波波里水電站勵(lì)磁系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

鄧 叢 林， 陳 鵬

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

1 概 述

波波里水電站地處西非科特迪瓦共和國薩桑德拉河上，位于納瓦(Nawa)瀑布下游約14 km處，屬熱帶雨林氣候,最高氣溫可達(dá)45 ℃,月平均溫度35 ℃。

電站采用河床式開發(fā)，總裝機(jī)3×37.63 MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定電壓為10.5 kV。采用發(fā)變組單元接線經(jīng)50 MVA雙繞組油浸式變壓器升壓后，分別通過235 kV 架空輸電線路接入波波里235 kV變電站。

電站采用自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁變采用戶內(nèi)、自冷環(huán)氧樹脂澆注三相干式勵(lì)磁變。勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)置4組柜子，包括1組調(diào)節(jié)器柜、2組功率柜和l組滅磁柜；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)有A、B兩個(gè)自動(dòng)通道，每個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)通道均由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(AVR)+手動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)(FCR)組成，配置具有角加速度信號輸入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS，PSS模型采用IEEE 2B模型；功率柜采用冗余強(qiáng)制通風(fēng)冷卻；轉(zhuǎn)子滅磁采用SiC非線性滅磁電阻。

勵(lì)磁系統(tǒng)主要元器件選型設(shè)計(jì)是勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，針對該電站勵(lì)磁系統(tǒng)主要元器件選型，給出了一些關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算方法，可供類似項(xiàng)目參考。

2 勵(lì)磁變壓器選型

2.1 二次側(cè)額定線電壓的計(jì)算

勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓的2倍，當(dāng)發(fā)電機(jī)端正序電壓為額定值時(shí)，勵(lì)磁頂值電壓予以保證。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

考慮到實(shí)際使用中交直流電纜均采用銅纜，電阻率很小，且長度均較短，故可忽略XL、RT和RL，則公式(1)簡化為：

(3)

式中U2N為勵(lì)磁變額定二次線電壓，單位為伏(V)；Ku為勵(lì)磁系統(tǒng)電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)；Ufn為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓，單位為伏(V)，ΔUc為 晶閘管元件、碳刷、滑環(huán)、線路等部分附加壓降，單位為伏(V)；一般取5～10 V[2]；K為整流橋陽極電壓下降系數(shù)，αmin為勵(lì)磁系統(tǒng)允許輸出的晶閘管最小觸發(fā)角，取10°；XT為由勵(lì)磁變至整流橋交流輸入端之間的每相換向電抗，單位為歐(Ω)；Ki為勵(lì)磁系統(tǒng)電流強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，一般取2。則根據(jù)公式(3)，勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓U2N：

(4)

考慮到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)薄弱，電壓支撐需求迫切，實(shí)際選型勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓U2N取710 V，基本可滿足2.5倍強(qiáng)勵(lì)磁電壓需求。因而，公式(3)更簡單，更具有操作性。

2.2 勵(lì)磁變?nèi)萘坑?jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)中勵(lì)磁變額定容量計(jì)算方法，勵(lì)磁變額定容量Sth為：

=1 310 kVA

(5)

實(shí)際選型勵(lì)磁變?nèi)萘咳? 400 kVA。

3 可控硅選型

3.1 可控硅峰值電壓選擇計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)，晶閘管單管所承受的正反向重復(fù)峰值電壓URRM應(yīng)滿足如下公式[3]：

(6)

式中URRM為晶閘管單管所承受的正反向重復(fù)峰值電壓，單位伏(V)；Ku為電壓裕度系數(shù)，取1.05～1.1；Kb為過電壓倍數(shù)，取2.4～2.7。

按照在1.1倍額定負(fù)荷運(yùn)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(lì)磁變壓器二次側(cè)最大峰值電壓考慮，則該電站可控硅峰值電壓需滿足：

=2 760 V

(7)

