抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)

發(fā)電電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)方式和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)是相近的。早期使用的臥式組合式蓄能機(jī)組配有橫軸的電動(dòng)發(fā)電機(jī)，有名的一個(gè)實(shí)例是1964年在盧森堡投產(chǎn)的維也丹(Viander)臥式蓄能機(jī)組，其最大功率為115MVA。但近年的抽水蓄能機(jī)組更多地使用立式結(jié)構(gòu)。

立式電機(jī)按推力軸承的位置可分為懸式和傘式兩大類。推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上方的稱為懸式;裝在轉(zhuǎn)子下方的稱為傘式;如轉(zhuǎn)子上方還有一個(gè)導(dǎo)軸承的稱為半傘式，如無此軸承的稱為全傘式。抽水蓄能機(jī)組對(duì)于額定轉(zhuǎn)速高于400-500r/min的多用懸式結(jié)構(gòu)，而低于此轉(zhuǎn)速的多數(shù)用半傘式或全傘式結(jié)構(gòu)。

傘式機(jī)組的推力軸承可連同下導(dǎo)軸承裝在電機(jī)的下機(jī)架上;另外為減小機(jī)組高度，也有的推力軸承裝在水泵水輪機(jī)頂蓋上。從結(jié)構(gòu)的高度來看，懸式機(jī)組最大，半傘式其次，全傘式最小。懸式電機(jī)的總高度雖然最大，但其穩(wěn)定性較好，推力軸承處于電機(jī)的頂部，此處軸已不傳遞任何扭矩，故軸徑可比主軸徑小些，這樣可以減少軸承能量損耗。圖1表示典型懸式電動(dòng)發(fā)電機(jī)的主要部件，圖2為不同結(jié)構(gòu)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)高度的相對(duì)比較。

1、轉(zhuǎn)子

電動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和常規(guī)發(fā)電機(jī)是相像的，由轉(zhuǎn)子支架、磁扼和磁極三部分組成。轉(zhuǎn)子

支架的作用是為固定磁扼并在磁極與主軸之間傳遞扭矩;磁扼是電機(jī)磁路的組成部分;磁極上裝有磁極繞組和阻尼繞組。

轉(zhuǎn)子支架包括輪毅和輪輻。常規(guī)的輪毅是整體鑄造的，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)與主軸熱套成一體。輪輻有臂式和圓盤式兩種結(jié)構(gòu)形式。圓盤式支架一般運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后拼焊成整體，可逆式機(jī)組的旋轉(zhuǎn)方向是雙向的，不能裝設(shè)常規(guī)的風(fēng)扇葉片，故圓盤式輪輻要設(shè)計(jì)成合適的形狀，可以在雙向起扇風(fēng)作用，臂式輪輻通常為裝配式的。

2、轉(zhuǎn)動(dòng)部分

抽水蓄能機(jī)組的電機(jī)轉(zhuǎn)子為適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的要求(額定轉(zhuǎn)速為500r/min的機(jī)組在飛逸時(shí)轉(zhuǎn)速可能達(dá)到725 r/min),應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的條件下具有最小的尺寸。在高速電機(jī)上開始使用實(shí)心輪幅，已不再豁要輪毅，而是由幾段有較大厚度的環(huán)形輪幅通過長(zhǎng)照栓連成整體，再與上下兩根主軸聯(lián)接。這樣大大增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子體的整體性，更能防止轉(zhuǎn)速快速變化時(shí)可能產(chǎn)生的變形。水電機(jī)組均使用剛性軸系，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的固有頻率應(yīng)在第一臨界轉(zhuǎn)速之下一定的安全范圍內(nèi)。在滿足水泵水輪機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)要求下，軸承間的距離應(yīng)縮至最小。在電機(jī)轉(zhuǎn)子的上方裝設(shè)一個(gè)導(dǎo)軸承對(duì)減輕機(jī)組振動(dòng)是很有效的。

