大古电站励磁系统的设计与选型

2020-12-09范龙

中国电气工程学报 2020年8期

范龙

摘要：通过对本电站同步发电机励磁系统主接线和励磁变压器型号选择，励磁方式和试验等分析，结合大古水电站660MW 水轮发电机组安装分析进行探讨，分析本电站励磁系统在设计选型验证计算应注意的问题。

关键词：发电机励磁系统;计算;选型

1.发电机励磁系统的结构组成

大古电站是采用4台立式水轮发电机组与主变采用单元接线方式，机端出线母线电压为13.8KV，并通过4台主变升压为500KV，接入二分之三双母线GIS系统。本电站发电机采用自并励磁方式对机组转子绕组进行提供励磁电流，励磁系统主要有2套励磁调节器和3套全桥可控硅整流装置以及1套灭磁过电压保护装置与1套励磁变压器组成。

本电站机组的励磁方式结构接线比较简单，励磁方式运行可靠，一般是当接到开机令，发电机转子运转到额定转速的95%左右，自动或手动进入起励，机组进入空载状态，这是由2套励磁调节器进入自动调节状态，正常机组启动都是采用残压起励，若超过5秒为不成功，自动转入直流励磁方式起励。起励时间不超过8秒。

2.励磁变压器的选择及计算

2.1 励磁变压器选择

2.1.1 大多数的励磁变压器采用绝缘干式变压器，随着时代的进步，出现了很多新型绝缘材料运用到电网系统，我厂采用的是环氧树脂型式的干式变压器，具有良好的节能和环保性、在潮湿，抗雷电冲击和突发短路影响很小。

2.1.2 我厂励磁变压器的接线方式是高压侧采用三角形接线方式，低压侧采用星形接线方式，接线组别为11，根据励磁系统所需提供的直流功率来决定励磁变压去的额定容量，一次侧电压由发电机端母线电压确定，二次侧电压由励磁系统的峰值电压决定。所以在选择时，电压必须留有裕度，当一次侧电压降低20%，励磁系统必须响应达到峰值电压，满足发电机的强励磁功能。

2.1.3 励磁变压器的阻抗电压一般采用额定电压的4%到8%，同时必须具备很好的过载和可靠性，另外还要考虑到低压侧与整流系统接在一起，必须装设快速熔断器，防止短路，我站大古电站采用阻抗电压为8%。

2.2 三相励磁变压器的选型计算

2.2.1 勵磁变的变比和容量进行参数计算

1号发电机额定励磁电流是1949A ，发电机额定励磁电压是312V，强励磁倍数是2，可控硅最小控制角度是10度。按照全桥整流计算励磁变二次侧额定线电压，励磁系统顶值电压满足2倍额定励磁电压的要求，当发电机正序电压为额定值的80%时，励磁峰值电压予以保证;励磁变压器二次侧电压计算公式如下：

2.2.2 励磁变二次额定线电流计算：

励磁变二次侧线电流计算公式：Ift2=0.816KIfn 式中Ifn 为发电机额定励磁电流，K为电流裕度系数，取1.1进行计算。那么Ift2=0.816×1.1×1949=1749.4A 选取发电机组励磁变压器二次侧线电流Ift2=1750A。

2.2.3 励磁变容量计算公式：

式中：UfT2——励磁变二次侧线电压;IfT2—励磁变二次侧线电流

综合考虑一定的容量裕度，发电机组励磁变压器容量选定为2300kVA。

2.2.4. 高压侧电流互感器计算高压侧计算公式：

ICT1—励磁变高压侧电流;UfT1——励磁变高压侧线电压;SfT2—励磁变容量。

3.可控硅元件选型计算

3.1额定电压选择

在额定负荷运行温度下，可控硅整流器所能承受反向重复峰值电压不小于2.75倍励磁变压器二次侧最大峰值电压。

3.2额定电流选择

功率柜满足1.1倍额定励磁电流运行，则单个桥臂流过的电流平均值：

3.3快速熔断器选型计算

在电网电压波动较大、整流回路过载以及可控硅误导通和可控硅击穿短路的情况下，容易造成可控硅过电流而损换，从而影响整套装置的运行安全稳定性。可控硅承受过电流能力比一般电器元件差的多，必须在极短时间内把电源断开或把过电流值降下来，而串接在可控硅整流桥支臂的快速熔断器是一种最简单有效过流保护元件。

3.4电流等级选择

快熔的额定电流是以有效值进行表示的，快熔的额定电流大于或等于整流桥额定运行时流过可控硅的最大电流有效值，计算公式如下：1.57×IT（AV）≥IFU≥ITM

整流柜按单桥满足1.1倍额定励磁电流长期运行，则流过桥臂电流有效值为：

3.5电压等级选择

快熔的额定电压大于线路正常工作电压（有效值），其计算公式如下：

式中：KF——电压裕度系数，取1.3;UfT2——励磁变压器二次侧线电压。

因此，考虑取快熔的额定电压：UFU =1500V。

4.灭磁电阻容量计算

4.1电机灭磁工况

（1）发电机空载灭磁

发电机空载灭磁是指在发电机的转速保持为同步转速，电枢空载情况下，跳灭磁开关，灭磁时的起始电流为空载励磁电流，此工况下灭磁能量相对较小。

（2）发电机额定灭磁

发电机额定灭磁时定子电流快速消失，由于气隙磁场不发生突变，转子电流相应降低至空载时水平，对应的转子磁能损失透过气隙消耗在定子侧断路器中，其后的灭磁工况类似空载灭磁。