實(shí)際選型晶閘管正反向重復(fù)峰值電壓URRM取4 200 V。

3.2 常溫下可控硅平均通態(tài)電流的選擇計(jì)算

晶閘管整流橋并聯(lián)支路數(shù)N為2，采用N-1冗余，即一橋故障時(shí)能滿足包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)的所有功能，在任何工況下，可控硅的溫度不超過設(shè)計(jì)允許值110 ℃。

(8)

式中IR,MAX為單個(gè)整流橋最大輸出電流(持續(xù)時(shí)間不小于1 min)A；K1為均流系數(shù)，按自然均流考慮取0.9，單柜運(yùn)行時(shí)取1。

則根據(jù)公式(8)，電站單個(gè)功率柜最大輸出電流IR.MAX應(yīng)滿足：

(9)

為了提高選型設(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)大于單柜可能出現(xiàn)的最大輸出工況下的柜內(nèi)橋臂的正向平均電流值。

(10)

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，單位安(A)；K2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。則根據(jù)公式(10)，電站單個(gè)晶閘管元件的額定正向平均通態(tài)電流IT.AV(SC)應(yīng)滿足：

(11)

實(shí)際選型晶閘管額定正向平均通態(tài)電流IT.AV(SC)取2 040 A。

4 快速熔斷器選型

在整流橋支臂上串聯(lián)快速熔斷器是必要的，在整流回路過載、可控硅誤導(dǎo)通或被擊穿短路等情況下，可以在極短時(shí)間內(nèi)把電源斷開以切除故障，保護(hù)晶閘管元件，保障整套勵(lì)磁系統(tǒng)裝置持續(xù)運(yùn)行。

4.1 額定電壓選擇計(jì)算

快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于整流橋交流側(cè)額定電壓。

UrN≥KruU2N

(12)

式中UrN為快速熔斷器額定電壓，單位伏(V)；Kru為裕度系數(shù)，取1.2～1.3；U2N為勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓，單位伏(V)；則根據(jù)公式(12)，整流橋支臂上快速熔斷器額定電壓滿足：

UrN≥ 1.2×710=852V

(13)

實(shí)際選型快速熔斷器額定電壓取值為1 000 V。

4.2 額定電流選擇計(jì)算

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

(14)

式中IrN為快速熔斷器額定電流，單位安(A)；IR.N為單個(gè)整流橋額定輸出電流，單位安(A)。

單個(gè)整流橋額定輸出電流應(yīng)大于N-1柜時(shí)額定工況下單柜輸出電流，即滿足如下公式要求：

(15)

式中K3為裕度系數(shù)，一般取1.1；K1為均流系數(shù)，單柜運(yùn)行時(shí)取1。則快速熔斷器額定電流需滿足：

(16)

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，實(shí)際熔斷器額定電流取值為1 400 A。

4.3 分?jǐn)嗳萘窟x擇計(jì)算

考慮整流柜單臂晶閘管擊穿短路，極端情況下此短路電流相當(dāng)于交流側(cè)三相短路電流[4]，考慮到空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)發(fā)生可控硅被擊穿，則最大短路電流Id1.max為：

(17)

快速熔斷器分?jǐn)嗳萘繎?yīng)大于最大短路電流，需滿足：

(18)

實(shí)際選型快速熔斷器分?jǐn)嗳萘窟x取為100 kA。

4.4 I2t值的確認(rèn)

快速熔斷器的弧前I2t值和熔斷I2t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。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。

所選擇的快熔型號為RS8-1000V/1400 A-P2m105NK，其額定電壓下的弧前焦耳積分值為I2tp=0.762 MA2s，熔斷焦耳積分值為I2ta=4.137 MA2s，再根據(jù)修正系數(shù)修正燃弧I2t值，燃弧I2t值找出熔斷I2t與弧前I2t的差。

勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓U2N=710 V，由I2t校正曲線，可得在此電壓下的校正系數(shù)為0.66，則此電壓下的熔斷器I2t值為：

