高海拔環(huán)境下的勵磁設備選型

唐泉涌，李言龍，張 崢

（1.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南鄭州 450000；2.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江157000；3.吉林電力有限公司長春供電公司，吉林 長春 130021）

高海拔環(huán)境下的勵磁設備選型

唐泉涌1，李言龍2，張 崢3

（1.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南鄭州 450000；2.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江157000；3.吉林電力有限公司長春供電公司，吉林 長春 130021）

由于西藏旁多水利樞紐工程所處西藏高原地區(qū)，海拔4033m，，高海拔對勵磁設備的性能會產(chǎn)生一定的的影響，因此該電站的勵磁設備選擇與正常的電氣設備選擇有許多不同之處。文中通過分析高海拔對部分電氣設備影響，論述了如何選擇旁多電站勵磁設備。

高海拔；耐受電壓；勵磁設備；旁多水利樞紐工程

1　概　述

西藏旁多水利樞紐工程地處拉薩河中游，壩址位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)，開發(fā)任務是以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及供水，是拉薩河流域的骨干性控制工程，也是拉薩河干流水電梯級開發(fā)的龍頭水庫。電站為引水式電站，電站站址海拔4033.65m，年極端最高溫度29.2℃，年極端最低溫度-27.4℃，年平均溫度12.2℃，年平均相對濕度47%。該電站共裝4臺混流式水輪發(fā)電機，單機容量為40MW，總裝機160MW。發(fā)電機出口電壓為10.5kV，發(fā)電機與變壓器組合為兩機一變擴大單元接線。由于旁多電站海拔高，溫度低，因此，對于勵磁設備的選擇應著重考慮溫升及絕緣兩方面影響。

2　高海拔對部分電氣設備影響的分析

2.1對設備的外絕緣影響

隨著海拔升高，大氣壓力或空氣密度降低，空氣的絕緣強度減弱，使電氣外絕緣介質(zhì)強度降低，但對內(nèi)絕緣影響很小。根據(jù)GB311.1-1997《高壓輸變電設備的絕緣配合》［1］要求，對于使用地點海拔超過1000m以上時，必須對電氣設備的短時工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓進行相應修正，修正系數(shù)公式如下：

其中：H——設備安裝地點的海拔高度，m。旁多電＼站海拔高度按照4100m考慮，取K=1.45。

2.2對設備溫升的影響

隨著海拔的升高，空氣密度降低，散熱條件變差，因此應對電氣設備溫升進行修正。根據(jù)DL/ T5222－2005《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》［2］要求，按每超過100m（以海拔1000m為標準）溫升降0.3%。針對旁多電站海拔4033.65m，考慮一定的余量，設備選擇以設備溫升在原基礎上降低10%考慮計算。

3　旁多電站勵磁設備選擇

3.1勵磁變壓器計算及選擇

對于平時常用的干式變壓器來說，國家標準關于以上兩個因素有著明確的校正方法。根據(jù)GB6450《干式變壓器》中第3.2.3條的規(guī)定，對于在超過1000m海拔處運行，并在正常海拔進行試驗的變壓器，其溫升限值應相應遞減，超過1000 m海拔部分以每500m為一級，溫升限值按自冷變壓器2.5%、風冷變壓器5%減??；額定短時工頻耐受電壓值按GB311.1-1997中的規(guī)定進行修正。發(fā)電機額定勵磁電流ILn=780A，發(fā)電機額定勵磁電壓ULn=280V。

勵磁變壓器副邊電流：I2=0.816×1.1×ILn=700A。勵磁變壓器副邊電壓：

式中：K1為強勵倍數(shù)；K2為強勵時正序電壓值系數(shù)，取0.8；α為強勵觸發(fā)角，取10°～15°，一般取10°；K3為換相系數(shù)，取0.93～0.96，一般取0.95。

實際選取U2=560V。

當機組在最大工況下連續(xù)運行時，勵磁系統(tǒng)應能保證長期連續(xù)運行時勵磁變壓器容量為：S2=?？紤]容量應隨海拔升高而變化，容量相應變化：S3=1.31S2=889.4kVA（按GB1094.11-2007，參考絕緣水平對用于高海拔處的變壓器的修正方法：海拔超過1000m的部分，以每100增加1%來提高）。

所以，勵磁變壓器確定為干式環(huán)氧變壓器，容量：950kVA；電壓等級：10.5kV/560V；冷卻方式：自然風冷；接線方式：Y/△-11。

3.2額定負荷工況下勵磁變壓器原、副邊電流計算

勵磁變壓器副邊電流I2=0.816×ILn=636.5A；勵磁變壓器原邊電流=33.9A。

3.3絕緣水平

根據(jù)國標，海拔超過1000m的，每增加100 m，工頻耐壓要增加1%，但海拔超過3000m的沒有相關的標準。所以實際海拔4100m，如果沿用3000m以下的標準時，工頻耐壓為45.85kV，考慮到海拔超出標準，提高到50kV。

