大古電站勵磁系統的設計與選型

范龍

摘要：通過對本電站同步發電機勵磁系統主接線和勵磁變壓器型號選擇，勵磁方式和試驗等分析，結合大古水電站660MW 水輪發電機組安裝分析進行探討，分析本電站勵磁系統在設計選型驗證計算應注意的問題。

關鍵詞：發電機勵磁系統;計算;選型

1.發電機勵磁系統的結構組成

大古電站是采用4臺立式水輪發電機組與主變采用單元接線方式，機端出線母線電壓為13.8KV，并通過4臺主變升壓為500KV，接入二分之三雙母線GIS系統。本電站發電機采用自并勵磁方式對機組轉子繞組進行提供勵磁電流，勵磁系統主要有2套勵磁調節器和3套全橋可控硅整流裝置以及1套滅磁過電壓保護裝置與1套勵磁變壓器組成。

本電站機組的勵磁方式結構接線比較簡單，勵磁方式運行可靠，一般是當接到開機令，發電機轉子運轉到額定轉速的95%左右，自動或手動進入起勵，機組進入空載狀態，這是由2套勵磁調節器進入自動調節狀態，正常機組啟動都是采用殘壓起勵，若超過5秒為不成功，自動轉入直流勵磁方式起勵。起勵時間不超過8秒。

2.勵磁變壓器的選擇及計算

2.1 勵磁變壓器選擇

2.1.1 大多數的勵磁變壓器采用絕緣干式變壓器，隨著時代的進步，出現了很多新型絕緣材料運用到電網系統，我廠采用的是環氧樹脂型式的干式變壓器，具有良好的節能和環保性、在潮濕，抗雷電沖擊和突發短路影響很小。

2.1.2 我廠勵磁變壓器的接線方式是高壓側采用三角形接線方式，低壓側采用星形接線方式，接線組別為11， 根據勵磁系統所需提供的直流功率來決定勵磁變壓去的額定容量，一次側電壓由發電機端母線電壓確定，二次側電壓由勵磁系統的峰值電壓決定。所以在選擇時，電壓必須留有裕度，當一次側電壓降低20%，勵磁系統必須響應達到峰值電壓，滿足發電機的強勵磁功能。

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

2.2 三相勵磁變壓器的選型計算

2.2.1 勵磁變的變比和容量進行參數計算

1號發電機額定勵磁電流是1949A ， 發電機額定勵磁電壓是312V， 強勵磁倍數是2，可控硅最小控制角度是10度。按照全橋整流計算勵磁變二次側額定線電壓，勵磁系統頂值電壓滿足2倍額定勵磁電壓的要求，當發電機正序電壓為額定值的80%時，勵磁峰值電壓予以保證;勵磁變壓器二次側電壓計算公式如下：

2.2.2? 勵磁變二次額定線電流計算：

勵磁變二次側線電流計算公式：Ift2=0.816KIfn? ? 式中Ifn 為發電機額定勵磁電流，K為電流裕度系數，取1.1進行計算。那么Ift2=0.816×1.1×1949=1749.4A? 選取發電機組勵磁變壓器二次側線電流Ift2=1750A。

2.2.3? 勵磁變容量計算公式：

式中：UfT2——勵磁變二次側線電壓;IfT2—勵磁變二次側線電流

綜合考慮一定的容量裕度，發電機組勵磁變壓器容量選定為2300kVA。

2.2.4. 高壓側電流互感器計算高壓側計算公式：

ICT1—勵磁變高壓側電流;UfT1——勵磁變高壓側線電壓;SfT2—勵磁變容量。

3.可控硅元件選型計算

3.1額定電壓選擇

在額定負荷運行溫度下，可控硅整流器所能承受反向重復峰值電壓不小于2.75倍勵磁變壓器二次側最大峰值電壓。

3.2額定電流選擇

功率柜滿足1.1倍額定勵磁電流運行，則單個橋臂流過的電流平均值：

3.3快速熔斷器選型計算

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

3.4電流等級選擇

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

整流柜按單橋滿足1.1倍額定勵磁電流長期運行，則流過橋臂電流有效值為：

3.5電壓等級選擇

快熔的額定電壓大于線路正常工作電壓（有效值），其計算公式如下：

式中：KF——電壓裕度系數，取1.3;UfT2——勵磁變壓器二次側線電壓。

因此，考慮取快熔的額定電壓：UFU =1500V。

4.滅磁電阻容量計算

4.1電機滅磁工況

（1）發電機空載滅磁

發電機空載滅磁是指在發電機的轉速保持為同步轉速，電樞空載情況下，跳滅磁開關，滅磁時的起始電流為空載勵磁電流，此工況下滅磁能量相對較小。

（2）發電機額定滅磁

發電機額定滅磁時定子電流快速消失，由于氣隙磁場不發生突變，轉子電流相應降低至空載時水平，對應的轉子磁能損失透過氣隙消耗在定子側斷路器中，其后的滅磁工況類似空載滅磁。

（3）空載誤強勵滅磁

當發電機起動達額定轉速，勵磁電源投入尚未并網前，調節器故障出現空載誤強勵時，此時繼電保護若不動作，轉子電流將上升較快，根據機組參數可知，空載誤強勵時轉子的終值電流將會較高，但空載強勵電流不會超過額定勵磁電流。

