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    水電站勵(lì)磁系統(tǒng)主要元器件選型計(jì)算探討

    2022-12-15 14:51:44鄧叢林
    水電站設(shè)計(jì) 2022年4期
    關(guān)鍵詞:熔斷器晶閘管勵(lì)磁

    鄧叢林,陳 鵬,張 鵬

    (中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

    0 前 言

    常規(guī)水電站勵(lì)磁系統(tǒng)一般采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),其基本構(gòu)成主要包括勵(lì)磁變壓器、整流橋柜、滅磁柜和調(diào)節(jié)器柜。

    為了保證勵(lì)磁系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位和制造廠家都會(huì)對(duì)關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型計(jì)算,確定一些關(guān)鍵參數(shù)。但是目前水電站勵(lì)磁系統(tǒng)選型計(jì)算還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)制造廠家都只是根據(jù)自己掌握的公式和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選型計(jì)算,存在公式多樣、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一且概念不清晰等問(wèn)題,給水電站勵(lì)磁系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多困擾,本文就水電站勵(lì)磁系統(tǒng)選型計(jì)算中存在的難點(diǎn)和疑點(diǎn)進(jìn)行分析,提出一些解決這些問(wèn)題的辦法。

    1 勵(lì)磁系統(tǒng)短路電流計(jì)算

    關(guān)于勵(lì)磁系統(tǒng)短路電流計(jì)算,一般忽略勵(lì)磁電纜、晶閘管內(nèi)阻及銅排電阻,勵(lì)磁變壓器電源側(cè)容量視為無(wú)窮大系統(tǒng)。短路故障類型一般分為晶閘管整流裝置交流側(cè)短路、晶閘管內(nèi)部短路和直流側(cè)短路。

    整流裝置交流側(cè)短路包括相間短路和三相短路,此時(shí)的短路電流計(jì)算比較簡(jiǎn)單,相當(dāng)于勵(lì)磁變低壓側(cè)短路,短路電流計(jì)算公式如下:

    式中:I(2)D和I(3)D分別為勵(lì)磁變低壓側(cè)兩相短路和三相短路電流;SN,U2N和XT分別為勵(lì)磁變額定容量、二次側(cè)額定電壓和阻抗電壓。

    晶閘管內(nèi)部短路計(jì)算比較復(fù)雜,先期故障類型可以看作相間短路,隨著橋臂的相繼觸發(fā)切換,在換流角γ的時(shí)間內(nèi),出現(xiàn)三相短路工況,具體可參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]。

    同樣,在直流側(cè)突然出現(xiàn)短路的時(shí)刻,共陰極組和共陽(yáng)極組各有一橋臂處于導(dǎo)通短接狀態(tài),此時(shí)可看作相間短路;根據(jù)觸發(fā)順序,隨著下一個(gè)橋臂相繼被觸發(fā)導(dǎo)通,被切換掉的橋臂電流將在換流角γ的時(shí)間內(nèi)降為零,此換流過(guò)程可看作三相短路。

    直流側(cè)短路電流的穩(wěn)態(tài)波形到底是啥樣,其大小具體怎么計(jì)算,各種文獻(xiàn)中有不同的提法,文獻(xiàn)[3]認(rèn)為晶閘管整流裝置直流側(cè)短路相當(dāng)于交流側(cè)三個(gè)相間短路電流的整流平均值,當(dāng)觸發(fā)角為最低時(shí)(假定為0°),短路電流IDd最大,為

    而文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]認(rèn)為,晶閘管整流裝置直流側(cè)短路相當(dāng)于交流側(cè)三相短路,當(dāng)三相全控橋的勵(lì)磁功率整流器輸出為頂值電壓時(shí),整流器晶閘管的控制角考慮為0°,則直流側(cè)短路電流的平均值可計(jì)算為

    公式(3)和公式(4)的主要區(qū)別,筆者認(rèn)為主要是受換流角的大小決定的。根據(jù)文獻(xiàn)[5],只要換流角γ小于60°,整流橋就是處于兩臂導(dǎo)通和三臂導(dǎo)通的交替工作狀態(tài)。忽略電阻和整流元件壓降,換流角γ為

