鄧 叢 林， 陳 鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，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45 ℃,月平均溫度35 ℃。

電站采用河床式開發(fā)，總裝機3×37.63 MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電機額定電壓為10.5 kV。采用發(fā)變組單元接線經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。

電站采用自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)，勵磁變采用戶內、自冷環(huán)氧樹脂澆注三相干式勵磁變。勵磁系統(tǒng)設置4組柜子，包括1組調節(jié)器柜、2組功率柜和l組滅磁柜；勵磁調節(jié)器設有A、B兩個自動通道，每個自動調節(jié)通道均由自動電壓調節(jié)(AVR)+手動勵磁調節(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；功率柜采用冗余強制通風冷卻；轉子滅磁采用SiC非線性滅磁電阻。

勵磁系統(tǒng)主要元器件選型設計是勵磁系統(tǒng)設計的重要組成部分，針對該電站勵磁系統(tǒng)主要元器件選型，給出了一些關鍵參數的詳細計算方法，可供類似項目參考。

2 勵磁變壓器選型

2.1 二次側額定線電壓的計算

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時，勵磁頂值電壓予以保證。根據文獻[1]，勵磁變壓器二次側電壓的計算公式如下：

(1)

(2)

考慮到實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為勵磁變額定二次線電壓，單位為伏(V)；Ku為勵磁系統(tǒng)電壓強勵倍數；Ufn為發(fā)電機額定勵磁電壓，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，αmin為勵磁系統(tǒng)允許輸出的晶閘管最小觸發(fā)角，取10°；XT為由勵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為勵磁系統(tǒng)電流強勵倍數，一般取2。則根據公式(3)，勵磁變二次側額定電壓U2N：

(4)

考慮到當地電網薄弱，電壓支撐需求迫切，實際選型勵磁變二次側額定電壓U2N取710 V，基本可滿足2.5倍強勵磁電壓需求。因而，公式(3)更簡單，更具有操作性。

2.2 勵磁變容量計算

根據文獻中勵磁變額定容量計算方法，勵磁變額定容量Sth為：

=1 310 kVA

(5)

實際選型勵磁變容量取1 400 kVA。

3 可控硅選型

3.1 可控硅峰值電壓選擇計算

根據文獻，晶閘管單管所承受的正反向重復峰值電壓URRM應滿足如下公式[3]：

(6)

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

按照在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)

實際選型晶閘管正反向重復峰值電壓URRM取4 200 V。

3.2 常溫下可控硅平均通態(tài)電流的選擇計算

晶閘管整流橋并聯(lián)支路數N為2，采用N-1冗余，即一橋故障時能滿足包括強勵在內的所有功能，在任何工況下，可控硅的溫度不超過設計允許值110 ℃。

(8)

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

則根據公式(8)，電站單個功率柜最大輸出電流IR.MAX應滿足：

(9)

為了提高選型設備運行的可靠性，所選擇的單個晶閘管元件的額定正向平均通態(tài)電流應大于單柜可能出現(xiàn)的最大輸出工況下的柜內橋臂的正向平均電流值。

(10)

式中IT.AV(SC)為單個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，綜合考慮海拔高度、冷卻風速和環(huán)境溫度等因素影響，一般取1.1～1.2。則根據公式(10)，電站單個晶閘管元件的額定正向平均通態(tài)電流IT.AV(SC)應滿足：

(11)

實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、可控硅誤導通或被擊穿短路等情況下，可以在極短時間內把電源斷開以切除故障，保護晶閘管元件，保障整套勵磁系統(tǒng)裝置持續(xù)運行。

4.1 額定電壓選擇計算

快速熔斷器的額定電壓應大于整流橋交流側額定電壓。

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，取1.2～1.3；U2N為勵磁變二次側額定電壓，單位伏(V)；則根據公式(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 額定電流選擇計算

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

(14)

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

單個整流橋額定輸出電流應大于N-1柜時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，一般取1.1；K1為均流系數，單柜運行時取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，實際熔斷器額定電流取值為1 400 A。

4.3 分斷容量選擇計算

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于交流側三相短路電流[4]，考慮到空載誤強勵時發(fā)生可控硅被擊穿，則最大短路電流Id1.max為：

(17)

快速熔斷器分斷容量應大于最大短路電流，需滿足：

(18)

實際選型快速熔斷器分斷容量選取為100 kA。

4.4 I2t值的確認

快速熔斷器的弧前I2t值和熔斷I2t值分別是指在弧前時間和熔斷時間內被保護電路中電流釋放的能量。熔斷器的熔斷I2t值應小于晶閘管的I2t值，為了可靠地保護晶閘管，還需留一定的裕量，同時應保證強勵運行工況下不熔斷。

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，再根據修正系數修正燃弧I2t值，燃弧I2t值找出熔斷I2t與弧前I2t的差。

勵磁變二次側額定電壓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)

根據所選DCR2040L42可控硅參數，當tp=10 ms時，I2t=4.50 MA2s。

比較兩個元件的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可控硅。

考慮一組柜退出且強勵時，流過快速熔斷器的電流為熔電器額定電流的倍數為：

(20)

5 滅磁電阻選型及過電壓設值

5.1 滅磁電阻容量計算

(1)空載誤強勵下發(fā)電機滅磁電阻能容量。根據文獻[5]，空載誤強勵可采用兩段線性化方式計算，結合發(fā)電機空載特性曲線(圖1)，當勵磁電流位于0～If0區(qū)間時為線性段，以T’do計算轉子電感；當勵磁電流為If0～2IfN區(qū)間時，近似為線性段，T’d1=T’do×0.155，則空載誤強勵轉子能量可由以下公式計算得出：

