大古電站勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

范龍

摘要：通過(guò)對(duì)本電站同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主接線和勵(lì)磁變壓器型號(hào)選擇，勵(lì)磁方式和試驗(yàn)等分析，結(jié)合大古水電站660MW 水輪發(fā)電機(jī)組安裝分析進(jìn)行探討，分析本電站勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型驗(yàn)證計(jì)算應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng);計(jì)算;選型

1.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

大古電站是采用4臺(tái)立式水輪發(fā)電機(jī)組與主變采用單元接線方式，機(jī)端出線母線電壓為13.8KV，并通過(guò)4臺(tái)主變升壓為500KV，接入二分之三雙母線GIS系統(tǒng)。本電站發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)磁方式對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁系統(tǒng)主要有2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和3套全橋可控硅整流裝置以及1套滅磁過(guò)電壓保護(hù)裝置與1套勵(lì)磁變壓器組成。

本電站機(jī)組的勵(lì)磁方式結(jié)構(gòu)接線比較簡(jiǎn)單，勵(lì)磁方式運(yùn)行可靠，一般是當(dāng)接到開(kāi)機(jī)令，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速的95%左右，自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)入起勵(lì)，機(jī)組進(jìn)入空載狀態(tài)，這是由2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，正常機(jī)組啟動(dòng)都是采用殘壓起勵(lì)，若超過(guò)5秒為不成功，自動(dòng)轉(zhuǎn)入直流勵(lì)磁方式起勵(lì)。起勵(lì)時(shí)間不超過(guò)8秒。

2.勵(lì)磁變壓器的選擇及計(jì)算

2.1 勵(lì)磁變壓器選擇

2.1.1 大多數(shù)的勵(lì)磁變壓器采用絕緣干式變壓器，隨著時(shí)代的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多新型絕緣材料運(yùn)用到電網(wǎng)系統(tǒng)，我廠采用的是環(huán)氧樹(shù)脂型式的干式變壓器，具有良好的節(jié)能和環(huán)保性、在潮濕，抗雷電沖擊和突發(fā)短路影響很小。

2.1.2 我廠勵(lì)磁變壓器的接線方式是高壓側(cè)采用三角形接線方式，低壓側(cè)采用星形接線方式，接線組別為11， 根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)所需提供的直流功率來(lái)決定勵(lì)磁變壓去的額定容量，一次側(cè)電壓由發(fā)電機(jī)端母線電壓確定，二次側(cè)電壓由勵(lì)磁系統(tǒng)的峰值電壓決定。所以在選擇時(shí)，電壓必須留有裕度，當(dāng)一次側(cè)電壓降低20%，勵(lì)磁系統(tǒng)必須響應(yīng)達(dá)到峰值電壓，滿足發(fā)電機(jī)的強(qiáng)勵(lì)磁功能。

2.1.3 勵(lì)磁變壓器的阻抗電壓一般采用額定電壓的4%到8%，同時(shí)必須具備很好的過(guò)載和可靠性，另外還要考慮到低壓側(cè)與整流系統(tǒng)接在一起，必須裝設(shè)快速熔斷器，防止短路，我站大古電站采用阻抗電壓為8%。

2.2 三相勵(lì)磁變壓器的選型計(jì)算

2.2.1 勵(lì)磁變的變比和容量進(jìn)行參數(shù)計(jì)算

1號(hào)發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流是1949A ， 發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓是312V， 強(qiáng)勵(lì)磁倍數(shù)是2，可控硅最小控制角度是10度。按照全橋整流計(jì)算勵(lì)磁變二次側(cè)額定線電壓，勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓滿足2倍額定勵(lì)磁電壓的要求，當(dāng)發(fā)電機(jī)正序電壓為額定值的80%時(shí)，勵(lì)磁峰值電壓予以保證;勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算公式如下：