3、定子

定子機(jī)架是由鋼板和型材焊接的結(jié)構(gòu)，定子機(jī)架主要用于固定定子鐵心，并將上機(jī)架所傳來的下推力傳到機(jī)墩上。定子機(jī)架必須要有相當(dāng)?shù)膭傂?，能夠承受電磁力和熱作用力，防止定子鐵心出現(xiàn)過量的變形。在定子機(jī)架的下面經(jīng)常放一塊很厚實(shí)的底環(huán)，這樣可以有效地減輕電氣娜路時(shí)對(duì)于基礎(chǔ)混凝土的剪切應(yīng)力。

和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)一樣，中大型電動(dòng)發(fā)電機(jī)的定子都是分瓣運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)再組裝成整體。一般情況下，定子鐵心在工廠疊積井下好大部分線棒，只留下接合部分的線棒在工地上裝配并焊接。電動(dòng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件惡劣，溫度變化劇烈而頻繁，為加強(qiáng)定子的整體性，增大定子剛度，近來常采取在現(xiàn)場(chǎng)疊積鐵心和下線的工藝，實(shí)行無合縫裝配。

4、推力軸承

同步電機(jī)(發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī))本身是可以向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的，同步電機(jī)本身完全適合抽水蓄能機(jī)組的需要，只有在推力軸承和風(fēng)扇的設(shè)計(jì)上需作些特殊考慮。

推力軸承是支持立式電機(jī)和水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和水推力的關(guān)鍵部件，由鏡面推力頭和推力軸瓦組成。常規(guī)水輪機(jī)的推力軸瓦是偏心支撐的，機(jī)組旋轉(zhuǎn)以后軸瓦傾斜，在鏡面板和軸瓦之間形成油楔而產(chǎn)生潤(rùn)滑作用。但可逆電機(jī)需要雙向旋轉(zhuǎn)，推力瓦只能做成對(duì)稱支撐，故一般油膜較薄，潤(rùn)滑性能差，摩擦損耗大且散熱困難，所以設(shè)計(jì)上要用比常規(guī)自調(diào)整式軸瓦數(shù)目多一倍的軸瓦。

可逆式電動(dòng)發(fā)電機(jī)因?yàn)檫\(yùn)行條件變化特別頻繁，推力軸承(包括導(dǎo)軸承)的設(shè)計(jì)也要求比常規(guī)發(fā)電機(jī)更為嚴(yán)格。

5、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

（1）滋軛徑向通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)冷卻

電動(dòng)發(fā)電機(jī)或利用轉(zhuǎn)子本身的扇風(fēng)作用，或靠做成適當(dāng)形狀的轉(zhuǎn)子支臂和磁軛來起扇風(fēng)作用，將冷空氣從轉(zhuǎn)子兩端吸入，沿轉(zhuǎn)子磁軛的通風(fēng)槽在離心力的作用下通過磁極的空間來冷卻勵(lì)磁繞組和定子線圈及鐵心，熱空氣經(jīng)定子外部冷卻器冷卻后循環(huán)流通。

當(dāng)高速機(jī)組轉(zhuǎn)子的高度達(dá)到一定程度后，徑向通風(fēng)已不能保證沿鐵心高度方向均勻冷卻，有的電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁軛高度的中部留出1或2個(gè)間隔(相當(dāng)于1個(gè)特別寬的通風(fēng)槽)，其中安放通風(fēng)葉片，用以加強(qiáng)中段的散熱。

（2）直接水冷卻

對(duì)于大容量電機(jī)，為進(jìn)一步加強(qiáng)水冷卻的效果，可以將電機(jī)繞組做成空心的，使冷卻水從中通過將熱量帶走。如果定子繞組使用水冷而轉(zhuǎn)子繞組仍為風(fēng)冷稱為半水內(nèi)冷;如果定子和轉(zhuǎn)子繞組都為水冷則稱為全水內(nèi)冷，或雙水內(nèi)冷。

在汽輪發(fā)電機(jī)上使用過雙水內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，但水內(nèi)冷的工藝要求很高，水輪發(fā)電機(jī)的線棒數(shù)目比汽輪發(fā)電機(jī)更多，因此有大量復(fù)雜的接頭，運(yùn)行時(shí)發(fā)生漏水的可能性增加。為保證運(yùn)行的可靠性，在水電機(jī)組上多數(shù)場(chǎng)合只使用半水內(nèi)冷，即只用水冷卻定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組仍用空氣冷卻。用水冷卻方式還牽涉到復(fù)雜的水處理過程，這種設(shè)備在電站廠房?jī)?nèi)要占不小空間。