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

(21)

圖1 發(fā)電機空載特性曲線圖

滅磁電阻的額定能容在上式計算結果的基礎上考慮耗能系數，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，考慮定子漏抗、磁場飽和、電樞反應、轉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，一般取1.2。

選擇種桑能手農戶重點扶持，適當集中土地資源進行專業(yè)種桑；選擇養(yǎng)蠶能手農戶重點扶持，適當集中房屋資源，購置先進的養(yǎng)蠶設施進行專業(yè)養(yǎng)蠶；種桑農戶的桑葉供應養(yǎng)蠶農戶養(yǎng)蠶，使其建立分工合作的生產協(xié)作關系.

(2)機端三相短路下發(fā)電機滅磁電阻能容量。發(fā)電機出口三相短路時，勵磁電流值(短路發(fā)生0.1 s后，也稱為非周期分量)If3D約為3倍額定勵磁電流[6]。

If3D≈3×Ifn≈3×1 135=3 405(A)

(23)

機端三相短路時定子短路電流的去磁作用使轉子處于非飽和狀態(tài)，可以認為發(fā)電機轉子的電感是常數。則機端三相短路時的轉子能量為：

=0.5×3 4052×1.5×0.29=2.52(MJ)

(24)

此時需要根據溫度修正轉子繞組電阻：

(25)

水電機組在機端三相短路情況下，在故障切除瞬時，短路持續(xù)時間通常在0.1 s內，轉子電流非周期分量已經衰減到接近于其初始電流值的60%～70%[7]，因此，在計算滅磁電阻所承受的滅磁容量時需要考慮衰減因素。滅磁電阻的額定能容在上述基礎上還需考慮耗能系數，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，取0.4。

實際選型SiC滅磁電阻容量選取為1 MJ,滿足設備滅磁要求。

5.2 轉子過電壓保護設定值的選擇

根據規(guī)定，轉子過電壓保護的設定值應該高于整流橋換相過電壓，且小于轉子繞組對地耐壓水平的70%[8]。

整流橋的換相過電壓可以達到勵磁變壓器二次側電壓峰值的2.5倍，則整流橋換相過電壓值為：

(27)

轉子過電壓保護的設定值應高于上述值。

根據標準規(guī)定，當額定勵磁電壓小于或等于500 V時，發(fā)電機轉子絕緣電壓為10倍額定勵磁電壓，但最低不得低于1 500 V[9]。額定勵磁電壓為355 V，則轉子繞組對地耐壓水平為3 550 V，轉子過電壓保護的設定值應小于下述值：

(28)

因此，轉子過電壓保護設定值實際選取2 800 V。

6 滅磁開關選型

6.1 額定電壓選擇計算

磁場斷路器額定電壓應大于勵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)

所選開關的額定電壓值為1 000 V。

6.2 額定電流選擇計算

額定電流應不低于1.3倍額定勵磁電流考慮。

IFB.N≥1.3×IfN=1.3×1 135=1 475.5 A

(30)

所選開關的額定電流值為1 600 A。

6.3 滅磁弧壓選擇計算

(1)滅磁開關弧壓參數應與滅磁電阻參數配合，并滿足下列關系:

UFB.arc≥UR+UE

(31)

式中：UFB.arc為滅磁開關斷口弧壓，單位伏(V)；UR為滅磁開關斷開時的滅磁電阻上出現(xiàn)的最高滅磁電壓，單位伏(V)；UE為滅磁開關斷開時的電源電壓，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)機端三相短路滅磁時磁場斷路器所需弧壓。此時電源電壓為0,勵磁電流按3倍額定勵磁電流考慮。磁場斷路器弧壓滿足：

UFB.arc≥UR+UE=0+35×(3 405)0.4=906 V

(33)

(3)空載誤強勵時磁場斷路器所需弧壓。假設此時機組過壓保護動作電壓為1.2倍機端額定電壓，延時0.1 s動作，此時的勵磁電流近似達到2倍額定勵磁電流。滅磁時刻考慮機端電壓達到1.3倍額定電壓，則此時的電源電壓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)

實選滅磁開關的弧壓為2 000 V，滿足要求。

7 結 語

本文通過波波里水電站，對勵磁系統(tǒng)中的勵磁變、晶閘管、快速熔斷器、滅磁電阻和滅磁開關等主要元器件參數進行了詳細的選型計算，完整呈現(xiàn)了水電站勵磁系統(tǒng)關鍵元器件參數的選型計算過程全貌，可供類似項目參考和借鑒。目前，針對勵磁系統(tǒng)關鍵元件參數選型計算還沒有相關的規(guī)程規(guī)范，只有一些書籍和設備廠家資料供參考，造成了相關參數選擇計算公式不統(tǒng)一，各家自成一體。本文以波波里水電站為例，從理論上詳細推導了相關參數計算公式的來源和構成，對一些比較主觀的系數盡量客觀地去解析其取值過程和范圍，如理論推導了勵磁變低壓側額定電壓簡化計算公式，通過分析直流側短路電流特點提出快速熔斷器分斷容量應按空載誤強勵下勵磁變低壓側三相短路電流來計算的思路，詳細解析了快速熔斷器的I2t值構成和滅磁電阻能容量值的計算系數，以期做到公式的應用更易懂，更科學、客觀，更標準實用。