2.2.2? 勵(lì)磁變二次額定線電流計(jì)算：

勵(lì)磁變二次側(cè)線電流計(jì)算公式：Ift2=0.816KIfn? ? 式中Ifn 為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流，K為電流裕度系數(shù)，取1.1進(jìn)行計(jì)算。那么Ift2=0.816×1.1×1949=1749.4A? 選取發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變壓器二次側(cè)線電流Ift2=1750A。

2.2.3? 勵(lì)磁變?nèi)萘坑?jì)算公式：

式中：UfT2——?jiǎng)?lì)磁變二次側(cè)線電壓;IfT2—?jiǎng)?lì)磁變二次側(cè)線電流

綜合考慮一定的容量裕度，發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變壓器容量選定為2300kVA。

2.2.4. 高壓側(cè)電流互感器計(jì)算高壓側(cè)計(jì)算公式：

ICT1—?jiǎng)?lì)磁變高壓側(cè)電流;UfT1——?jiǎng)?lì)磁變高壓側(cè)線電壓;SfT2—?jiǎng)?lì)磁變?nèi)萘俊?/p>

3.可控硅元件選型計(jì)算

3.1額定電壓選擇

在額定負(fù)荷運(yùn)行溫度下，可控硅整流器所能承受反向重復(fù)峰值電壓不小于2.75倍勵(lì)磁變壓器二次側(cè)最大峰值電壓。

3.2額定電流選擇

功率柜滿足1.1倍額定勵(lì)磁電流運(yùn)行，則單個(gè)橋臂流過(guò)的電流平均值：

3.3快速熔斷器選型計(jì)算

在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大、整流回路過(guò)載以及可控硅誤導(dǎo)通和可控硅擊穿短路的情況下，容易造成可控硅過(guò)電流而損換，從而影響整套裝置的運(yùn)行安全穩(wěn)定性?？煽毓璩惺苓^(guò)電流能力比一般電器元件差的多，必須在極短時(shí)間內(nèi)把電源斷開(kāi)或把過(guò)電流值降下來(lái)，而串接在可控硅整流橋支臂的快速熔斷器是一種最簡(jiǎn)單有效過(guò)流保護(hù)元件。

3.4電流等級(jí)選擇

快熔的額定電流是以有效值進(jìn)行表示的，快熔的額定電流大于或等于整流橋額定運(yùn)行時(shí)流過(guò)可控硅的最大電流有效值，計(jì)算公式如下：1.57×IT（AV）≥IFU≥ITM

整流柜按單橋滿足1.1倍額定勵(lì)磁電流長(zhǎng)期運(yùn)行，則流過(guò)橋臂電流有效值為：

3.5電壓等級(jí)選擇

快熔的額定電壓大于線路正常工作電壓（有效值），其計(jì)算公式如下：

式中：KF——電壓裕度系數(shù)，取1.3;UfT2——?jiǎng)?lì)磁變壓器二次側(cè)線電壓。

因此，考慮取快熔的額定電壓：UFU =1500V。

4.滅磁電阻容量計(jì)算

4.1電機(jī)滅磁工況

（1）發(fā)電機(jī)空載滅磁

發(fā)電機(jī)空載滅磁是指在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，電樞空載情況下，跳滅磁開(kāi)關(guān)，滅磁時(shí)的起始電流為空載勵(lì)磁電流，此工況下滅磁能量相對(duì)較小。

（2）發(fā)電機(jī)額定滅磁

發(fā)電機(jī)額定滅磁時(shí)定子電流快速消失，由于氣隙磁場(chǎng)不發(fā)生突變，轉(zhuǎn)子電流相應(yīng)降低至空載時(shí)水平，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁能損失透過(guò)氣隙消耗在定子側(cè)斷路器中，其后的滅磁工況類似空載滅磁。

（3）空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁

當(dāng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)達(dá)額定轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電源投入尚未并網(wǎng)前，調(diào)節(jié)器故障出現(xiàn)空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)，此時(shí)繼電保護(hù)若不動(dòng)作，轉(zhuǎn)子電流將上升較快，根據(jù)機(jī)組參數(shù)可知，空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)子的終值電流將會(huì)較高，但空載強(qiáng)勵(lì)電流不會(huì)超過(guò)額定勵(lì)磁電流。

