波波里水电站励磁系统选型设计

邓 丛 林， 陈 鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

波波里水电站地处西非科特迪瓦共和国萨桑德拉河上，位于纳瓦(Nawa)瀑布下游约14 km处，属热带雨林气候,最高气温可达45 ℃,月平均温度35 ℃。

电站采用河床式开发，总装机3×37.63 MW 灯泡贯流式水轮发电机组，发电机额定电压为10.5 kV。采用发变组单元接线经50 MVA双绕组油浸式变压器升压后，分别通过235 kV 架空输电线路接入波波里235 kV变电站。

电站采用自并励可控硅励磁系统，励磁变采用户内、自冷环氧树脂浇注三相干式励磁变。励磁系统设置4组柜子，包括1组调节器柜、2组功率柜和l组灭磁柜；励磁调节器设有A、B两个自动通道，每个自动调节通道均由自动电压调节(AVR)+手动励磁调节(FCR)组成，配置具有角加速度信号输入的电力系统稳定器PSS，PSS模型采用IEEE 2B模型；功率柜采用冗余强制通风冷却；转子灭磁采用SiC非线性灭磁电阻。

励磁系统主要元器件选型设计是励磁系统设计的重要组成部分，针对该电站励磁系统主要元器件选型，给出了一些关键参数的详细计算方法，可供类似项目参考。

2 励磁变压器选型

2.1 二次侧额定线电压的计算

励磁系统顶值电压为发电机额定励磁电压的2倍，当发电机端正序电压为额定值时，励磁顶值电压予以保证。根据文献[1]，励磁变压器二次侧电压的计算公式如下：

(1)

(2)

考虑到实际使用中交直流电缆均采用铜缆，电阻率很小，且长度均较短，故可忽略XL、RT和RL，则公式(1)简化为：

(3)

式中U2N为励磁变额定二次线电压，单位为伏(V)；Ku为励磁系统电压强励倍数；Ufn为发电机额定励磁电压，单位为伏(V)，ΔUc为 晶闸管元件、碳刷、滑环、线路等部分附加压降，单位为伏(V)；一般取5～10 V[2]；K为整流桥阳极电压下降系数，αmin为励磁系统允许输出的晶闸管最小触发角，取10°；XT为由励磁变至整流桥交流输入端之间的每相换向电抗，单位为欧(Ω)；Ki为励磁系统电流强励倍数，一般取2。则根据公式(3)，励磁变二次侧额定电压U2N：

(4)

考虑到当地电网薄弱，电压支撑需求迫切，实际选型励磁变二次侧额定电压U2N取710 V，基本可满足2.5倍强励磁电压需求。因而，公式(3)更简单，更具有操作性。

2.2 励磁变容量计算

根据文献中励磁变额定容量计算方法，励磁变额定容量Sth为：

=1 310 kVA

(5)

实际选型励磁变容量取1 400 kVA。

3 可控硅选型

3.1 可控硅峰值电压选择计算

根据文献，晶闸管单管所承受的正反向重复峰值电压URRM应满足如下公式[3]：

(6)

式中URRM为晶闸管单管所承受的正反向重复峰值电压，单位伏(V)；Ku为电压裕度系数，取1.05～1.1；Kb为过电压倍数，取2.4～2.7。

按照在1.1倍额定负荷运行温度下，晶闸管整流器所能承受的反向峰值电压不小于2.75倍励磁变压器二次侧最大峰值电压考虑，则该电站可控硅峰值电压需满足：

=2 760 V

(7)

实际选型晶闸管正反向重复峰值电压URRM取4 200 V。

3.2 常温下可控硅平均通态电流的选择计算

晶闸管整流桥并联支路数N为2，采用N-1冗余，即一桥故障时能满足包括强励在内的所有功能，在任何工况下，可控硅的温度不超过设计允许值110 ℃。

(8)

式中IR,MAX为单个整流桥最大输出电流(持续时间不小于1 min)A；K1为均流系数，按自然均流考虑取0.9，单柜运行时取1。

则根据公式(8)，电站单个功率柜最大输出电流IR.MAX应满足：

(9)

为了提高选型设备运行的可靠性，所选择的单个晶闸管元件的额定正向平均通态电流应大于单柜可能出现的最大输出工况下的柜内桥臂的正向平均电流值。

(10)

式中IT.AV(SC)为单个晶闸管元件的额定正向平均通态电流，单位安(A)；K2为裕度系数，综合考虑海拔高度、冷却风速和环境温度等因素影响，一般取1.1～1.2。则根据公式(10)，电站单个晶闸管元件的额定正向平均通态电流IT.AV(SC)应满足：

(11)

实际选型晶闸管额定正向平均通态电流IT.AV(SC)取2 040 A。

4 快速熔断器选型

在整流桥支臂上串联快速熔断器是必要的，在整流回路过载、可控硅误导通或被击穿短路等情况下，可以在极短时间内把电源断开以切除故障，保护晶闸管元件，保障整套励磁系统装置持续运行。

