鄭少平,張輝琴,余珍昌
(中國水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810003)
白鶴灘左岸電站發(fā)電機(jī)具有電壓高、對地電容大的特點(diǎn),定子繞組交流耐壓需要的電源容量大。在定子下層繞組分瓣耐壓和完成整體絕緣后的分相耐壓前,預(yù)先計(jì)算試驗(yàn)所需的電源電流、容量等參數(shù),合理選擇400 V 交流電源和試驗(yàn)設(shè)備,可以做到一次耐壓成功,避免周折。
額定容量1 000 MW,額定功率因數(shù)0.9,額定電壓24 kV,定子繞組單相繞組對地電容3.53 μF,定子繞組線槽數(shù)810 槽。
定子繞組的每相對地電容和每相的繞組數(shù)可以近似認(rèn)為成正比,每相的繞組數(shù)為2×810/3 槽,則每根繞組的對地電容為3.53 μF/(2×810/3)=0.006 537 μF。
假定分2 瓣對定子下層繞組進(jìn)行耐壓,則每瓣的對地電容為405×3.53 μF/(2×810/3)=2.647 5 μF。根據(jù)GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》可知,定子下層繞組耐壓的標(biāo)準(zhǔn)是UT=2.5UN+2 kV=2.5×24+2=62(kV)。已知耐壓繞組的電容和電壓,計(jì)算2 瓣相應(yīng)的高壓電流為IH=ωUHC=314×62×103×2.647 5×10-6=51.54(A),由此可以計(jì)算出高壓容量SH=UTIH=62×103×51.541=3 195.6(kVA)。假定水輪發(fā)電機(jī)定子繞組交流耐壓的諧振品質(zhì)因數(shù)為12(經(jīng)驗(yàn)值),品質(zhì)因數(shù)也可以近似認(rèn)為是高壓容量與輸入低壓容量之比,則需要的低壓容量SL=SH/12=3 195.6/12=266.3(kVA),低壓電源采用400 V,則低壓電流IL=SL/UL=266.3/0.4=665.7(A)。
白鶴灘左岸電站首臺發(fā)電機(jī)(1 號機(jī)組)下層繞組耐壓時,試驗(yàn)電源取自主安裝間,距離1 號機(jī)組較遠(yuǎn),距離約420 m。到1 號機(jī)組的配電方式是:從1 250 kVA 的施工變接3×240+120 的電纜到4號機(jī)組段的分電盤,電纜長約240 m;再從分電盤接3×185+90 的電纜到串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置,該段電纜長約180 m,電纜長了不宜鋸短。試驗(yàn)時調(diào)壓變使用的電源是2 相,計(jì)算電纜的回路電阻和電阻性壓降。
電阻計(jì)算公式:R=ρL/S
第一段電纜每相電阻
第二段電纜每相電阻
來回電阻R=2×(0.017 8+0.017 3)=0.0702(Ω)
在試驗(yàn)中可產(chǎn)生的最大壓降
電源電壓為400 V,經(jīng)過這個壓降后,電壓降為353.27 V,試驗(yàn)時353.27 V 低于一般400 V 設(shè)備90%低壓動作值360 V,故下層線圈分2 瓣耐壓可能會因低電壓動作而試驗(yàn)難以進(jìn)行,下層線圈分2瓣耐壓無法進(jìn)行。
假定分3 瓣對定子下層繞組進(jìn)行耐壓。重復(fù)上述耐壓試驗(yàn)的公式計(jì)算,定子下層分3 瓣的對地電容是270×3.53/(2×810/3)=1.765(μF)。
定子下層繞組耐壓試驗(yàn)值UT=2.5Un+2=2.5×24+2=62(kV),計(jì)算定子下層分3 瓣耐壓時高壓電流為IH=314×62×103×1.765×10-6=34.36(A),高壓容量SH=62×103×34.36 =2 130.4(kVA),低壓容量SL=2 130.4/12=177.53(kVA),低壓電流IL=177.53/0.4=443.8(A),電源電纜距離相同,此時低壓電纜上產(chǎn)生的電阻性壓降ΔU=443.8×0.070 2=31.2(V),耐壓設(shè)備可用電壓為400-31.2=368.8(V),高于低電壓脫扣動作值,可知,定子下層繞組分3 瓣進(jìn)行交流耐壓方案可行。將定子下層分2 瓣和分3瓣的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,見表1:
表1 定子下層分2 瓣和3 瓣的計(jì)算數(shù)據(jù)對比表
在確定電源條件滿足對下層線圈耐壓后,還要進(jìn)一步復(fù)核串聯(lián)諧振設(shè)備的搭配能不能覆蓋分3 瓣時每瓣的電容值。
諧振的條件:ωL=1/(ωC)
計(jì)算試驗(yàn)電感量
串聯(lián)諧振設(shè)備配置電感有2 只11 H 固定電感,1 只12 H 固定電感,一臺可調(diào)電感8.41~50.66 H。計(jì)劃選用1 只11 H 電感與可調(diào)電感并聯(lián)。設(shè)需要的可調(diào)電感值為LR,根據(jù)下列公式計(jì)算:1/5.746=1/LR+1/11,可知LR=12.03(H),LR在可調(diào)電感的調(diào)節(jié)范圍內(nèi),諧振條件滿足,根據(jù)串聯(lián)諧振試驗(yàn)接線圖進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備的接線,具體接線詳見試驗(yàn)接線圖1。
