大唐观音岩水电站励磁系统主要参数计算与选择

欧小冬

(中国大唐云南分公司观音岩水电站，四川 攀枝花 617000)

1 概 述

大唐观音岩水电站，是金沙江中游“一库八级”梯级水电站中的最末一级，总装机容量为5 ×600MW，设计年发电量在120 ～140 亿kW·h 之间，目前，电站5 台机组正进行大坝和厂房基础建设，发电机和励磁设备正处于初步设计阶段。

观音岩电站1 ～3 号和4 号、5 号发电机分别由两个厂家设计制造，5 套励磁系统设备全部由另一厂家设计制造，由于不同发电机厂家提供的机组参数不相同，将直接影响励磁设备参数的选择和投产后励磁设备的运行工况。下面针对励磁设备主要参数计算和选择情况加以介绍，以为励磁设备选型提供依据，并对励磁设备选择中存在的问题进行分析。鉴于观音岩电站发电机和励磁设备目前还处于设计阶段，本文就其励磁设备选择中存在的问题与厂家进行商榷，希望与励磁设备和发电机厂家及时沟通联络，解决设计中存在的不足，以保证电站投产后设备的可靠运行。

2 励磁变压器参数计算与选择

2.1 1 ～3 号机组励磁变压器计算与选择

(1)二次侧额定电流I2n。按1.1 倍额定励磁电流计算考虑:I2n= 0.817IEN=2747A。其中，IEN=3362A，为1.1 倍额定励磁电流值(即励磁系统额定连续输出电流值，由发电机厂家提供)。

故励磁变二次侧额定电流应大于2747A。

(2)二次侧额定电压U20。按80%额定电压下，顶值电压为2 倍额定励磁电压考虑。根据简化公式算得

U20= 2UfNmax/(0.8 ×1.35cosαmin)= 865V

式中:UfNmax=460V (发电机厂家提供)，是最大容量下的励磁额定电压值;αmin是励磁系统强励时可控硅控制角，一般计算中取10°。

同时，根据经验系数算得U20=940V。

故选择励磁变二次侧额定电压应不小于940V，方能保证80%额定电压下的顶值电压920V 的要求。

(3)额定视在功率ST(3 相):

ST= 1.732U20I2nKa= 4732kVA

式中:U20取865V;Ka是计算励磁变容量的余度系数，包括考虑励磁变谐波影响等，一般取1.15。

2.2 4 ～5 号机组励磁变压器计算与选择

同理，按上述计算方法可以算出:I2n= 2830A，U20= 1030V(根据简化公式)，U20=1120V (根据经验系数)，ST=5806kVA。在计算中，发电机厂家提供数据为IEN=3465A、UfNmax=548V。

3 可控硅整流桥计算与选择

3.1 1 ～3 号可控硅整流桥计算与选择

(1)阈值电压VTO取0.96V。

(2)反向重复峰值电压UW=1.414 × 2.75U20=1.414 ×2.75 ×940V=3655V (选取4200V)。

(3)斜率电阻RT取0.00028Ω。

(4)恢复电荷取5500μAs。

(5)最高结温TJ允许125℃ (取125℃)。

(6)据ABB 提供的数据估算，在机组最大输出和强励工况下，系统至少要有3 台可控硅整流桥并联运行;不包括强励在内的最大额定输出工况下，系统至少要有2 台可控硅整流桥并联运行;按照“当有2台整流桥退出运行时，励磁系统需满足不包括强励在内所有工况”的要求，系统则需采用4 台可控硅整流桥并联运行。

(7)均流系数kcs按要求应不小于0.85 (取0.9)。

(8)最高使用环境温度TAMB:按要求取40℃。

(9)强励时间tp按要求应不小于20s (取20s)。

按上述参数选取可控硅型号为ABB 可控硅5STP18H4200。

(10)两台可控硅整流桥并联运行于最大连续运行工况时的可控硅实际结温核算:

1)单台可控硅损耗计算:通态电流ITEN、开通损耗PONEN、关断损耗POFFEN、通态损耗PFEN及总损耗PTEN。

ITEN= IEN/ (npminkcs)= 3362/ (2 ×0.9)= 1868A

式中:npmin为控硅整流桥运行于最大连续运行工况下并联支路数。

查得:PONEN＜20W，POFFEN＜150W，则

PFEN= (ITENVTO+ ITEN2RT)/3 = 923.5W

PTEN= PFEN+ PONEN+ POFFEN= 1093.5W

2)稳态热阻Zthmax计算:

Zthmax= (TJ－PTEN× Rth－TAMB)/PTEN= 48.242K/kW

式中:Rth为可控硅表面热阻，取48.16 K/kW。

3)可控硅实际结温Tjen计算:

Tjen= TAMB+ (PTENZthmax)/1000 ＜93℃

故两台可控硅整流桥运行，完全能满足连续输出1.1 倍额定励磁电流的要求。

(11)三个可控硅整流桥并联在最大连续运行工况下发生强励时可控硅实际结温核算。

通态电流ITENP= IP/(npminkcs) =6114/(3 ×0.9)=2264A。其中，IP为强励电流。

查得:开通损耗Ponp＜25W，关断损耗PoffP＜160W，则通态损耗PFP、总损耗PTENP为

PFP= (ITENPVTO+ ITENP2RT)/3 = 1203.2W

PTENP= PFP+ Ponp+ PoffP= 1388.2W

算得:稳态热阻ZthP=389.5K/kW。

实际可控硅结温Tjenp为

Tjenp= Tjen+ (PTENP－PTEN)× Zthmax/1000 ＜118℃

故三台可控硅整流桥柜运行完全满足系统顶值电流2 倍额定电流20s 的要求。

因此选取ABB 可控硅型号5STP18H4200 合理，其可控硅电压为4200V，通态平均电流2075A，通态最大电流有效值3260A。

3.2 4 号、5 号可控硅整流桥计算与选择

同理，按照上述计算方法算得:可控硅反向重复峰值电压UW为4356V，两台可控硅整流桥并联运行于最大连续运行工况下和三台可控硅整流桥并联运行于最大连续运行工况下并发生强励时可控硅实际结温分别为95 !C 和120 !C。根据计算，可控硅整流桥选取型号为ABB 的5STP25L5200，其可控硅电压为5200V，通态平均电流2760A，通态最大电流有效值4360A。

4 灭磁电阻和转子过压保护选型与校验

4.1 SiC 并联组数和串联组数选择

受最恶劣工况下最高灭磁电压的限制，必须选择并联冗余。要满足最小冗余度的要求，比较接近的方案是6 并或5 并，为得到相对快的灭磁时间，取并联组数NRP=6，对应冗余度20%。同时，串连组数不宜过高，故取串连组数NRS=2。

4.2 整组SiC 电阻通流能力IRmax计算

按照退出1 组并联SiC 支路运行考虑，5 组并联时的最大通流能力为

IRmax= (NRP－1)IRSmax= 30kA

式中:IRSmax为单组SiC 通流能力，其值为6kA。

4.3 整组SiC 工作能容ER计算

因串、并联组数分别为2 和6，故工作能容为

ER= NRSNRPERS= 12MJ

式中，ERS为单组SiC 容量，其值为1MJ。

4.4 整组特性

对于同一型号SiC 电阻进行串、并联而形成的整组SiC 非线性电阻，其特性可由下式表达:

式中，UR为灭磁电压;ARS为单组SiC 电阻电压系数(ARS=29Ω);β 为单组SiC 非线性系数(β =0.4);IR为灭磁电流。

根据4.2 冗余原则，故障时将退出一个并联支路。在此情况下，灭磁电压和容量均有所增加，故此后的计算均以串、并联组数分别为2、5 为基础，整组特性为

4.5 发电机强励期间发生机端三相短路动作灭磁计算

(1)灭磁初始电流IffSC(仿真结果)。根据国际上经验数据IffSC为9000A，经仿真为IffSC=9800A。

(2)灭磁电压URSC。在IffSC=9800A 情况下计算灭磁开关最小弧压，IffSC全部流入非线性电阻产生的电压URSC为

该值小于70%灭磁电阻耐压试验电压(5000V ×70%)，也小于可控硅4200V 阻断电压。

(3)灭磁能量计算。强励期间发生机端三相短路灭磁时灭磁电阻吸收能量E3phSC，经仿真计算为7607.5kJ。

4.6 发电机空载过压保护动作灭磁瞬间计算

(1)灭磁电压URPL。在转子电流IPL=9690A 情况下计算灭磁开关的最小弧压，IPL全部流入非线性电阻产生的电压URPL为

该值小于70%灭磁电阻耐压试验电压，也小于可控硅阻断电压。

(2)灭磁能量E3phSC。发电机空载过压保护动作灭磁时灭磁电阻吸收能量E3phSC经仿真计算为8975kJ。

4.7 灭磁过程仿真计算

(1)计算依据。用于计算机仿真的发电机模型符合IEC 34—10 《用于描述同步电机的约定》和IEEE Std.1110.1991 《同步电机建模实践和稳定性研究指南》。