（3）空载误强励灭磁

当发电机起动达额定转速，励磁电源投入尚未并网前，调节器故障出现空载误强励时，此时继电保护若不动作，转子电流将上升较快，根据机组参数可知，空载误强励时转子的终值电流将会较高，但空载强励电流不会超过额定励磁电流。

（4）发电机端突然三相短路灭磁

对于发电机端三相突然短路状态，当短路發生点在发电机低压侧断路器以外，按发电机磁链守恒理论，此时可按发电机空载灭磁状态考虑。如果三相短路发生在机端断路器无法切除短路故障点时为最严重灭磁状态。

4.2灭磁电阻容量选择

放电电阻采用碳化硅非线性电阻。在最严重灭磁工况下，需要非线性电阻承受的耗能容量不超过其工作耗能容量的80%，同时在20%的非线性电阻组件退出运行时，仍能满足灭磁要求。非线性电阻能够在尽可能短的时间内释放磁场能量，灭磁过程中，励磁绕组反向电压不高于50%。

式中：K1为容量储备系数，按中国电力行业标准DL/T583-1995，选取系数为1.25，是考虑灭磁电阻各并联组件串联了特种熔断器，运行中30%组件退出后仍保证可靠灭磁的要求;K2为耗能分配系数，因转子储能量不完全消耗于灭磁电阻中，还有转子电阻、磁场断路器、阻尼绕阻的整锻铁心中均有耗能，水发机组取经验值0.73，同时还要保证1.2倍安全裕度，所以综合考虑：确定发电机组灭磁能量3MJ。

4.3灭磁电阻残压计算

根据电力行业标准DL/T583-1995《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》4.5.2.a）所述，“灭磁过程中，励磁绕组反向电压一般不低于出厂试验时励磁绕组对地试验电压幅值的30%，不高于50%”。与励磁绕组回路直接相连的所有回路及设备，当额定励磁电压等于或小于500V时，其出厂试验电压为10倍额定励磁电压，最低不小于1500V。而当额定励磁电压大于500V时，其出厂试验电压为2倍额定励磁加4000V，最低不小于5000V。

式中：UfN——发电机额定励磁电压。

为确保灭磁开关分断时磁场能量顺利转移，非线性电阻残压的选择宜低不宜高，综合考虑取灭磁电阻残压取：URV=1400V

5.励磁绕组正向过电压保护动作值计算

A. 最低定值

整流桥产生的换相过电压限制在阳极电压的2.0倍，即：

自动灭磁装置正常动作时产生的过电压值：1260V

B. 最高定值

与励磁绕组并联的可控硅跨接器的触发电压不得低于自动灭磁装置正常动作时产生的过电压值，同时不得高于如下值：

Ufn——发电机额定励磁电压。

综合考虑：可控硅跨接器的触发电压（正向过电压保护动作值）取为：2000V。

6.灭磁开关选型计算

6.1.额定电压的核算

额定电压是磁场断路器运行所参考的电压，磁场断路器应能在机端三相短路、最大磁场电压及空载误强励等严重灭磁工况下独立、成功地断开发电机磁场电流，弧压应满足最严重灭磁工况下的灭磁要求。按整流单元交流输入额定电压值计算：

UfT2— 励磁变二次侧电压;

故选取灭磁开关额定电压为1000V。

6.2额定短时电压的核算

额定短时电压是磁场断路器主触头需要分断转子短路电流的转子回路最高直流电压，该电压值不小于转子励磁电源的顶值电压。为了在机端三相短路时能够切断短路电流的直流分量，要求断路器具有在短时内承受灭磁电阻反向电压的能力，按照ANSI/IEEE C37.18标准所给定的短路电流的最大系数=2.5，大古电站发电机组的最大计算电流Ifmax及SiC非线性灭磁电阻的反向峰值电压USiC，dmax计算如下：Ifmax=2.5Ifn=2.5×1949=4873A

Ifn — 额定励磁电流;

故选取灭磁开关额定电压为1000V。

6.3额定最大分断电压的核算

根据ANSI/IEEE C37.18标准，额定最大分断电压的计算公式如下：

Emax— 励磁系统直流侧最高输出电压，按下面公式计算：

事实上，灭磁电阻两端电压和整流桥输出的电压不可能同时达到最大，厂家试验测试报告显示最大分断电压可达到2000V，完全满足要求。

6.4额定电流的核算

根据要求，磁场断路器的额定电流应不小于额定励磁电流的1.2倍。

式中： Ifn— 额定励磁电流;

选取灭磁开关额定电流为2560A，并留有充足裕度。

7.起励回路计算

7.1直流起励限流电阻核算