（4）發(fā)電機(jī)端突然三相短路滅磁

對(duì)于發(fā)電機(jī)端三相突然短路狀態(tài)，當(dāng)短路發(fā)生點(diǎn)在發(fā)電機(jī)低壓側(cè)斷路器以外，按發(fā)電機(jī)磁鏈?zhǔn)睾憷碚摚藭r(shí)可按發(fā)電機(jī)空載滅磁狀態(tài)考慮。如果三相短路發(fā)生在機(jī)端斷路器無(wú)法切除短路故障點(diǎn)時(shí)為最嚴(yán)重滅磁狀態(tài)。

4.2滅磁電阻容量選擇

放電電阻采用碳化硅非線性電阻。在最嚴(yán)重滅磁工況下，需要非線性電阻承受的耗能容量不超過(guò)其工作耗能容量的80%，同時(shí)在20%的非線性電阻組件退出運(yùn)行時(shí)，仍能滿足滅磁要求。非線性電阻能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)釋放磁場(chǎng)能量，滅磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組反向電壓不高于50%。

式中：K1為容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，按中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T583-1995，選取系數(shù)為1.25，是考慮滅磁電阻各并聯(lián)組件串聯(lián)了特種熔斷器，運(yùn)行中30%組件退出后仍保證可靠滅磁的要求;K2為耗能分配系數(shù)，因轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能量不完全消耗于滅磁電阻中，還有轉(zhuǎn)子電阻、磁場(chǎng)斷路器、阻尼繞阻的整鍛鐵心中均有耗能，水發(fā)機(jī)組取經(jīng)驗(yàn)值0.73，同時(shí)還要保證1.2倍安全裕度，所以綜合考慮：確定發(fā)電機(jī)組滅磁能量3MJ。

4.3滅磁電阻殘壓計(jì)算

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T583-1995《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》4.5.2.a）所述，“滅磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組反向電壓一般不低于出廠試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁繞組對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值的30%，不高于50%”。與勵(lì)磁繞組回路直接相連的所有回路及設(shè)備，當(dāng)額定勵(lì)磁電壓等于或小于500V時(shí)，其出廠試驗(yàn)電壓為10倍額定勵(lì)磁電壓，最低不小于1500V。而當(dāng)額定勵(lì)磁電壓大于500V時(shí)，其出廠試驗(yàn)電壓為2倍額定勵(lì)磁加4000V，最低不小于5000V。

式中：UfN——發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓。

為確保滅磁開(kāi)關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)磁場(chǎng)能量順利轉(zhuǎn)移，非線性電阻殘壓的選擇宜低不宜高，綜合考慮取滅磁電阻殘壓?。篣RV=1400V

5.勵(lì)磁繞組正向過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值計(jì)算

A. 最低定值

整流橋產(chǎn)生的換相過(guò)電壓限制在陽(yáng)極電壓的2.0倍，即：

自動(dòng)滅磁裝置正常動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓值：1260V

B. 最高定值

與勵(lì)磁繞組并聯(lián)的可控硅跨接器的觸發(fā)電壓不得低于自動(dòng)滅磁裝置正常動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓值，同時(shí)不得高于如下值：

Ufn——發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓。

綜合考慮：可控硅跨接器的觸發(fā)電壓（正向過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值）取為：2000V。

6.滅磁開(kāi)關(guān)選型計(jì)算

6.1.額定電壓的核算

額定電壓是磁場(chǎng)斷路器運(yùn)行所參考的電壓，磁場(chǎng)斷路器應(yīng)能在機(jī)端三相短路、最大磁場(chǎng)電壓及空載誤強(qiáng)勵(lì)等嚴(yán)重滅磁工況下獨(dú)立、成功地?cái)嚅_(kāi)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流，弧壓應(yīng)滿足最嚴(yán)重滅磁工況下的滅磁要求。按整流單元交流輸入額定電壓值計(jì)算：

UfT2— 勵(lì)磁變二次側(cè)電壓;