（3）蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻是采用氟里昂或其他沸點(diǎn)低的特種液體作為內(nèi)冷介質(zhì)，利用其蒸發(fā)熱帶走電機(jī)繞組熱量，保持繞組溫度在低溫沸點(diǎn)附近，蒸發(fā)后的氣體再經(jīng)水冷卻后回復(fù)為液態(tài)返回循環(huán)。由于這種介質(zhì)是絕緣的，少量滲漏不會(huì)影響電機(jī)的安全運(yùn)行，故能提高電機(jī)的運(yùn)行率(可用率)。

為使電動(dòng)發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)起動(dòng)電流不致過大，并對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生過大擾動(dòng)，必須采用專門的電氣設(shè)備及操作方法。常用的電氣起動(dòng)方法大致有5種:同軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng);異步起動(dòng);同步(背靠背)起動(dòng);半同步起動(dòng);變頻起動(dòng)等。各種起動(dòng)方法的典型轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。除全電壓異步起動(dòng)方法外，其他起動(dòng)方法均需水泵水輪機(jī)同時(shí)充氣壓水，以減少起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

在抽水蓄能電站中應(yīng)用最多的是與可逆式水泵水輪機(jī)配套的可逆式電動(dòng)發(fā)電機(jī)，這種電動(dòng)發(fā)電機(jī)和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)相比，有以下不同的特點(diǎn):

1、雙向旋轉(zhuǎn)

由于可逆式水泵水輪機(jī)作水輪機(jī)和水泵運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因此電動(dòng)發(fā)電機(jī)也需相應(yīng)地雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，在電氣上要求電源相序能夠轉(zhuǎn)換，這在電氣主接線和開關(guān)設(shè)備的選擇上可以實(shí)現(xiàn);電機(jī)本身如作雙向旋轉(zhuǎn)則要求通風(fēng)冷卻和軸承都能適應(yīng)雙向工作。至于組合式水泵水輪機(jī)，因其作水輪機(jī)和水泵運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)方向不變，故與之配合的電動(dòng)發(fā)電機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)相差不多。

2、頻繁起停

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中起填谷調(diào)峰的作用，一般每天至少要起停2次，有的蓄能電站則要求起停更為頻繁，同時(shí)還籍經(jīng)常作調(diào)頻、調(diào)相運(yùn)行，工況的調(diào)整也很頻繁。蓄能機(jī)組要求能迅速增減負(fù)荷，大型機(jī)組要求有每秒鐘變動(dòng)10MW負(fù)荷的能力。從空載到滿負(fù)荷以及從抽水直接轉(zhuǎn)換到發(fā)電運(yùn)行，也都要求在很短時(shí)間內(nèi)完成。電動(dòng)發(fā)電機(jī)處于這樣頻繁變化的運(yùn)行條件下，其內(nèi)部溫度變化自然十分劇烈，電機(jī)繞組將產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力和變形，也可能由于溫度差在電機(jī)內(nèi)部結(jié)膝而影響絕緣。英國(guó)狄諾威克抽水蓄能電站是近年建設(shè)的蓄能電站中起停操作要求很高的一個(gè)實(shí)例，設(shè)計(jì)每天要起停40次。

3、需有專門起動(dòng)措施

由于轉(zhuǎn)向相反。電動(dòng)發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不能像作發(fā)電機(jī)那樣利用水泵水輪機(jī)起動(dòng)，必須采用專門的起動(dòng)方法。為此在采用異步起動(dòng)方法時(shí)需在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)起動(dòng)用阻尼繞組或使用實(shí)芯磁極，當(dāng)采用其他起動(dòng)方法時(shí)均需增加專門的電氣設(shè)備和相應(yīng)的電站接線。這些措施都增加設(shè)備造價(jià)，并使操作復(fù)雜。/4、過渡過程復(fù)雜

抽水蓄能機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換過程中要經(jīng)歷各種復(fù)雜的水力、機(jī)械和電氣瞬態(tài)過程。在這些瞬態(tài)過程中將發(fā)生比常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組大得多的受力和振動(dòng)，對(duì)于整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)都提出更嚴(yán)格的要求。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下三方面的參數(shù):

