高海拔环境下的励磁设备选型

唐泉涌，李言龙，张 峥

（1.黄河水利水电开发总公司，河南郑州 450000；2.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江 牡丹江157000；3.吉林电力有限公司长春供电公司，吉林 长春 130021）

高海拔环境下的励磁设备选型

唐泉涌1，李言龙2，张 峥3

（1.黄河水利水电开发总公司，河南郑州 450000；2.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江 牡丹江157000；3.吉林电力有限公司长春供电公司，吉林 长春 130021）

由于西藏旁多水利枢纽工程所处西藏高原地区，海拔4033m，，高海拔对励磁设备的性能会产生一定的的影响，因此该电站的励磁设备选择与正常的电气设备选择有许多不同之处。文中通过分析高海拔对部分电气设备影响，论述了如何选择旁多电站励磁设备。

高海拔；耐受电压；励磁设备；旁多水利枢纽工程

1　概　述

西藏旁多水利枢纽工程地处拉萨河中游，坝址位于西藏自治区林周县旁多乡，开发任务是以灌溉、发电为主，兼顾防洪及供水，是拉萨河流域的骨干性控制工程，也是拉萨河干流水电梯级开发的龙头水库。电站为引水式电站，电站站址海拔4033.65m，年极端最高温度29.2℃，年极端最低温度-27.4℃，年平均温度12.2℃，年平均相对湿度47%。该电站共装4台混流式水轮发电机，单机容量为40MW，总装机160MW。发电机出口电压为10.5kV，发电机与变压器组合为两机一变扩大单元接线。由于旁多电站海拔高，温度低，因此，对于励磁设备的选择应着重考虑温升及绝缘两方面影响。

2　高海拔对部分电气设备影响的分析

2.1对设备的外绝缘影响

随着海拔升高，大气压力或空气密度降低，空气的绝缘强度减弱，使电气外绝缘介质强度降低，但对内绝缘影响很小。根据GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》［1］要求，对于使用地点海拔超过1000m以上时，必须对电气设备的短时工频耐受电压和雷电冲击耐受电压进行相应修正，修正系数公式如下：

其中：H——设备安装地点的海拔高度，m。旁多电＼站海拔高度按照4100m考虑，取K=1.45。

2.2对设备温升的影响

随着海拔的升高，空气密度降低，散热条件变差，因此应对电气设备温升进行修正。根据DL/ T5222－2005《导体和电器选择设计技术规定》［2］要求，按每超过100m（以海拔1000m为标准）温升降0.3%。针对旁多电站海拔4033.65m，考虑一定的余量，设备选择以设备温升在原基础上降低10%考虑计算。

3　旁多电站励磁设备选择

3.1励磁变压器计算及选择

对于平时常用的干式变压器来说，国家标准关于以上两个因素有着明确的校正方法。根据GB6450《干式变压器》中第3.2.3条的规定，对于在超过1000m海拔处运行，并在正常海拔进行试验的变压器，其温升限值应相应递减，超过1000 m海拔部分以每500m为一级，温升限值按自冷变压器2.5%、风冷变压器5%减小；额定短时工频耐受电压值按GB311.1-1997中的规定进行修正。发电机额定励磁电流ILn=780A，发电机额定励磁电压ULn=280V。

励磁变压器副边电流：I2=0.816×1.1×ILn=700A。励磁变压器副边电压：

式中：K1为强励倍数；K2为强励时正序电压值系数，取0.8；α为强励触发角，取10°～15°，一般取10°；K3为换相系数，取0.93～0.96，一般取0.95。

实际选取U2=560V。

当机组在最大工况下连续运行时，励磁系统应能保证长期连续运行时励磁变压器容量为：S2=。考虑容量应随海拔升高而变化，容量相应变化：S3=1.31S2=889.4kVA（按GB1094.11-2007，参考绝缘水平对用于高海拔处的变压器的修正方法：海拔超过1000m的部分，以每100增加1%来提高）。

