孔維義

（錦州熱電公司，遼寧錦州121017）

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燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造計(jì)算

孔維義

（錦州熱電公司，遼寧錦州121017）

由于貫流式水輪機(jī)組的固有特性，使得貫流式水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有其自身特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)直崗拉卡水電站勵(lì)磁系統(tǒng)改造，為貫流式水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)技改提供應(yīng)用實(shí)踐，提出貫流式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造時(shí)的優(yōu)化方案，希望對(duì)今后貫流式機(jī)組勵(lì)磁改造提供參考。

貫流式機(jī)組；勵(lì)磁系統(tǒng)

1　簡(jiǎn)介

原勵(lì)磁系統(tǒng)是主機(jī)廠配套生產(chǎn)，自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁變壓器型號(hào)為ZSCB9-1000/10.5，副邊沒(méi)裝手動(dòng)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(gè)自動(dòng)通道（AVR），沒(méi)有按恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)的手動(dòng)通道（FCR），不滿足DLT583-2006要求，由于沒(méi)有FCR通道，短路升流或零起升壓試驗(yàn)十分復(fù)雜，必須使用廠家配套的專用調(diào)試軟件和購(gòu)買廠家授權(quán)的軟件狗（KEY）。AVR兩個(gè)調(diào)節(jié)通道是由兩個(gè)GE9030 PLC構(gòu)成，包括電源、開入、開出、CPU、通訊模塊、LCP顯示器，勵(lì)磁參數(shù)由LCP輸入，通訊模塊是國(guó)外訂做的，PSS模型是2A型，現(xiàn)電網(wǎng)要求2B型，從2005年投運(yùn)到2011年，6年時(shí)間，原廠已不生產(chǎn)此型號(hào)，備件采購(gòu)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(gè)功率柜滿足機(jī)組強(qiáng)勵(lì)要求，原勵(lì)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(lì)磁變二次電流互感器滿足FCR調(diào)節(jié)用，計(jì)算機(jī)監(jiān)控和保護(hù)要符合原設(shè)計(jì)，要求AVR兩個(gè)調(diào)節(jié)通道采用單獨(dú)的PT、CT。

2　勵(lì)磁變壓器計(jì)算

2.1二次側(cè)額定線電壓計(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的80%時(shí)，勵(lì)磁頂值電壓予以保證。

勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算公式如下：

式中：

XT——?jiǎng)?lì)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(qiáng)勵(lì)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(jī)額定勵(lì)磁電壓，取275 V，按機(jī)端正序電壓降至80%UfN，保證強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2，則為所需頂值電壓。

則：

計(jì)算發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變壓器二次側(cè)線電壓UfN=565V。

原勵(lì)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(jì)算

勵(lì)磁變二次側(cè)線電流計(jì)算公式：

IfT2=0.816KImax

式中：

Imax——發(fā)電機(jī)額定勵(lì)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(jī)組勵(lì)磁變壓器二次側(cè)線電流IfT2=870A。

原勵(lì)磁變額定電流（A）高壓/低壓55/1049.7，滿足使用。

2.3勵(lì)磁變壓器額定容量計(jì)算勵(lì)磁變?nèi)萘坑?jì)算公式：

式中：

UfT2——?jiǎng)?lì)磁變二次側(cè)線電壓。

IfT2——?jiǎng)?lì)磁變二次側(cè)線電流。

則：

綜合考慮，取發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁標(biāo)準(zhǔn)變壓器容量為：1 000 kVA，保留原勵(lì)磁變繼續(xù)使用，不再更換。

3　可控硅計(jì)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(chǔ)備系數(shù)，取2。

Kji——電路系數(shù)，對(duì)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(lì)磁電流，取970。

Ip>（2×0.367×970×1.1）/0.9=870。

實(shí)際選取的晶閘管元件70℃時(shí)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(yán)重情況取0.85，計(jì)算nb=0.816，即單橋就能滿足額定勵(lì)磁電流運(yùn)行，雙橋并聯(lián)情況下可滿足所有工況運(yùn)行，實(shí)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(qiáng)勵(lì)要求。

3.2元件額定電壓

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。

其計(jì)算公式如下：

式中：

K——電壓裕度系數(shù)，取2.75。

UfT2——?jiǎng)?lì)磁變壓器二次側(cè)線電壓，取550 V。

所以：

?。篣RRM=2 800V

4　快速熔斷器

在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大、整流回路過(guò)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(guò)電流而損換，從而影響整套裝置的運(yùn)行安全穩(wěn)定性?？煽毓璩惺苓^(guò)電流能力比一般電器元件差的多，必須在極短時(shí)間內(nèi)把電源斷開或把過(guò)電流值降下來(lái)，而串接在可控硅整流橋支臂的快速熔斷器是一種最簡(jiǎn)單有效過(guò)流保護(hù)元件。

4.1電流等級(jí)選擇

快熔的額定電流是以有效值進(jìn)行表示的，快熔的額定電流大于或等于流過(guò)晶閘管的最大電流有效值，計(jì)算公式如下：

式中：

IT（AV）——被保護(hù)晶閘管額定電流。

IFU——快速熔斷器熔體的電流有效值。

ITM——流過(guò)晶閘管的最大電流有效值。其中，在單橋保證1.1倍額定運(yùn)行的工況下，則流過(guò)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(jí)選擇

