燈泡貫流水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)改造計算

孔維義

（錦州熱電公司，遼寧錦州121017）

?

燈泡貫流水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)改造計算

孔維義

（錦州熱電公司，遼寧錦州121017）

由于貫流式水輪機組的固有特性，使得貫流式水輪發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器有其自身特點。通過對直崗拉卡水電站勵磁系統(tǒng)改造，為貫流式水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)技改提供應(yīng)用實踐，提出貫流式水輪發(fā)電機機組勵磁系統(tǒng)改造時的優(yōu)化方案，希望對今后貫流式機組勵磁改造提供參考。

貫流式機組；勵磁系統(tǒng)

1　簡介

原勵磁系統(tǒng)是主機廠配套生產(chǎn)，自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)，勵磁變壓器型號為ZSCB9-1000/10.5，副邊沒裝手動調(diào)節(jié)用電流互感器，5面柜子（1面調(diào)節(jié)器柜、2面功率柜、1面滅磁柜、1面電阻柜），調(diào)節(jié)器設(shè)有A、B兩個自動通道（AVR），沒有按恒勵磁電流調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)的手動通道（FCR），不滿足DLT583-2006要求，由于沒有FCR通道，短路升流或零起升壓試驗十分復(fù)雜，必須使用廠家配套的專用調(diào)試軟件和購買廠家授權(quán)的軟件狗（KEY）。AVR兩個調(diào)節(jié)通道是由兩個GE9030 PLC構(gòu)成，包括電源、開入、開出、CPU、通訊模塊、LCP顯示器，勵磁參數(shù)由LCP輸入，通訊模塊是國外訂做的，PSS模型是2A型，現(xiàn)電網(wǎng)要求2B型，從2005年投運到2011年，6年時間，原廠已不生產(chǎn)此型號，備件采購困難，特別是通訊模塊。

此次技改要求裝置要符合DLT583-2006要求，要有FCR功能，要有零起升壓功能，PSS模型為2B，單個功率柜滿足機組強勵要求，原勵磁變及高、低壓側(cè)交流電纜繼續(xù)使用，到轉(zhuǎn)子的直流電纜繼續(xù)使用，增加勵磁變二次電流互感器滿足FCR調(diào)節(jié)用，計算機監(jiān)控和保護要符合原設(shè)計，要求AVR兩個調(diào)節(jié)通道采用單獨的PT、CT。

2　勵磁變壓器計算

2.1二次側(cè)額定線電壓計算

勵磁系統(tǒng)頂值電壓為發(fā)電機額定勵磁電壓的2倍，當發(fā)電機端正序電壓為額定值的80%時，勵磁頂值電壓予以保證。

勵磁變壓器二次側(cè)電壓的計算公式如下：

式中：

XT——勵磁變壓器阻抗壓降（%），取6%。

Kα——校正系數(shù)，一般取0.90～1.05，此處取1。α——強勵控制角，在此取10°。

△U——串聯(lián)可控硅元件、線路及滑環(huán)等附加壓降，取5~10V。

UfN——發(fā)電機額定勵磁電壓，取275 V，按機端正序電壓降至80%UfN，保證強勵倍數(shù)為2，則為所需頂值電壓。

則：

計算發(fā)電機組勵磁變壓器二次側(cè)線電壓UfN=565V。

原勵磁變額定電壓（kV）高壓/低壓為10500 ±2×2.5%/550，滿足使用要求。

2.2二次側(cè)額定線電流計算

勵磁變二次側(cè)線電流計算公式：

IfT2=0.816KImax

式中：

Imax——發(fā)電機額定勵磁電流，取970A。

K——電流裕度系數(shù)，取1.1。

則：

IfT2=0.816×1.1×970=870 A

取發(fā)電機組勵磁變壓器二次側(cè)線電流IfT2=870A。

原勵磁變額定電流（A）高壓/低壓55/1049.7，滿足使用。

2.3勵磁變壓器額定容量計算勵磁變?nèi)萘坑嬎愎剑?/p>

式中：

UfT2——勵磁變二次側(cè)線電壓。

IfT2——勵磁變二次側(cè)線電流。

則：

綜合考慮，取發(fā)電機組勵磁標準變壓器容量為：1 000 kVA，保留原勵磁變繼續(xù)使用，不再更換。

3　可控硅計算

3.1常溫下可控硅平均通態(tài)電流的選擇

式中：KSA——電流儲備系數(shù)，取2。

Kji——電路系數(shù)，對三相全控橋取0.367。

K4——海拔高度系數(shù)，取1.1。

K6——風(fēng)速降低，溫度上升，取0.9。

K2——風(fēng)速系數(shù)，5m/s，取1.0。

KS——環(huán)境溫度系數(shù)，40℃取1.0。Id——額定勵磁電流，取970。

Ip>（2×0.367×970×1.1）/0.9=870。

實際選取的晶閘管元件70℃時通態(tài)平均電流In=1 255 A，則并聯(lián)數(shù)