故選取滅磁開(kāi)關(guān)額定電壓為1000V。

6.2額定短時(shí)電壓的核算

額定短時(shí)電壓是磁場(chǎng)斷路器主觸頭需要分?jǐn)噢D(zhuǎn)子短路電流的轉(zhuǎn)子回路最高 直流電壓，該電壓值不小于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的頂值電壓。為了在機(jī)端三相短路時(shí)能 夠切斷短路電流的直流分量，要求斷路器具有在短時(shí)內(nèi)承受滅磁電阻反向電壓的能力，按照ANSI/IEEE C37.18標(biāo)準(zhǔn)所給定的短路電流的最大系數(shù)=2.5，大古電站發(fā)電機(jī)組的最大計(jì)算電流Ifmax及SiC非線性滅磁電阻的反向峰值電壓USiC，dmax計(jì)算如下：Ifmax=2.5Ifn=2.5×1949=4873A

Ifn — 額定勵(lì)磁電流;

故選取滅磁開(kāi)關(guān)額定電壓為1000V。

6.3額定最大分?jǐn)嚯妷旱暮怂?/p>

根據(jù)ANSI/IEEE C37.18標(biāo)準(zhǔn)，額定最大分?jǐn)嚯妷旱挠?jì)算公式如下：

Emax— 勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)最高輸出電壓，按下面公式計(jì)算：

事實(shí)上，滅磁電阻兩端電壓和整流橋輸出的電壓不可能同時(shí)達(dá)到最大，廠家試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告顯示最大分?jǐn)嚯妷嚎蛇_(dá)到2000V，完全滿足要求。

6.4額定電流的核算

根據(jù)要求，磁場(chǎng)斷路器的額定電流應(yīng)不小于額定勵(lì)磁電流的1.2倍。

式中： Ifn— 額定勵(lì)磁電流;

選取滅磁開(kāi)關(guān)額定電流為2560A，并留有充足裕度。

7.起勵(lì)回路計(jì)算

7.1直流起勵(lì)限流電阻核算

根據(jù)公司要求，起勵(lì)設(shè)備所提供的起勵(lì)電流不大于發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電流的 10%。即起勵(lì)電流按 10%額定空載勵(lì)磁電流設(shè)計(jì)。

式中：If——起勵(lì)電流;If0——額定空載勵(lì)磁電流;

7.2直流起勵(lì)限流電阻功率核算：WR=UQ÷RQ

式中：WR——起勵(lì)電阻功率;UQ——起勵(lì)電源額定電壓;RQ——起勵(lì)限流電阻;則起勵(lì)限流電阻功率：WR=2202÷5.5=8800W

實(shí)際上，考慮起勵(lì)時(shí)間不大于5s，起勵(lì)限流電阻功率按照計(jì)算功率的10%選取，即： 選取22Ω，300W大功率電阻6個(gè)并聯(lián)。

8.勵(lì)磁電纜計(jì)算

8.1直流電纜

直流側(cè)長(zhǎng)期輸出電流：1949×1.1=2143.9A

如采用單芯185mm?電纜，需要并聯(lián)的電纜根數(shù)核算

即：直流電纜每極6根185mm?電纜，每臺(tái)機(jī)共需12根直流出線電纜。

8.2 交流電纜

交流側(cè)長(zhǎng)期工作電流：1949×1.1×0.816=1749.4A

采用單芯185mm?電纜，需并聯(lián)電纜根數(shù)核算N=1749.4÷（185×2）=4.73

即：交流電纜每極5根185mm?電纜，每臺(tái)機(jī)共需15根直流出線電纜。

綜合所述大古電站勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大中型同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》、《大中型水輪發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器試驗(yàn)及調(diào)整導(dǎo)擇》、《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》的相關(guān)要求，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證以上選型參數(shù)符合大古電站勵(lì)磁系統(tǒng)的選型，滿足機(jī)組安全可靠運(yùn)行設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]方云峰.中小型水電站自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型[J].黑龍江水利科技，2016，44（8）：71-73.