I2t=0.762+(4.137-0.762)×0.66

=2.990 MA2s

(19)

根據(jù)所選DCR2040L42可控硅參數(shù)，當(dāng)tp=10 ms時(shí)，I2t=4.50 MA2s。

比較兩個(gè)元件的I2t值，快速熔斷器I2t值2.990 MA2s小于可控硅I2t值4.50 MA2s，快速熔斷器可以有效保護(hù)可控硅。

考慮一組柜退出且強(qiáng)勵(lì)時(shí)，流過快速熔斷器的電流為熔電器額定電流的倍數(shù)為：

(20)

5 滅磁電阻選型及過電壓設(shè)值

5.1 滅磁電阻容量計(jì)算

(1)空載誤強(qiáng)勵(lì)下發(fā)電機(jī)滅磁電阻能容量。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，空載誤強(qiáng)勵(lì)可采用兩段線性化方式計(jì)算，結(jié)合發(fā)電機(jī)空載特性曲線(圖1)，當(dāng)勵(lì)磁電流位于0～I(xiàn)f0區(qū)間時(shí)為線性段，以T’do計(jì)算轉(zhuǎn)子電感；當(dāng)勵(lì)磁電流為If0～2IfN區(qū)間時(shí)，近似為線性段，T’d1=T’do×0.155，則空載誤強(qiáng)勵(lì)轉(zhuǎn)子能量可由以下公式計(jì)算得出：

0.155×[(2×1 135)2-5302]=0.15+0.404=0.554 MJ

(21)

圖1 發(fā)電機(jī)空載特性曲線圖

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=Wf×K4×K5

=0.554×2/3×1.2=0.443 MJ

(22)

式中WfN為滅磁電阻耗能，單位兆焦(MJ)；K4為耗能系數(shù)，考慮定子漏抗、磁場飽和、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，一般取2/3；K5為裕度系數(shù)，一般取1.2。

選擇種桑能手農(nóng)戶重點(diǎn)扶持，適當(dāng)集中土地資源進(jìn)行專業(yè)種桑；選擇養(yǎng)蠶能手農(nóng)戶重點(diǎn)扶持，適當(dāng)集中房屋資源，購置先進(jìn)的養(yǎng)蠶設(shè)施進(jìn)行專業(yè)養(yǎng)蠶；種桑農(nóng)戶的桑葉供應(yīng)養(yǎng)蠶農(nóng)戶養(yǎng)蠶，使其建立分工合作的生產(chǎn)協(xié)作關(guān)系.

(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)磁電流值(短路發(fā)生0.1 s后，也稱為非周期分量)If3D約為3倍額定勵(lì)磁電流[6]。

If3D≈3×Ifn≈3×1 135=3 405(A)

(23)

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)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電感是常數(shù)。則機(jī)端三相短路時(shí)的轉(zhuǎn)子能量為：

=0.5×3 4052×1.5×0.29=2.52(MJ)

(24)

此時(shí)需要根據(jù)溫度修正轉(zhuǎn)子繞組電阻：

(25)

水電機(jī)組在機(jī)端三相短路情況下，在故障切除瞬時(shí)，短路持續(xù)時(shí)間通常在0.1 s內(nèi)，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%[7]，因此，在計(jì)算滅磁電阻所承受的滅磁容量時(shí)需要考慮衰減因素。滅磁電阻的額定能容在上述基礎(chǔ)上還需考慮耗能系數(shù)，并留有20%的裕度，即：

WfN=Wf×K6×K4×K5

=0.81 MJ

(26)

式中K6為衰減系數(shù)，取0.4。

實(shí)際選型SiC滅磁電阻容量選取為1 MJ,滿足設(shè)備滅磁要求。

5.2 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)設(shè)定值的選擇

根據(jù)規(guī)定，轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)的設(shè)定值應(yīng)該高于整流橋換相過電壓，且小于轉(zhuǎn)子繞組對地耐壓水平的70%[8]。