    由公式(5)可見(jiàn),換流角γ的大小,與換流電抗Xk、負(fù)載電流Id、交流電源電壓Um和控制角α有關(guān)。

    對(duì)于水電站勵(lì)磁系統(tǒng),Xk相當(dāng)于勵(lì)磁變單相電抗,Id為換流開(kāi)始時(shí)刻流過(guò)橋臂的電流,Um為換流時(shí)勵(lì)磁變低壓側(cè)線電壓有效值。經(jīng)測(cè)算,額定運(yùn)行時(shí),由于Id為額定勵(lì)磁電流,整個(gè)換流角γ一般在幾度;強(qiáng)勵(lì)時(shí)Id值有所增大,換流角γ一般在十幾度左右??傮w來(lái)看,正常運(yùn)行時(shí),換流角γ在一個(gè)周期中占比均不大,整流器總體輸出呈現(xiàn)相間供電的特點(diǎn),但是在直流側(cè)短路時(shí),由于短路電流很大,Id值大幅增大,使得換流角γ大幅增加,經(jīng)測(cè)算,一般均達(dá)到70°左右,超過(guò)60°,這使得換流失敗,短路故障呈現(xiàn)三相短路的特點(diǎn)。

    因此,筆者認(rèn)為水電站勵(lì)磁系統(tǒng)在不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)勵(lì)磁電流限流的情況下,可參考文獻(xiàn)[4],以公式(4)來(lái)計(jì)算直流側(cè)短路電流,并以此來(lái)選取滅磁開(kāi)關(guān)短路分?jǐn)嚯娏骱蜆虮劭焖偃蹟嗥髯畲蠓謹(jǐn)嚯娏鳌?/p>

    2 勵(lì)磁系統(tǒng)主要選型計(jì)算

    2.1 勵(lì)磁變壓器額定二次電壓計(jì)算

    根據(jù)文獻(xiàn)[6],勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算公式如下:

    式中符號(hào)具體意義,請(qǐng)參考文獻(xiàn)[6]。

    由于公式(6)中的XL、RT和RL在實(shí)際使用中很難求得,這一定程度影響了公式(6)的使用??紤]到實(shí)際使用中交直流電纜均采用銅纜,電阻率很小,且長(zhǎng)度均較短,故可忽略XL、RT和RL,則公式(6)簡(jiǎn)化為

    式中:ΔUc為晶閘管元件、碳刷、滑環(huán)、線路等部分附加壓降,V,取5~10V[7]。

    公式(7)更簡(jiǎn)單,更具有操作性,類似計(jì)算可參考使用。

    文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]對(duì)強(qiáng)勵(lì)工況下的頂值電壓能力進(jìn)行了不同的規(guī)定,文獻(xiàn)[7]要求水輪發(fā)電機(jī)在機(jī)端額定電壓80%時(shí),自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓倍數(shù)不低于2倍。文獻(xiàn)[8]規(guī)定自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓倍數(shù)在發(fā)電機(jī)機(jī)端處于額定電壓時(shí)不低于2.25倍。

    從選型的角度出發(fā),筆者認(rèn)為可以以文獻(xiàn)[7]來(lái)對(duì)勵(lì)磁變壓器額定二次電壓進(jìn)行計(jì)算,以文獻(xiàn)[8]來(lái)認(rèn)定轉(zhuǎn)子回路的最大強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)。

    2.2 整流橋柜選型計(jì)算

    2.2.1 整流橋柜輸出電流計(jì)算

    根據(jù)文獻(xiàn)[10],晶閘管整流橋并聯(lián)運(yùn)行的支路數(shù)一般按照不小于N+1的模式配置,在N模式下要求保證包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)的所有工況的運(yùn)行?;谏鲜鲆?,單個(gè)整流橋柜的額定輸出電流IR.N需滿足公式:

    式中:IR.N為單個(gè)整流橋柜額定輸出電流,A;K1為可靠系數(shù),取1.1;K2為均流系數(shù),取0.9。

    單個(gè)整流橋柜的最大輸出電流IR.MAX需要滿足公式:

    式中:IR.MAX—單個(gè)整流橋最大輸出電流(持續(xù)時(shí)間不小于1min)A。

    2.2.2 常溫下可控硅平均通態(tài)電流的選擇計(jì)算

    為了提高晶閘管設(shè)備運(yùn)行的可靠性,所選擇的單個(gè)晶閘管元件的額定正向平均通態(tài)電流應(yīng)大于單柜最大輸出電流下的柜內(nèi)橋臂的正向平均電流值,即滿足如下公式:

    式中:IT.AV(SC)為單個(gè)晶閘管元件的額定正向平均通態(tài)電流,A;K3為裕度系數(shù),綜合考慮海拔高度、冷卻風(fēng)速和環(huán)境溫度等因素影響,一般取1.1~1.2。

    2.3 快速熔斷器選型計(jì)算

    2.3.1 快速熔斷器額定電流選擇計(jì)算

    快速熔斷器的額定電流應(yīng)大于整流橋額定輸出時(shí)的支臂電流,同時(shí)小于同臂晶閘管有效電流,即快速熔斷器的額定電流應(yīng)滿足如下公式:

    式中:IrN為快速熔斷器額定電流,A。

    為了能保證晶閘管元件故障時(shí)快速熔斷器能夠可靠熔斷,快速熔斷器額定電流值宜選擇較小值。

    2.3.2 快速熔斷器分?jǐn)嗳萘縄s選擇計(jì)算

    根據(jù)第2節(jié)的分析,在整流柜內(nèi)某可控硅擊穿短路或直流側(cè)出口處短路時(shí),流過(guò)單橋臂快速熔斷器的極限短路電流可能為勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)三相短路電流,考慮到空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)發(fā)生可控硅擊穿,則筆者認(rèn)為快速熔斷器分?jǐn)嗳萘縄s應(yīng)滿足如下公式:

    2.3.3 快速熔斷器I2t值的確認(rèn)

    快速熔斷器I2t值包括額定電壓下的弧前焦耳積分值I2tp和熔斷焦耳積分值I2ta,弧前I2tp值和熔斷I2ta值分別是指在弧前時(shí)間和熔斷時(shí)間內(nèi)被保護(hù)電路中電流釋放的能量,其中熔斷I2ta值等于弧前I2tp值與燃弧I2t之和,弧前I2tp值一般與運(yùn)行電壓無(wú)關(guān),認(rèn)定為常數(shù),不需要根據(jù)運(yùn)行電壓修正,但是燃弧I2t值需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行電壓進(jìn)行修正,即等于熔斷I2ta與弧前I2tp的差乘以電壓修正系數(shù),電壓修正系數(shù)由快速熔斷器的I2t校正曲線查詢得出。

    修正后的熔斷器的熔斷I2t值應(yīng)小于晶閘管的I2t值,為了可靠地保護(hù)晶閘管,還需留一定的裕量,同時(shí)應(yīng)保證強(qiáng)勵(lì)運(yùn)行工況下不熔斷。

    2.4 滅磁電阻選型計(jì)算

    2.4.1 滅磁電阻容量計(jì)算

    根據(jù)文獻(xiàn)[11],滅磁電阻耗能主要是非周期分量引起的,周期分量在滅磁電阻耗能占比一般只有百分之幾,因此下述僅針對(duì)非周期分量來(lái)選擇滅磁電阻容量。

    滅磁電阻容量根據(jù)滅磁時(shí)刻轉(zhuǎn)子的電磁能量,再考慮耗能系數(shù)和裕度系數(shù)的基礎(chǔ)上選取,一般以空載誤強(qiáng)勵(lì)和機(jī)端三相短路這兩種最嚴(yán)重工況來(lái)計(jì)算。

    (1)空載誤強(qiáng)勵(lì)下發(fā)電機(jī)滅磁電阻能容量

    假定空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)子電流為額定勵(lì)磁電流的2倍。根據(jù)文獻(xiàn)[11]介紹的近似計(jì)算方法,筆者認(rèn)為空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁時(shí)刻的轉(zhuǎn)子能量可采用兩段線性化方式計(jì)算,結(jié)合水電站發(fā)電機(jī)空載特性曲線,當(dāng)勵(lì)磁電流位于0~I(xiàn)f0(If0:空載勵(lì)磁電流)區(qū)間時(shí)為線性段,以T’d0計(jì)算轉(zhuǎn)子電感;當(dāng)勵(lì)磁電流為If0~2IfN(IfN:額定勵(lì)磁電流)區(qū)間時(shí),可近似為線性段,按如下公式計(jì)算T’d01:

    式中:tgα為0~I(xiàn)f0區(qū)間段斜率;tgβ為If0~2IfN區(qū)間段近似斜率。

    則空載誤強(qiáng)勵(lì)轉(zhuǎn)子能量可由以下公式計(jì)算得出:

    滅磁電阻的額定能容在上式計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮耗能系數(shù),并留有20%的裕度,即:

    WfN為滅磁電阻耗能,MJ;K4為耗能系數(shù),考慮定子漏抗、磁場(chǎng)飽和、電樞反應(yīng)、轉(zhuǎn)子繞組本身電阻的耗能、阻尼繞組耗能等因素,取2/3[11];K5為裕度系數(shù),取1.2。

    (2)機(jī)端三相短路下發(fā)電機(jī)滅磁電阻能容量

    發(fā)電機(jī)出口三相短路時(shí),勵(lì)磁電流非周期分量I f3D按3倍額定勵(lì)磁電流取值[12]。即:

    由于機(jī)端三相短路時(shí)定子短路電流的去磁作用使轉(zhuǎn)子處于非飽和狀態(tài),可以認(rèn)為此過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電感是常數(shù)[11]。則機(jī)端三相短路時(shí)的轉(zhuǎn)子能量為:

    此時(shí)需要根據(jù)溫度修正轉(zhuǎn)子繞組電阻:

    經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),在機(jī)端三相短路情況下,考慮到保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作切除故障,短路持續(xù)時(shí)間通常在0.1s內(nèi),滅磁時(shí)刻轉(zhuǎn)子電流非周期分量已經(jīng)衰減到接近于其初始電流值的60%~70%[13],因此在計(jì)算機(jī)端三相短路時(shí)滅磁電阻所承受的滅磁容量時(shí)需要考慮此因數(shù),并留有20%的裕度,即:

    式中:K4為機(jī)端三相短路時(shí),耗能系數(shù)取0.4。

    2.4.2 滅磁電阻配置

    總的滅磁電阻容量選取后,還需要根據(jù)單片滅磁電阻容量核算出總的滅磁電阻片數(shù),然后選擇合適的并聯(lián)和串聯(lián)數(shù),以求獲得恰當(dāng)?shù)臏绱烹娮璺蔡匦郧€。

    假定非線性電阻最終配置為Np片并聯(lián),Ns串聯(lián),單片流過(guò)1A電流時(shí)兩側(cè)的電壓為KV,電阻的非線性系數(shù)為β,則其組合U-I特性表達(dá)式為:

    根據(jù)文獻(xiàn)[10]要求,滅磁過(guò)程中,勵(lì)磁繞組反向電壓宜控制在不低于出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的30%,不超過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的50%,繞組對(duì)地耐壓值可參考文獻(xiàn)[14]取值。

    則把公式(16)計(jì)算的結(jié)果代入公式(20)后得出的電壓值,應(yīng)滿足上述要求。

    2.5 滅磁開(kāi)關(guān)選型計(jì)算

    2.5.1 滅磁開(kāi)關(guān)額定電壓選擇計(jì)算

    磁場(chǎng)斷路器額定電壓應(yīng)大于勵(lì)磁電路長(zhǎng)期工作電壓的最大值,可按整流電壓的峰值考慮,具體為:

    2.5.2 滅磁開(kāi)關(guān)額定電流選擇計(jì)算

    額定電流應(yīng)不低于1.3倍額定勵(lì)磁電流考慮。

    2.5.3 滅磁弧壓選擇計(jì)算

    (1)滅磁開(kāi)關(guān)弧壓參數(shù)應(yīng)與滅磁電阻參數(shù)配合,并滿足下列關(guān)系:

    式中:UFB.arc為滅磁開(kāi)關(guān)斷口弧壓,V;UR為滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的滅磁電阻上出現(xiàn)的最高滅磁電壓,參考公式(20)進(jìn)行計(jì)算,V;UE為滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電源電壓,V。

