抽水蓄能机组磁极质量偏差控制方法研究

袁硕

摘要：随着500r/min的高转速抽水蓄能机组的开发，磁极单件质量已突破10t，略小于同等分磁轭质量，而磁极挂装在磁轭外侧，其重心离转动中心的距离大于同等分磁轭重心离转动中心的距离，所以磁极质量、同等分磁轭的质量与各自重心半径的乘积大小接近，说明磁极和磁轭对转子转动不平衡的影响相当。而高转速磁轭已发展为整体加工结构，其本身质量均匀性大幅提升，从而导致磁极的质量偏差对机组的不平衡影响变得更加明显。此外，抽蓄磁极工况复杂，难免有需要更换部分磁极的情况，若新旧磁极质量偏差较大，则会增加动平衡试验的时间与难度，延长了宝贵的检修时间，影响机组复产进度，所以有必要对减小磁极质量偏差的方法进行研究。

关键词：抽水蓄能机组；磁极质量；偏差；控制方法；

引言

抽水蓄能机组在电力系统负荷低谷时利用系统富余电力将水从下水库抽到上水库储存，在负荷高峰时将上水库储存的水放到下水库进行发电，将上、下库中水的势能变化转化为电力系统电能的充放和功率的调节，是电力系统最成熟的调节电源，在系统中具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等“六大功能”。截至2021年底，我国抽水蓄能电站投运总装机规模36390MW，在建总装机规模61530MW，已建、在建规模均居世界首位。抽水蓄能电站一般具有较长的引水和尾水系统，因此在机组甩负荷过程中由于水击现象导致的转速上升、蜗壳压力上升以及尾水管压力下降较常规水电站更为突出，机组甩负荷试验被视作一项检验机组性能和工程质量的重要手段，是每台机组投入试运行和商业运行前必须开展的重要试验。

1磁极质量偏差的规定

磁极的质量偏差主要影响磁极的互换性和磁极挂极时的顺序，结合GB/T8564中对磁极挂装后的不平衡质量的规定，可知对磁极质量偏差的要求可归纳为两条：一是相对挂装磁极的质量偏差；二是挂装后任意22.5°~45°角度范围内对称方向磁极总的质量偏差，可用如下关系式表示：

式中：i为第i号磁极，p为包含第i号磁极的任意22.5°~45°范围内可能的磁极数，n为机组极对数。由于磁极为环形布置，故i≤n。M为允许的不平衡质量允许偏差值，应满足GB/T8564的要求（见表1）。特别地，针对近期投产的J电站，D电站及C电站，其磁轭与磁极质量和约300t，转速500r/min，其22.5°~45°范围内最多两对磁极，故公式（1）（2）可简化为如下：

对于高转速的抽水蓄能机组，磁极数量少，单张磁极片质量超过5kg，单个磁极重达10t，若不加控制，很难直接满足上述不平衡质量偏差的要求。此外，抽水蓄能机组通常有2~4件备品磁极，但同一电站不同机组的磁极质量偏差往往很大，导致任一磁极更换后都需要重新对机组进行动平衡试验，占用了宝贵的检修时间。

2抽水蓄能机组运行极限

2.1抽水蓄能机组常规运行极限

双馈抽水蓄能机组的功率运行极限限制主要有水轮机输入输出功率限制、定子电流限制、转子电流限制和转子电压限制四种。其中,转子电压限制会受到转差率s的影响。在机组运行过程中,前三种常规运行极限限制值由机组参数、(1)水轮机输入输出功率Pm限制水轮机输出的机械功率在机组正常运行时一般不会超过发电机机组的额定容量,通常按发电机的额定有功进行限制。在功率二维图P-Q中,额定有功功率的限制线为一条平行于无功轴的竖线,该竖线与额定容量限制圆的交点即为额定工作点,cosφN为额定功率因数。(2)定子电流I1max限制机组定子电流限制是由电机设计和材料即定子绕组和铁芯发热造成的安全运行极限。在定子电压U·1一定的情况下,机组的额定容量即视在功率决定了定子电流的允许值,在功率二维图P-Q中,定子电流限制线为圆心在原点的一个圆。

2.2转差率s对转子电压极限圆图的影响

当机组处于次同步电动状态时,转差率限制范围一定程度上有所增大,转差率常规限制在0.07时,机组可运行范围足够大,转子电压对机组不构成运行限制,此时转子电压限制圆圆心关于无功轴对称。从极限P-Q图可知此时的机组还有一定的无功调节裕度,其最大转子电压限制的极限圆图圆心位置没有改变,半径相较转差率为0.07时要小,因此纵轴方向的无功功率调节能力减弱,发出无功功率的最大值为277Mvar,说明在此转差率下该机组发出无功功率的最大值会受到转子电压极限的限制。

3磁极质量偏差的控制方法

3.1 从零部件质量偏差控制角度分析

（1）磁极压板。可以提高磁极压板的厚度公差到±0.05mm，从而将每件磁极压板的重量偏差控制到0.3kg左右。目前磁极压板都是采用数控设备加工，该措施容易实现。（2）磁极线圈。单一台份的磁极线圈的质量偏差约4kg，但不同台份的磁极线圈质量差异非常明显。为缩小不同台份磁极线圈的质量偏差，结合原因分析，有如下两种思路：一是缩小磁极铜排截面尺寸公差带；二是同一项目采用同一厂家的磁极铜排。缩小尺寸公差带可以缩小不同厂家不同批次磁极铜排的差异，但抽水蓄能磁极铜排的尺寸标准已高于国家标准GB/T5585.1相应规定，继续提高标准会明显增加磁极铜排制造难度，从而大幅增加制造成本，经济性不好。若保留目前的尺寸公差要求，但是改为同一厂家供货，由于采用同一模具制造，不同批次铜排的尺寸一致更高，可以实现减小不同台份磁极质量偏差的目的。

3.2SFC启动调试方法

相关国家标准中，对SFC启动的调试内容做了规定。但近年国内新投运的SFC设备与该标准编写时所依据的SFC设备已有了一定的区别，主要在主拓扑回路及控制策略方面。结合近年SFC启动调试经验，同期试验前，机组换相隔离开关PRD作为物理隔离点，应在分闸位置，断开控制电源与动力电源；机组断路器GCB应放置在分闸位置。同期试验时，应恢复该隔离点，使其能够正常远方遥控。

3.3采用成对制造方式进行调节

磁极铁心装配时可根据已制磁极线圈的质量偏差进行调整，但上述配重片只能减轻质量，不能增加质量，所以可以采取成对的方式提前进行质量匹配，确保同一批的磁极质量偏差满足要求，同时将第一批磁极的最终质量作为基准，后续批次磁极都按该基准调整。结合GB/T8564-2003要求，磁极不平衡质量的考察以任意22.5°~45°角度范围内，对称方向的不平衡质量为主，而500r/min的机组磁极数量为12，任意22.5°~45°角度范围内磁极数为2~4件。因此，磁极铁心及磁极线圈制造时，每批应不少于4件（两种极性各一半）。

结束语

高转速抽水蓄能机组磁极质量超过10t，超高的转速使磁极的质量偏差对机组的平衡性能影响增大，特殊的运行工况也要求磁极具备更高的质量互换性。本文对影响磁极质量偏差的因素进行分析，并从零部件制造和磁极装配两个角度进行了控制方法与效果的对比，论述了同一项目所需磁极铜排由同一供货商提供，制作磁极铁心配重片以及采取成对制造的方式来减小磁极质量偏差的可行性，可供参考。

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