(2)机端三相短路计算机仿真输出见图1、图2。

图1 灭磁电流与灭磁时间关系

图2 灭磁电压与灭磁时间关系

仿真计算结果:机端三相短路时灭磁能量7607.5kJ，从起始峰值10000A 到起始值的10%约需2.5s，最高灭磁电压1200V。

(3)发电机空载过压保护动作条件下的计算机灭磁仿真输出见图3、图4。

初始电流为9690A，饱和因素已考虑在内。

仿真结果:发电机空载过电压保护灭磁能量8975kJ，从起始值9690A 到起始值的10%约需5.2s，最高灭磁电压约1130V。

4.8 转子过压保护定值选择

(1)最高定值选定。为70%的转子对地试验电压幅值 (4950V)和可控硅正向和反向阻断电压(4200V)的最小值。选定过电压最高值为4200V。

(2)最低定值选定。为换相尖峰过电压值(＜2U20，1980V)和灭磁电阻最高允许灭磁电压(1882V)的最大值。选定过电压最低值为1980V。

(3)初选动作定值。选择BOD 触发元件的动作电压2800V，满足上述限制的要求。作用于正反向过压保护。故最终确定过电压保护动作值为2800V。

4.9 灭磁电阻选择

经过计算，最终确定:SiC 灭磁电阻采用12 组，每组1MJ，6 路并联，2 路串联。其型号为600A/US16/P1Spes.6298。生产厂家为英国M＆I。

5 直流磁场断路器和跨接器选型

5.1 直流磁场断路器选择

(1)额定电流IDC:

IDC＞1.2IDCmax= 1.2 ×3150A = 3780A

式中:IDCmax为4 号、5 号励磁系统最大连续输出电流值。

选择IDC=4500A。

(2)额定电压UDC:

UDC＞1.2Ufn= 1.2 ×548V = 657V

式中:Ufn为4 号、5 号励磁系统额定励磁电压。

选择UDC=2000V。

(3)工频耐压UBRTEST。UBRTEST＞UTEST= 5000V，选择UBRTEST=15kV。

式中:UTEST为转子绕组对地工频耐压值。

(4)短时过流能力IOL。IOL＞IP=6300A，选择IOL=13.5kA。

(5)开断电流IDCBR。IDCBR＞IDCSC=37KA，选择IDCBR=75kA。式中:IDCSC为可控硅短路电流。根据上述计算，选择灭磁开关为HPB45M-82S。

5.2 磁场断路器弧压验算

不同灭磁工况时，采用阻断脉冲的方式，对弧压的要求是高于2000V，所选磁场断路器弧压4000V 满足要求。

5.3 发电机强励期间发生机端三相短路灭磁时磁场断路器弧压验算

此时电源电压为0，需要的磁场断路器最小弧压为

Uarcmin= 0 + URSC= 0 +1200 = 1200V

断路器的弧压为4000V ＞1200V，能够可靠灭磁，满足要求。

5.4 发电机空载过压保护动作灭磁时磁场断路器弧压验算

此时的电源电压为

UEL= 1.35U20×1.305cos10°－(3xtot/3.14 +2rtot)IPLU202/Sn－∑ΔU = 1700

Uarcmin= URPL+ UEL= 1197 +1700 = 2897V

断路器的弧压为4000V ＞2897V，发电机空载误强励时能够可靠灭磁。

5.5 灭磁触头和跨接器验算

发电机机端三相短路灭磁时起始电流最大值为10000A。0 ～0.2s 对应的安秒特性为10.8MA2s，与断路器配合的 (单管)跨接器可控硅3BHS126939 的0 ～0.2s 安秒特性为15.3MA2s，远高于实际短路时的安秒特性，满足要求。