3.4可控硅整流元件的選擇

整流元件額定電流IT′=In/（1.2～1.35）=833.3～740.4A；

整流元件額定電壓 Un′=（2.75～3.0）×U2=2178～2376V。

式中：In為單柜額定輸出電流，In=1000A；U2為可控硅整流柜陽極額定電壓，U2=560V。

由于空氣稀薄造成的整流元件散熱效果差，需要考慮降低功率柜輸出容量，整流輸出電流的降低系數(shù)為：

K1=1-85.7×10-6×（H-1000）=0.734

依GB311.1-1997，海拔每升高100m，絕緣強度約降低1%，在海拔不高于1000m的地點實驗時，其試驗電壓應按該標準規(guī)定的額定耐受電壓乘以海拔矯正因數(shù)K2：

所以修正后的整流元件額定電流、電壓為：

IT=IT′/K1=1009～1135.3A；

Un=Un′·K2=3158.1～3445.2V。

3.5快熔選擇

快熔標稱電壓Urn=KruU2K2

式中：Kru為選擇系數(shù)，取1.2～1.3。計算得Urn=974.4～ 1055.6V。

式中：Kri為選擇系數(shù)，取1.25～1.54；Id為可控硅整流柜額定輸出電流，取1000A。計算得Irn＞983.2～1211.2A。

3.6滅磁容量的計算

式中：L為轉(zhuǎn)子電感；K為飽和系數(shù)，取值0.2～0.3（火電機組），0.3～0.4（水電機組）；ULO為空載勵磁電壓，取99.6V；ILO為空載勵磁電流，取407.1A；INN為空載誤強勵勵磁電流，取780A；Ido′為定子開始路時，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，取5.14；n為水輪發(fā)電機組數(shù)，取4。

由于水電機組磁場容量無規(guī)律性，須根據(jù)機組參數(shù)計算，所以實際取值：滅磁容量為1.44MJ。

3.7滅磁整定值計算

1）滅磁方式：非線性電阻滅磁。

2）滅磁原理接線圖（圖1）。

圖1　滅磁原理接線圖

3）滅磁整定值計算。

轉(zhuǎn)子絕緣水平的確定，即轉(zhuǎn)子對地工頻耐壓試驗電壓值：UJ=Max（10ULn，1500V）=2800V。

根據(jù)標準要求，滅磁控制電壓應在轉(zhuǎn)子耐壓的30%～50%之間，過電壓保護控制電壓應在轉(zhuǎn)子耐壓的50%～70%之間，因此整定值取值：取滅磁控制電壓為900V（小于800V時取800V）；取過電壓保護控制電壓為1600V（小于1200V時取1200V）。

3.8非線性滅磁整定

能容量配置：1.44MJ；滅磁控制電壓：900V；反向二極管配置：型號為ZP1000A/4000V， 數(shù)量2；閥片參數(shù)：300V，60A，20kJ/片；閥片配置：3串2并12組，共72片；實際配置容量1.44MJ。

3.9滅磁開關選擇

滅磁開關型號選擇E3H-M/S2000，分斷電流能力為85kA。

3.10轉(zhuǎn)子過壓及保護部分

1）轉(zhuǎn)子過電壓保護原理圖（圖2）。

圖2　轉(zhuǎn)子過電壓保護原理圖

2）轉(zhuǎn)子過電壓保護整定：正向過壓動作整定值1600V；反向過壓動作整定值900V。

4　結　語

旁多水利樞紐工程所處的特殊地理環(huán)境，而且電站的安全穩(wěn)定運行直接關系到藏中電網(wǎng)和青藏直流運行安全，對電氣設備選擇提出新的要求。在該工程的勵磁設備選擇過程中，查閱了大量的規(guī)范標準，所選設備參數(shù)在理論上保證在高海拔下安全運行。

目前，旁多水利樞紐工程4臺水輪發(fā)電機組已經(jīng)全部建成發(fā)電，勵磁設備已經(jīng)經(jīng)過了1年多的運行考驗，勵磁裝置在各種運行工況下安全可靠，滿足要求。

［1］GB311.1-1997，高壓輸變電設備的絕緣配合［S］.北京：中國標準出版社，1997.

［2］DL/T5222－2005，導體和電器選擇設計技術規(guī)定［S］.北京：中國電力出版社，2005.

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2015-07-20