圖1 下層繞組耐壓串聯(lián)諧振設(shè)備接線圖
根據(jù)上述可知,1 號機(jī)組定子下層繞組交流耐壓采用分3 瓣進(jìn)行耐壓(即810/3=270 根)試驗(yàn),為了便于現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備的布置和操作便利,根據(jù)槽號將定子下層繞組分為189~458、459~728、729~188三組,具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。
表2 下層繞組交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果
表3 定子繞組整體分相交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果
在試驗(yàn)準(zhǔn)備開始前測量電源電壓時發(fā)現(xiàn),電源電壓比理論計(jì)算值要低,分析發(fā)現(xiàn),因在計(jì)算中忽略了電纜導(dǎo)線的自身電抗值,從而導(dǎo)致電源電壓的降低。于是將施工變輸出電壓調(diào)整到了10.25 kV/400 V檔,調(diào)整后施工變輸出約410 V。下面是實(shí)際試驗(yàn)時的每瓣高壓電流34.0 A、電壓62.0 kV,低壓電流389 A、電壓379 V,換算諧振品質(zhì)因數(shù)約為14.17。
后續(xù)機(jī)組在下層繞組分瓣耐壓時,如果離電源距離近,下層繞組可分2 瓣耐壓,固定電抗的配備要重新計(jì)算。
根據(jù)GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》可知,定子分相整體交流耐壓電壓UT=2UN+3 kV,即51 kV。計(jì)算試驗(yàn)高壓電流IH=ωUHC=314×51×103×3.53×10-6=56.53(A), 計(jì)算高壓容量SH=UT×IH=51×56.53=2 883(kVA),計(jì)算低壓容量,假設(shè)諧振品質(zhì)因數(shù)為12(經(jīng)驗(yàn)值),SL=SH/12=2 883/12=240.25(kVA),試驗(yàn)電源400 V 低壓側(cè)電流IL=240.25/0.4=600.6(A)。因1 號機(jī)組離供電電源側(cè)較遠(yuǎn),為滿足交流耐壓對電源的要求,需要在1 號機(jī)旁增設(shè)一臺1 250 kVA 施工變以便為定子整體交流耐壓供電,以此來降低長距離電纜壓降,串聯(lián)諧振耐壓裝置之間使用約30 m 的3×240 電纜進(jìn)行連接。待試驗(yàn)結(jié)束后,便移走增設(shè)的一臺試驗(yàn)變。
可以從分相整體交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果可以看出,試驗(yàn)高壓51 kV、電流54.4 A,400 A 側(cè)電流1 100 A、電壓381 V,換算諧振品質(zhì)因數(shù)約為6.66。與計(jì)算的400 V 輸入電流與實(shí)際偏差較大和諧振品質(zhì)因數(shù)偏差也較大。通過對分瓣交流耐壓試驗(yàn)和分相交流耐壓試驗(yàn)的觀察和分析,發(fā)現(xiàn)分瓣耐壓時,電暈小、聲音小,則有功損耗也小;而在分相整體耐壓時,電暈大、噪聲大,造成的有功損耗也大,諧振品質(zhì)因數(shù)低。建議在今后發(fā)電子定子繞組整體耐壓時,400 V交流配電容量要預(yù)留充足一些。
串聯(lián)諧振激勵變壓器輸出抽頭有8.1 kV 和8.57 kV 兩檔,其檔位的選擇需合理的選用。在設(shè)備耐壓試驗(yàn)時達(dá)到所需的高壓電壓、高壓電流是一定的,那么相應(yīng)的設(shè)備容量一定,假定諧振品質(zhì)因數(shù)一定,所需的低壓容量一定了。對激勵變壓器來說,輸出抽頭選高一點(diǎn)的電壓,其輸入電壓就會低一些,但需要的總?cè)萘渴且欢ǖ?,勢必造成其輸入的電流會多一些。再往前推,試?yàn)用的調(diào)壓器是接觸型的,那么就會造成調(diào)壓器的輸出電流多一些,大電流對調(diào)壓器的滑動觸頭是不利的,故激勵變壓器一般優(yōu)先選擇電壓低的輸出抽頭。建議在今后試驗(yàn)中參考借鑒。
本文中定子繞組下層分瓣交流耐壓和整體分相交流耐壓試驗(yàn)計(jì)算所用的都是常規(guī)公式,按計(jì)算結(jié)果配備了試驗(yàn)電源容量,并留有一定的余量,通過對交流耐壓所用數(shù)據(jù)的合理推算,將影響試驗(yàn)結(jié)果的一些風(fēng)險(xiǎn)因素提前科學(xué)解決,有效解決了試驗(yàn)過程中因電壓不足跳閘、電纜發(fā)熱和調(diào)壓器滑動觸頭起弧等問題,避免了造成設(shè)備損壞和試驗(yàn)工期的延期。在今后的發(fā)電機(jī)定子繞組交流耐壓試驗(yàn)過程中還應(yīng)注意多積累經(jīng)驗(yàn),為此項(xiàng)試驗(yàn)提供跟多借鑒參考的數(shù)據(jù)。