（4）發電機端突然三相短路滅磁

對于發電機端三相突然短路狀態，當短路發生點在發電機低壓側斷路器以外，按發電機磁鏈守恒理論，此時可按發電機空載滅磁狀態考慮。如果三相短路發生在機端斷路器無法切除短路故障點時為最嚴重滅磁狀態。

4.2滅磁電阻容量選擇

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

式中：K1為容量儲備系數，按中國電力行業標準DL/T583-1995，選取系數為1.25，是考慮滅磁電阻各并聯組件串聯了特種熔斷器，運行中30%組件退出后仍保證可靠滅磁的要求;K2為耗能分配系數，因轉子儲能量不完全消耗于滅磁電阻中，還有轉子電阻、磁場斷路器、阻尼繞阻的整鍛鐵心中均有耗能，水發機組取經驗值0.73，同時還要保證1.2倍安全裕度，所以綜合考慮：確定發電機組滅磁能量3MJ。

4.3滅磁電阻殘壓計算

根據電力行業標準DL/T583-1995《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》4.5.2.a）所述，“滅磁過程中，勵磁繞組反向電壓一般不低于出廠試驗時勵磁繞組對地試驗電壓幅值的30%，不高于50%”。與勵磁繞組回路直接相連的所有回路及設備，當額定勵磁電壓等于或小于500V時，其出廠試驗電壓為10倍額定勵磁電壓，最低不小于1500V。而當額定勵磁電壓大于500V時，其出廠試驗電壓為2倍額定勵磁加4000V，最低不小于5000V。

式中：UfN——發電機額定勵磁電壓。

為確保滅磁開關分斷時磁場能量順利轉移，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.勵磁繞組正向過電壓保護動作值計算

A. 最低定值

整流橋產生的換相過電壓限制在陽極電壓的2.0倍，即：

自動滅磁裝置正常動作時產生的過電壓值：1260V

B. 最高定值

與勵磁繞組并聯的可控硅跨接器的觸發電壓不得低于自動滅磁裝置正常動作時產生的過電壓值，同時不得高于如下值：

Ufn——發電機額定勵磁電壓。

綜合考慮：可控硅跨接器的觸發電壓（正向過電壓保護動作值）取為：2000V。

6.滅磁開關選型計算

6.1.額定電壓的核算

額定電壓是磁場斷路器運行所參考的電壓，磁場斷路器應能在機端三相短路、最大磁場電壓及空載誤強勵等嚴重滅磁工況下獨立、成功地斷開發電機磁場電流，弧壓應滿足最嚴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算：

UfT2— 勵磁變二次側電壓;

故選取滅磁開關額定電壓為1000V。

6.2額定短時電壓的核算

額定短時電壓是磁場斷路器主觸頭需要分斷轉子短路電流的轉子回路最高 直流電壓，該電壓值不小于轉子勵磁電源的頂值電壓。為了在機端三相短路時能 夠切斷短路電流的直流分量，要求斷路器具有在短時內承受滅磁電阻反向電壓的能力，按照ANSI/IEEE C37.18標準所給定的短路電流的最大系數=2.5，大古電站發電機組的最大計算電流Ifmax及SiC非線性滅磁電阻的反向峰值電壓USiC，dmax計算如下：Ifmax=2.5Ifn=2.5×1949=4873A

Ifn — 額定勵磁電流;

故選取滅磁開關額定電壓為1000V。

6.3額定最大分斷電壓的核算

根據ANSI/IEEE C37.18標準，額定最大分斷電壓的計算公式如下：

Emax— 勵磁系統直流側最高輸出電壓，按下面公式計算：

事實上，滅磁電阻兩端電壓和整流橋輸出的電壓不可能同時達到最大，廠家試驗測試報告顯示最大分斷電壓可達到2000V，完全滿足要求。

6.4額定電流的核算

根據要求，磁場斷路器的額定電流應不小于額定勵磁電流的1.2倍。

式中： Ifn— 額定勵磁電流;

選取滅磁開關額定電流為2560A，并留有充足裕度。

7.起勵回路計算

7.1直流起勵限流電阻核算

根據公司要求，起勵設備所提供的起勵電流不大于發電機空載勵磁電流的 10%。即起勵電流按 10%額定空載勵磁電流設計。

式中：If——起勵電流;If0——額定空載勵磁電流;

7.2直流起勵限流電阻功率核算：WR=UQ÷RQ

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

實際上，考慮起勵時間不大于5s，起勵限流電阻功率按照計算功率的10%選取，即： 選取22Ω，300W大功率電阻6個并聯。

8.勵磁電纜計算

8.1直流電纜

直流側長期輸出電流：1949×1.1=2143.9A

如采用單芯185mm?電纜，需要并聯的電纜根數核算

即：直流電纜每極6根185mm?電纜，每臺機共需12根直流出線電纜。

8.2 交流電纜

交流側長期工作電流：1949×1.1×0.816=1749.4A

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

即：交流電纜每極5根185mm?電纜，每臺機共需15根直流出線電纜。

綜合所述大古電站勵磁系統設計應滿足《同步電機勵磁系統大中型同步電機勵磁系統技術要求》、《大中型水輪發電機微機勵磁調節器試驗及調整導擇》、《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》的相關要求，通過計算驗證以上選型參數符合大古電站勵磁系統的選型，滿足機組安全可靠運行設計要求。

參考文獻：

[1]方云峰.中小型水電站自并勵勵磁系統的設計與選型[J].黑龍江水利科技，2016，44（8）：71-73.