整流橋的換相過電壓可以達(dá)到勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓峰值的2.5倍，則整流橋換相過電壓值為：

(27)

轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)的設(shè)定值應(yīng)高于上述值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)額定勵(lì)磁電壓小于或等于500 V時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣電壓為10倍額定勵(lì)磁電壓，但最低不得低于1 500 V[9]。額定勵(lì)磁電壓為355 V，則轉(zhuǎn)子繞組對地耐壓水平為3 550 V，轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)的設(shè)定值應(yīng)小于下述值：

(28)

因此，轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)設(shè)定值實(shí)際選取2 800 V。

6 滅磁開關(guān)選型

6.1 額定電壓選擇計(jì)算

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

(29)

所選開關(guān)的額定電壓值為1 000 V。

6.2 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。

IFB.N≥1.3×IfN=1.3×1 135=1 475.5 A

(30)

所選開關(guān)的額定電流值為1 600 A。

6.3 滅磁弧壓選擇計(jì)算

(1)滅磁開關(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:

UFB.arc≥UR+UE

(31)

式中：UFB.arc為滅磁開關(guān)斷口弧壓，單位伏(V)；UR為滅磁開關(guān)斷開時(shí)的滅磁電阻上出現(xiàn)的最高滅磁電壓，單位伏(V)；UE為滅磁開關(guān)斷開時(shí)的電源電壓，單位伏(V)。

滅磁電阻采用1串SiC非線性電阻，其滅磁電阻VA特性曲線為：

UR=35(I)0.4

(32)

(2)機(jī)端三相短路滅磁時(shí)磁場斷路器所需弧壓。此時(shí)電源電壓為0,勵(lì)磁電流按3倍額定勵(lì)磁電流考慮。磁場斷路器弧壓滿足：

UFB.arc≥UR+UE=0+35×(3 405)0.4=906 V

(33)

(3)空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)磁場斷路器所需弧壓。假設(shè)此時(shí)機(jī)組過壓保護(hù)動(dòng)作電壓為1.2倍機(jī)端額定電壓，延時(shí)0.1 s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1.3倍額定電壓，則此時(shí)的電源電壓UE為。

(34)

(4) 滅磁電阻上的電壓：

UR=35(I)0.4=35×(2×1 135)0.4=770 V

(35)

UFB.arc≥UR+UE=1 170+770=1 940 V

(36)

實(shí)選滅磁開關(guān)的弧壓為2 000 V，滿足要求。

7 結(jié) 語

本文通過波波里水電站，對勵(lì)磁系統(tǒng)中的勵(lì)磁變、晶閘管、快速熔斷器、滅磁電阻和滅磁開關(guān)等主要元器件參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的選型計(jì)算，完整呈現(xiàn)了水電站勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵元器件參數(shù)的選型計(jì)算過程全貌，可供類似項(xiàng)目參考和借鑒。目前，針對勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)選型計(jì)算還沒有相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，只有一些書籍和設(shè)備廠家資料供參考，造成了相關(guān)參數(shù)選擇計(jì)算公式不統(tǒng)一，各家自成一體。本文以波波里水電站為例，從理論上詳細(xì)推導(dǎo)了相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式的來源和構(gòu)成，對一些比較主觀的系數(shù)盡量客觀地去解析其取值過程和范圍，如理論推導(dǎo)了勵(lì)磁變低壓側(cè)額定電壓簡化計(jì)算公式，通過分析直流側(cè)短路電流特點(diǎn)提出快速熔斷器分?jǐn)嗳萘繎?yīng)按空載誤強(qiáng)勵(lì)下勵(lì)磁變低壓側(cè)三相短路電流來計(jì)算的思路，詳細(xì)解析了快速熔斷器的I2t值構(gòu)成和滅磁電阻能容量值的計(jì)算系數(shù)，以期做到公式的應(yīng)用更易懂，更科學(xué)、客觀，更標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用。