式中：K7為均流系數(shù)，若按最嚴重情況取0.85，計算nb=0.816，即單橋就能滿足額定勵磁電流運行，雙橋并聯(lián)情況下可滿足所有工況運行，實際選取并聯(lián)支路數(shù)為2，留有合適的裕量。

一條支路滿足系統(tǒng)強勵要求。

3.2元件額定電壓

在1.1倍額定負荷運行溫度下，晶閘管整流器所能承受的反向峰值電壓不小于2.75倍勵磁變壓器二次側(cè)最大峰值電壓。

其計算公式如下：

式中：

K——電壓裕度系數(shù)，取2.75。

UfT2——勵磁變壓器二次側(cè)線電壓，取550 V。

所以：

取：URRM=2 800V

4　快速熔斷器

在電網(wǎng)電壓波動較大、整流回路過載以及可控硅誤導(dǎo)通和可控硅擊穿短路的情況下，容易造成可控硅過電流而損換，從而影響整套裝置的運行安全穩(wěn)定性。可控硅承受過電流能力比一般電器元件差的多，必須在極短時間內(nèi)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。

4.1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流過晶閘管的最大電流有效值，計算公式如下：

式中：

IT（AV）——被保護晶閘管額定電流。

IFU——快速熔斷器熔體的電流有效值。

ITM——流過晶閘管的最大電流有效值。其中，在單橋保證1.1倍額定運行的工況下，則流過橋臂電流有效值為最大：

ITM=0.577×1.1×Ifn=0.577×1.1×970=615.6A

所以：

2 374A≥IFU≥615.6A

取快熔的額定電流：IFU=1 000A

4.2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(shù)，取1.05。

UfT2——勵磁變壓器二次側(cè)線電壓，550V。

取快熔的額定電壓：UFV=1 000 V

5　勵磁電纜計算

電纜載流量環(huán)境溫度校正系數(shù)：敷設(shè)環(huán)境溫度在空氣中以＋40℃為基底。當實際環(huán)境溫度不足基準溫度時，則根據(jù)實際溫度按表1中數(shù)值進行校正。

表1　

電纜載流量并列敷設(shè)校正系數(shù)：考慮疊放方式為梯架方式，無間距、雙層疊放，則并列敷設(shè)校正系數(shù)為0.7。

按現(xiàn)場敷設(shè)環(huán)境溫度40℃考慮，根據(jù)電纜選型手冊以及《電工計算手冊》可知1mm2通過2.5 A電流計算電纜截面完全滿足現(xiàn)場敷設(shè)的技術(shù)要求。

5.1直流電纜

直流側(cè)長期輸出電流：970×1.15=1 122 A

原每極采用3根單芯185mm2電纜，需要并聯(lián)的電纜根數(shù)核算

即：直流電纜每極3根185mm2共需6根直流電纜，采用原電纜。

5.2交流電纜交流側(cè)長期工作電流：870×1.15×0.816=915.5A原采用5根3×95mm2電纜，需要并聯(lián)的電纜根數(shù)核算

即：交流電纜5根3×95mm2電纜，采用原電纜。

6　滅磁及過壓保護計算

6.1滅磁容量計算

放電電阻采用氧化鋅非線性電阻。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(nèi)釋放磁場能量，滅磁過程中，勵磁繞組反向電壓不高于50%。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子最大儲能一般可按空載有控誤強勵狀態(tài)的儲能計算，此時勵磁電流取為額定勵磁電流的2倍，鐵心進入飽和區(qū)。根據(jù)電工理論、真機試驗及大量的使用經(jīng)驗，該能量值可如下估算：