快熔的額定電壓大于線路正常工作電壓（有效值），其計(jì)算公式如下：

式中：

KF——電壓裕度系數(shù)，取1.05。

UfT2——?jiǎng)?lì)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(lì)磁電纜計(jì)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(dāng)實(shí)際環(huán)境溫度不足基準(zhǔn)溫度時(shí)，則根據(jù)實(shí)際溫度按表1中數(shù)值進(jìn)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(wú)間距、雙層疊放，則并列敷設(shè)校正系數(shù)為0.7。

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

5.1直流電纜

直流側(cè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)壓保護(hù)計(jì)算

6.1滅磁容量計(jì)算

放電電阻采用氧化鋅非線性電阻。在最嚴(yán)重滅磁工況下，需要非線性電阻承受的耗能容量不超過(guò)其工作耗能容量的80%，同時(shí)在20%的非線性電阻組件退出運(yùn)行時(shí)，仍能滿足滅磁要求。非線性電阻能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)釋放磁場(chǎng)能量，滅磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組反向電壓不高于50%。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大儲(chǔ)能一般可按空載有控誤強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)的儲(chǔ)能計(jì)算，此時(shí)勵(lì)磁電流取為額定勵(lì)磁電流的2倍，鐵心進(jìn)入飽和區(qū)。根據(jù)電工理論、真機(jī)試驗(yàn)及大量的使用經(jīng)驗(yàn)，該能量值可如下估算：

（1）磁場(chǎng)繞組電感

Lfo=T’do×Rf（75℃）=0.972 4H

T’do=3.956 s Rf75℃=0.245 8Ω

（2）電機(jī)額定空載勵(lì)磁電流時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能Wf0

Wf0=0.5×Lf×I2f0=142826 J Ifo=542 A

（3）發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)最大儲(chǔ)能Wfmax

Wfmax=（3~5）Wf0=5×0.14=0.7

式中：

Wfmax—轉(zhuǎn)子繞組的最大儲(chǔ)能，J；

Wf0—轉(zhuǎn)子繞組的空載儲(chǔ)能，J；

Lf0—轉(zhuǎn)子繞組在空載時(shí)不飽和電感，H；

If0—空載勵(lì)磁電流，A；

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

Rf（75°）—轉(zhuǎn)子繞組直流電阻（75℃溫度時(shí)），Ω。

實(shí)際所需容量：

Wde=K1×K2×Wfmax=1.3×0.73×Wfmax=0.66MJ

式中：

K1為容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，按中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(chǔ)能量不完全消耗于滅磁電阻中，還有轉(zhuǎn)子電阻、磁場(chǎng)斷路器、阻尼繞阻及汽發(fā)機(jī)的整段鐵芯中均有耗能，水發(fā)機(jī)組取經(jīng)驗(yàn)值0.73；汽發(fā)機(jī)組取經(jīng)驗(yàn)值0.5。

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

6.2滅磁殘壓計(jì)算

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T583《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》所述，“滅磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組反向電壓一般不低于出廠試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁繞組對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值的30%，不高于50%”。與勵(lì)磁繞組回路直接相連的所有回路及設(shè)備，出廠試驗(yàn)電壓為10倍額定勵(lì)磁電壓。

綜合考慮取發(fā)電機(jī)組URV=1 400V

6.3過(guò)電壓保護(hù)計(jì)算

過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作電壓最低瞬時(shí)值高于最大整流電壓的峰值，并高于自動(dòng)滅磁裝置正常動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓值，動(dòng)作電壓最高瞬時(shí)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(guò)勵(lì)磁繞組出廠對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值的變化范圍不超過(guò)±10%。

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

自動(dòng)滅磁裝置正常動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)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(lì)磁繞組出廠對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%：

70%×2750=1 925 V

綜合考慮：

取轉(zhuǎn)子側(cè)正向過(guò)電壓動(dòng)作整定值為1 400 V；

采用氧化鋅非線性滅磁電阻兼作過(guò)壓保護(hù)，由過(guò)壓保護(hù)跨接器控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓超過(guò)過(guò)壓保護(hù)跨接器整定值時(shí)，過(guò)壓保護(hù)跨接器動(dòng)作，投入滅磁電阻，將轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓限制在滅磁殘壓值。

滅磁及過(guò)電壓保護(hù)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(guò)電壓保護(hù)整定值：2 000V

7　磁場(chǎng)斷路器選型

磁場(chǎng)斷路器的開斷弧壓滿足：

Uarc≥URV+Ud

式中：

Uarc——直流磁場(chǎng)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(fù)值，因此磁場(chǎng)斷路器的開斷弧壓只需大于滅磁電阻的殘壓即可實(shí)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(chǎng)斷路器。

8　改造后運(yùn)行情況

改造后裝置運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，零起升壓非常方便，參數(shù)整定方便，通過(guò)調(diào)差、欠勵(lì)、過(guò)勵(lì)、參數(shù)建模測(cè)試、進(jìn)相、PSS等系統(tǒng)試驗(yàn)，符合原設(shè)計(jì)要求，滿足國(guó)標(biāo)、25項(xiàng)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(hù)工作。