所以，励磁变压器确定为干式环氧变压器，容量：950kVA；电压等级：10.5kV/560V；冷却方式：自然风冷；接线方式：Y/△-11。

3.2额定负荷工况下励磁变压器原、副边电流计算

励磁变压器副边电流I2=0.816×ILn=636.5A；励磁变压器原边电流=33.9A。

3.3绝缘水平

根据国标，海拔超过1000m的，每增加100 m，工频耐压要增加1%，但海拔超过3000m的没有相关的标准。所以实际海拔4100m，如果沿用3000m以下的标准时，工频耐压为45.85kV，考虑到海拔超出标准，提高到50kV。

3.4可控硅整流元件的选择

整流元件额定电流IT′=In/（1.2～1.35）=833.3～740.4A；

整流元件额定电压 Un′=（2.75～3.0）×U2=2178～2376V。

式中：In为单柜额定输出电流，In=1000A；U2为可控硅整流柜阳极额定电压，U2=560V。

由于空气稀薄造成的整流元件散热效果差，需要考虑降低功率柜输出容量，整流输出电流的降低系数为：

K1=1-85.7×10-6×（H-1000）=0.734

依GB311.1-1997，海拔每升高100m，绝缘强度约降低1%，在海拔不高于1000m的地点实验时，其试验电压应按该标准规定的额定耐受电压乘以海拔矫正因数K2：

所以修正后的整流元件额定电流、电压为：

IT=IT′/K1=1009～1135.3A；

Un=Un′·K2=3158.1～3445.2V。

3.5快熔选择

快熔标称电压Urn=KruU2K2

式中：Kru为选择系数，取1.2～1.3。计算得Urn=974.4～ 1055.6V。

式中：Kri为选择系数，取1.25～1.54；Id为可控硅整流柜额定输出电流，取1000A。计算得Irn＞983.2～1211.2A。

3.6灭磁容量的计算

式中：L为转子电感；K为饱和系数，取值0.2～0.3（火电机组），0.3～0.4（水电机组）；ULO为空载励磁电压，取99.6V；ILO为空载励磁电流，取407.1A；INN为空载误强励励磁电流，取780A；Ido′为定子开始路时，转子时间常数，取5.14；n为水轮发电机组数，取4。

由于水电机组磁场容量无规律性，须根据机组参数计算，所以实际取值：灭磁容量为1.44MJ。

3.7灭磁整定值计算

1）灭磁方式：非线性电阻灭磁。

2）灭磁原理接线图（图1）。

图1　灭磁原理接线图

3）灭磁整定值计算。

转子绝缘水平的确定，即转子对地工频耐压试验电压值：UJ=Max（10ULn，1500V）=2800V。

根据标准要求，灭磁控制电压应在转子耐压的30%～50%之间，过电压保护控制电压应在转子耐压的50%～70%之间，因此整定值取值：取灭磁控制电压为900V（小于800V时取800V）；取过电压保护控制电压为1600V（小于1200V时取1200V）。

3.8非线性灭磁整定

能容量配置：1.44MJ；灭磁控制电压：900V；反向二极管配置：型号为ZP1000A/4000V， 数量2；阀片参数：300V，60A，20kJ/片；阀片配置：3串2并12组，共72片；实际配置容量1.44MJ。

3.9灭磁开关选择

灭磁开关型号选择E3H-M/S2000，分断电流能力为85kA。

3.10转子过压及保护部分

1）转子过电压保护原理图（图2）。

图2　转子过电压保护原理图

2）转子过电压保护整定：正向过压动作整定值1600V；反向过压动作整定值900V。

4　结　语

旁多水利枢纽工程所处的特殊地理环境，而且电站的安全稳定运行直接关系到藏中电网和青藏直流运行安全，对电气设备选择提出新的要求。在该工程的励磁设备选择过程中，查阅了大量的规范标准，所选设备参数在理论上保证在高海拔下安全运行。

目前，旁多水利枢纽工程4台水轮发电机组已经全部建成发电，励磁设备已经经过了1年多的运行考验，励磁装置在各种运行工况下安全可靠，满足要求。

［1］GB311.1-1997，高压输变电设备的绝缘配合［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［2］DL/T5222－2005，导体和电器选择设计技术规定［S］.北京：中国电力出版社，2005.

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