（1）磁場繞組電感

Lfo=T’do×Rf（75℃）=0.972 4H

T’do=3.956 s Rf75℃=0.245 8Ω

（2）電機額定空載勵磁電流時磁場儲能Wf0

Wf0=0.5×Lf×I2f0=142826 J Ifo=542 A

（3）發(fā)電機磁場最大儲能Wfmax

Wfmax=（3~5）Wf0=5×0.14=0.7

式中：

Wfmax—轉(zhuǎn)子繞組的最大儲能，J；

Wf0—轉(zhuǎn)子繞組的空載儲能，J；

Lf0—轉(zhuǎn)子繞組在空載時不飽和電感，H；

If0—空載勵磁電流，A；

T’d0—定子繞組三相開路時，轉(zhuǎn)子繞組時間常數(shù)，s；

Rf（75°）—轉(zhuǎn)子繞組直流電阻（75℃溫度時），Ω。

實際所需容量：

Wde=K1×K2×Wfmax=1.3×0.73×Wfmax=0.66MJ

式中：

K1為容量儲備系數(shù)，按中國電力行業(yè)標準DL/T583要求應(yīng)為1/0.8=1.25，一般可取1.3，是考慮滅磁電阻各并聯(lián)組件串聯(lián)了特種熔斷器，運行中30%組件退出后仍可保證可靠滅磁的要求；

K2為耗能分配系數(shù)，因轉(zhuǎn)子儲能量不完全消耗于滅磁電阻中，還有轉(zhuǎn)子電阻、磁場斷路器、阻尼繞阻及汽發(fā)機的整段鐵芯中均有耗能，水發(fā)機組取經(jīng)驗值0.73；汽發(fā)機組取經(jīng)驗值0.5。

綜合考慮：發(fā)電機組滅磁能量取Wde=0.72MJ，取3串12并，共3條。

6.2滅磁殘壓計算

根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T583《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》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(shè)備，出廠試驗電壓為10倍額定勵磁電壓。

綜合考慮取發(fā)電機組URV=1 400V

6.3過電壓保護計算

過電壓保護動作電壓最低瞬時值高于最大整流電壓的峰值，并高于自動滅磁裝置正常動作時產(chǎn)生的過電壓值，動作電壓最高瞬時值低于功率整流橋（1）最低值校核

的最大允許電壓，且最大不超過勵磁繞組出廠對地耐壓試驗電壓幅值的70%，過電壓保護動作值的變化范圍不超過±10%。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，可控硅整流橋產(chǎn)生的換相過電壓限制在陽極電壓峰值的2.0倍，即：

自動滅磁裝置正常動作時產(chǎn)生的過電壓值：1 400V

（2）最高值校核

功率整流橋的最大允許電壓：2 800 V

勵磁繞組出廠對地耐壓試驗電壓幅值的70%：

70%×2750=1 925 V

綜合考慮：

取轉(zhuǎn)子側(cè)正向過電壓動作整定值為1 400 V；

采用氧化鋅非線性滅磁電阻兼作過壓保護，由過壓保護跨接器控制，當轉(zhuǎn)子繞組過電壓超過過壓保護跨接器整定值時，過壓保護跨接器動作，投入滅磁電阻，將轉(zhuǎn)子繞組過電壓限制在滅磁殘壓值。

滅磁及過電壓保護裝置技術(shù)參數(shù)：

能容量：0.72MJ

容量裕度：>30%

內(nèi)部串并聯(lián)組合均能系數(shù)：>90%

最大滅磁殘壓：1 400 V

轉(zhuǎn)子側(cè)正向過電壓保護整定值：2 000V

7　磁場斷路器選型

磁場斷路器的開斷弧壓滿足：

Uarc≥URV+Ud

式中：

Uarc——直流磁場斷路器開斷弧壓；

URV——滅磁電阻殘壓，URV=1 400V；

Ud——整流柜輸出整流電壓。

我方提供的滅磁裝置采用輔助交流滅磁方式，即Ud為負值，因此磁場斷路器的開斷弧壓只需大于滅磁電阻的殘壓即可實現(xiàn)快速移能滅磁，即：

Uarc≥URV≥1 400 V

選擇ABB公司的E1B/EMS-1250A型直流磁場斷路器。

8　改造后運行情況

改造后裝置運行穩(wěn)定，人機界面友好，零起升壓非常方便，參數(shù)整定方便，通過調(diào)差、欠勵、過勵、參數(shù)建模測試、進相、PSS等系統(tǒng)試驗，符合原設(shè)計要求，滿足國標、25項反措要求。

TV734

B

1672-5387（2016）02-0025-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.008

2015-11-25

孔維義（1988-），男，助理工程師，從事電廠設(shè)備維護工作。