结论:灭磁开关HPB45M-82S 满足和超过所有招标书技术要求，跨接器主回路采用3BHS126939。

6 起励回路计算与选择

(1)最小起励电流Iffmin。在最低系统电压下保证达到建立10% Ugn(Ugn为发电机机端额定电压)所需的起励电流为Iffmin≤10%IER0=185A

式中:IER0为发电机空载转子电流，其值为1850A。

(2)10%Ugn对应的励磁变压器二次侧电压约为

10%U20= 112V ＞10V

(3)最低整流电压Udmin(采用单相整流以降低起励电阻损耗)为

Udmin= 0.9KULOUFF2－2UD= 21V

式中:KULO为最低电源电压系数，取值0.85;UFF2为起励变二次则电压，取值AC30V;UD为二极管压降，取值1V。

(4)起励电缆电阻Rcth。考虑共使用12mm2铜导线10m，在65 !C 时Rcth=1.6 ×10-2× (1 +0.0043 ×65) ×10/12 = 0.017 "

线路压降为

0.0173 ×185≈3V

根据计算选择:交流起励变压器为220V/20V，容量为3.6kVA。

(5)直流起励:

最小起励电源电压为220 ×80% =176V。

起励电阻的电压降为Urmin=165V。

起励电阻值为Rff=Urmin/Iffmin#0.9 "。

对应的起励电阻功率为Pmax=Iffmin2Rff=30kW，取Pmax的10%为起励电阻的额定功率，即3kW。

根据计算选择:起励接触器的额定值为220V、315A，直流起励电源容量为40kVA，起励电阻为0.9 "、3kW。

7 存在问题分析及建议

(1)4 号、5 号励磁变二次侧额定电压选择偏高，已进入高危参数范围。实践证明，励磁变二次侧额定电压超过1000V，就标志着进入了高危参数范围;4号、5 号励磁变二次侧额定电压选择为1120V ＞1000V，已进入高危参数范围，将会给励磁系统设备及发电机转子的正常运行带来很多负面影响。

(2)4 号、5 号励磁变二次侧额定电压选择过高，会造成励磁系统运行工况不好。励磁变二次侧额定电压过高，不仅在经济上增加了投资;在设计制造上会增大相关励磁设备选型的难度，尤其是直流灭磁开关的选择难度;在安全上降低了励磁系统回路所有运行设备的寿命，特别是发电机转子等主要设备的寿命;而且会使可控硅在空载励磁电压和额定励磁电压只有几百伏(一般不超过500V)的励磁系统中运行时，其控制角将处于深度控制角度(85°左右)状态。由此造成两个主要问题:第一是降低了运行功率因数，增加了励磁回路的损耗;第二是增大了励磁整流器交直流侧过电压，降低了运行设备的可靠性。在这些过电压的不断冲击下，励磁变二次电压回路、转子回路设备包括转子，其运行寿命必将缩短。在控制角约为85°这种深度控制下，可控硅换相点就在励磁变二次电压的峰值附近，进一步加重了可控硅柜换相过电压的尖峰值，使励磁变二次侧过电压倍数大于工程领域要求的最佳倍数1.5，在高过电压作用下，会直接导致励磁设备绝缘击穿。另外，励磁变二次侧额定电压过高，还会加大发电机轴电压，不利于机组安全运行。

(3)4 号、5 号励磁变二次侧额定电压选择偏高原因分析。根据前面励磁变额定二次电压计算和选择情况可以看出，计算中励磁顶值电压倍数是按照GB/T 7409.3—2007 《同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求》规定的“按照2.0 倍和80%电压考虑”条件选择的，也是合理的。控制角度选择10°也没问题。最后锁定励磁变二次侧额定电压偏高是发电机厂家提供的额定励磁电压值UfNmax=548V 偏高所致。

(4)处理建议。要使4 号、5 号励磁变二次侧额定电压在1000V 以下，发电机厂家必须通过优化设计降低发电机额定励磁电压(最好在490V 以下)，同时将重新设计后的相关发电机参数及时通知励磁厂家，以便励磁厂家选择合适的励磁设备，避免因设计问题而影响设备正常投运。

［1］ 章俊，胡先洪，陈小明.励磁阳极过压保护装置及其在三峡电厂的应用［J］.水电站机电技术，2007(6).

［2］ 朱方，刘增煌.三峡电站发电机强励倍数及附加励磁控制的研究［J］.电网技术，1992(8).

［3］ 李基成.大型水轮发电机组励磁系统选择的新思维［C］.∥中国水力发电工程学会电力系统自动化专业委员会电力系统稳定及发电机励磁系统学科组第三届年会2004 学术论文集.2004.