    (2)機(jī)端三相短路滅磁時(shí)磁場(chǎng)斷路器弧壓

    經(jīng)過(guò)多項(xiàng)實(shí)測(cè),機(jī)端三相短路時(shí)轉(zhuǎn)子電流非周期分量在短路發(fā)生后的0.1s內(nèi)會(huì)大幅衰減,基本按照定子繞組三相短路時(shí)間常數(shù)Ta的時(shí)間尺度衰減[13],這雖然大大降低了滅磁電阻的選型容量,但是從滅磁開(kāi)關(guān)選型的可靠性角度出發(fā),滅磁時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流仍然根據(jù)文獻(xiàn)[12]的建議按3倍額定勵(lì)磁電流考慮。

    (3)空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)磁場(chǎng)斷路器弧壓

    假設(shè)此時(shí)機(jī)組過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作電壓為1.3倍機(jī)端額定電壓,延時(shí)0.3s動(dòng)作,此時(shí)的勵(lì)磁電流近似達(dá)到2倍額定勵(lì)磁電流。滅磁時(shí)刻考慮機(jī)端電壓達(dá)到1.4倍額定電壓,假設(shè)誤強(qiáng)勵(lì)時(shí),控制角為10°,則此時(shí)的電源電壓UE近似為:

    2.5.4 滅磁開(kāi)關(guān)最大短路分?jǐn)嚯娏饔?jì)算

    滅磁開(kāi)關(guān)最大短路分?jǐn)嚯娏鲬?yīng)按照不小于空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下直流側(cè)短路電流來(lái)選取,即需考慮1.4倍的機(jī)端電壓系數(shù),則滅磁開(kāi)關(guān)最大短路分?jǐn)嚯娏鲬?yīng)滿足如下公式:

    2.6 交流勵(lì)磁電纜選型

    為了防止出現(xiàn)敷設(shè)工藝不足引起橋架發(fā)熱,在選擇交流勵(lì)磁電纜時(shí),盡量采用三芯電纜;在交流勵(lì)磁電纜與勵(lì)磁變低壓側(cè)連接時(shí),應(yīng)采用三芯經(jīng)一個(gè)通道同時(shí)引入勵(lì)磁變壓器外殼內(nèi),進(jìn)入外殼后再分相,防止外殼發(fā)熱。

    如果因?yàn)閯?lì)磁電流過(guò)大,使得勵(lì)磁電纜截面也相應(yīng)增大,造成選三芯電纜過(guò)粗而不宜敷設(shè),導(dǎo)致選單芯電纜時(shí),則應(yīng)注意敷設(shè)工藝,三相單芯電纜應(yīng)緊靠品字形敷設(shè),以減少橋架發(fā)熱,同時(shí)在進(jìn)入勵(lì)磁變殼體時(shí)應(yīng)采取降低渦流的措施。

    3 結(jié) 語(yǔ)

    本文介紹了筆者在水電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)主要元器件設(shè)備選型方面遇到的難點(diǎn)和疑問(wèn),并進(jìn)行了仔細(xì)分析和探討,提出了勵(lì)磁變壓器二次額定電壓簡(jiǎn)化計(jì)算公式;提出了通過(guò)測(cè)算直流側(cè)短路時(shí)的換流角大小來(lái)判定直流側(cè)短路電流的形態(tài)并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式;明確了通過(guò)整流橋柜最大輸出電流來(lái)選型計(jì)算晶閘管正向平均通態(tài)電流,通過(guò)整流橋柜額定輸出電流來(lái)選型計(jì)算快速熔斷器額定電流;明確了以空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下直流側(cè)短路電流來(lái)選型計(jì)算滅磁開(kāi)關(guān)最大短路分?jǐn)嚯娏?;明確了以空載誤強(qiáng)勵(lì)條件下勵(lì)磁變低壓側(cè)三相短路電流來(lái)選型計(jì)算快速熔斷器的最大分?jǐn)嚯娏鳎唤o出了滅磁電阻容量和滅磁開(kāi)關(guān)選型計(jì)算公式;建議交流勵(lì)磁電纜盡量采用三芯電纜。這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)芙o類似水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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