(1)水力機(jī)械條件:有功功率;轉(zhuǎn)速(單轉(zhuǎn)速、雙轉(zhuǎn)速);飛逸轉(zhuǎn)速;旋轉(zhuǎn)方向(單向、雙向):轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求;安裝條件。

(2)電力系統(tǒng)條件:視在功率;功率因數(shù);穩(wěn)定性要求;瞬態(tài)電抗X'_d;次瞬態(tài)電抗X’’_d;運(yùn)行方式〔工況轉(zhuǎn)換次數(shù)及間隔);調(diào)相運(yùn)行要求;負(fù)荷頻率控制(LFC);啟動(dòng)功率;允許的電壓降;可用率要求。

(3)電機(jī)設(shè)計(jì)要求:電壓等級(jí);允許溫升;絕緣等級(jí)要求;尺寸(空間)的限制;設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

抽水蓄能機(jī)組是電力系統(tǒng)中最具靈活性的調(diào)節(jié)設(shè)備，要求能最快地從一種工況轉(zhuǎn)入另一種工況。蓄能機(jī)組在從發(fā)電盡抽水工況停機(jī)時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性很大，要很長(zhǎng)時(shí)間才能停下來，這就延遲了轉(zhuǎn)入另一工況或進(jìn)入備用狀態(tài)的時(shí)間。

電氣制動(dòng)可以有效地縮短機(jī)組減速的時(shí)間，使用電氣制動(dòng)由額定轉(zhuǎn)速降到零轉(zhuǎn)速的時(shí)間比自由減速最后加機(jī)械制動(dòng)所需時(shí)間的一半還少。

電氣制動(dòng)又稱為動(dòng)力制動(dòng)。常用的操作方式是在機(jī)組轉(zhuǎn)速降到50%時(shí)加電氣制動(dòng)，到5%轉(zhuǎn)速時(shí)投入機(jī)械制動(dòng)。與此相比，如不用電氣制動(dòng)，待轉(zhuǎn)速降到30%時(shí)加機(jī)械制動(dòng)，則總時(shí)間要長(zhǎng)很多。我國(guó)近年投產(chǎn)的大型抽水蓄能機(jī)組都配備有電氣制動(dòng)功能。

電氣制動(dòng)的方法是在同步電機(jī)從電網(wǎng)解列后，把定子繞組直接短路或通過外加電阻短路，此時(shí)仍具有勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子就在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出電流(約為額定電流的1.1倍)而形成負(fù)荷，使轉(zhuǎn)子減速。使用電氣制動(dòng)時(shí)應(yīng)防止定子電流超過安全值，因?yàn)樵诮档娃D(zhuǎn)速以后電機(jī)的散熱能力大為削弱，故應(yīng)保證電機(jī)的溫升不要過高。如果電機(jī)的勵(lì)磁電流是由勵(lì)磁機(jī)供給的，則需為電氣制動(dòng)設(shè)置專用的勵(lì)磁裝置。

作品目錄

前言

主要符號(hào)表

第1章 抽水蓄能的應(yīng)用

第2章 抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益

第3章 水泵水輪機(jī)的類型的發(fā)展

第4章 水泵水輪機(jī)的工作特性和選型

第5章 水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第6章 電動(dòng)發(fā)電機(jī)

第7章 抽水蓄能電站的電氣設(shè)備

第8章 抽水蓄能電站

第9章 抽水蓄能電站水力過渡過程

第10章 抽水蓄能機(jī)組的安裝、試運(yùn)轉(zhuǎn)和控制

附錄

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《抽水蓄能發(fā)電企業(yè)檔案分類導(dǎo)則》（GB/T 36294-2018）規(guī)范抽水蓄能發(fā)電企業(yè)檔案管理工作，填補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電企業(yè)檔案分類規(guī)則的空白，為抽水蓄能發(fā)電企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、工程建設(shè)以及生產(chǎn)運(yùn)行期檔案管理提供依據(jù)，保證抽水蓄能發(fā)電企業(yè)檔案質(zhì)量，提升檔案工作價(jià)值。 2100433B