更为复杂。槽电流与槽数、电负荷的关系可以用以下算式表示:IS=ZAsDjπ其中，IS：槽电流(A)Dj：为定子铁芯内径AS：为电负荷(A/cm)Z：为定子槽数F级绝缘的空冷机组，当通风设计合理时，IS可超过6000A达到7000A。针对桐柏300MW空冷水轮发电机组，当额定电压在15.75kV～18kV时，日本富士公司认为合理的槽电流选值范围为4400～6600A，而日本东芝公司则认为可以取到7000A左右,西门子公司则限制在7000A左右，阿尔斯通认为可取值范围为4000～8000A。可见由于各制造厂家的技术工艺上的不同,取得的最大槽电流也是不同的。桐柏机组的额定容量SN=300÷0.90=333.33MVA时IN=333.33÷(18×3)=10692A桐柏机组的最大容量Smax=350MVA时Imax=350÷(18×3)=11227A作为二支路的电流显然是偏大，都超过厂家提出的范围。若按三并联支路时IN=7128A，Imax=7485A；若按四并联支路时IN=5346A，Imax=5613A；若按五并联支路时IN=4277A，Imax=4491A。桐柏机组最终槽电流在6000A左右，并联支路选四最为合理。3主接线的选择抽水蓄能电站一般处于或靠近负荷中心,主接线没有穿越功率,不会作为枢纽变电站来考虑。其出线的回路数较少,一般为1～2回,而且从节约投资考虑，主接线一般采用较为简单的接线方式。发电机与主变的连接一般采用单元联结和扩大单元联结。主接线也采用单母、单母分段、桥接线和四边形接线。3.1桐柏电站在电力系统中的地位、作用及输入方式桐柏电站是一座日调节纯抽水蓄能电站,可以承担如下运行:（1）发电调峰：高峰容量为1200MW，且能保持2～3h。平均日发电量600万kW·h，每天发电工况运行10～11h。（2）填谷:电网低谷时抽水容量1200MW,平均每天抽水8h，日填谷电量797万kW·h。139（3）调频（4）调相及进相（5）紧急事故备用根据华东电网规划，桐柏电站以500kV一级电压接入系统，出线二回与诸暨变电所联接，输电线长约90km。3.2500kV侧电气主接线选择1）主接线选择主要原则：a.接线可靠性：任一断路器或进、出线检修不应影响系统供电；任一单元故障允许切断全厂1/2或允许切除全厂容量瞬时停止供电，切换故障设备且隔离后再恢复供电；任一断路器检修时，任一进线或出线回路故障引起断路器跳闸，其切除故障容量为全厂容量的1/2。b.接线经济性：投资省，耗能低。c.运行特性：适应抽水蓄能电站运行方式多且变化频繁特点，改变运行方式时操作简单，灵活多变。d.布置简单紧凑，减少地下厂房开挖。e.满足分期投运要