4.1 额定电压选择计算

快速熔断器的额定电压应大于整流桥交流侧额定电压。

UrN≥KruU2N

(12)

式中UrN为快速熔断器额定电压，单位伏(V)；Kru为裕度系数，取1.2～1.3；U2N为励磁变二次侧额定电压，单位伏(V)；则根据公式(12)，整流桥支臂上快速熔断器额定电压满足：

UrN≥ 1.2×710=852V

(13)

实际选型快速熔断器额定电压取值为1 000 V。

4.2 额定电流选择计算

快速熔断器的额定电流应大于整流桥额定送出时的支臂电流，同时小于晶闸管有效电流，即快速熔断器的额定电流应满足如下公式：

(14)

式中IrN为快速熔断器额定电流，单位安(A)；IR.N为单个整流桥额定输出电流，单位安(A)。

单个整流桥额定输出电流应大于N-1柜时额定工况下单柜输出电流，即满足如下公式要求：

(15)

式中K3为裕度系数，一般取1.1；K1为均流系数，单柜运行时取1。则快速熔断器额定电流需满足：

(16)

为了能保证晶闸管元件故障时快速熔断器能够可靠熔断，快速熔断器额定电流值宜选择较小值，实际熔断器额定电流取值为1 400 A。

4.3 分断容量选择计算

考虑整流柜单臂晶闸管击穿短路，极端情况下此短路电流相当于交流侧三相短路电流[4]，考虑到空载误强励时发生可控硅被击穿，则最大短路电流Id1.max为：

(17)

快速熔断器分断容量应大于最大短路电流，需满足：

(18)

实际选型快速熔断器分断容量选取为100 kA。

4.4 I2t值的确认

快速熔断器的弧前I2t值和熔断I2t值分别是指在弧前时间和熔断时间内被保护电路中电流释放的能量。熔断器的熔断I2t值应小于晶闸管的I2t值，为了可靠地保护晶闸管，还需留一定的裕量，同时应保证强励运行工况下不熔断。

所选择的快熔型号为RS8-1000V/1400 A-P2m105NK，其额定电压下的弧前焦耳积分值为I2tp=0.762 MA2s，熔断焦耳积分值为I2ta=4.137 MA2s，再根据修正系数修正燃弧I2t值，燃弧I2t值找出熔断I2t与弧前I2t的差。

励磁变二次侧额定电压U2N=710 V，由I2t校正曲线，可得在此电压下的校正系数为0.66，则此电压下的熔断器I2t值为：

I2t=0.762+(4.137-0.762)×0.66

=2.990 MA2s

(19)

根据所选DCR2040L42可控硅参数，当tp=10 ms时，I2t=4.50 MA2s。

比较两个元件的I2t值，快速熔断器I2t值2.990 MA2s小于可控硅I2t值4.50 MA2s，快速熔断器可以有效保护可控硅。

考虑一组柜退出且强励时，流过快速熔断器的电流为熔电器额定电流的倍数为：

(20)

5 灭磁电阻选型及过电压设值

5.1 灭磁电阻容量计算

(1)空载误强励下发电机灭磁电阻能容量。根据文献[5]，空载误强励可采用两段线性化方式计算，结合发电机空载特性曲线(图1)，当励磁电流位于0～If0区间时为线性段，以T’do计算转子电感；当励磁电流为If0～2IfN区间时，近似为线性段，T’d1=T’do×0.155，则空载误强励转子能量可由以下公式计算得出：

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

(21)

图1 发电机空载特性曲线图

灭磁电阻的额定能容在上式计算结果的基础上考虑耗能系数，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为灭磁电阻耗能，单位兆焦(MJ)；K4为耗能系数，考虑定子漏抗、磁场饱和、电枢反应、转子绕组本身电阻的耗能、阻尼绕组耗能等因素，一般取2/3；K5为裕度系数，一般取1.2。

选择种桑能手农户重点扶持，适当集中土地资源进行专业种桑；选择养蚕能手农户重点扶持，适当集中房屋资源，购置先进的养蚕设施进行专业养蚕；种桑农户的桑叶供应养蚕农户养蚕，使其建立分工合作的生产协作关系.

(2)机端三相短路下发电机灭磁电阻能容量。发电机出口三相短路时，励磁电流值(短路发生0.1 s后，也称为非周期分量)If3D约为3倍额定励磁电流[6]。

If3D≈3×Ifn≈3×1 135=3 405(A)

(23)

机端三相短路时定子短路电流的去磁作用使转子处于非饱和状态，可以认为发电机转子的电感是常数。则机端三相短路时的转子能量为：

=0.5×3 4052×1.5×0.29=2.52(MJ)

(24)

此时需要根据温度修正转子绕组电阻：

(25)

水电机组在机端三相短路情况下，在故障切除瞬时，短路持续时间通常在0.1 s内，转子电流非周期分量已经衰减到接近于其初始电流值的60%～70%[7]，因此，在计算灭磁电阻所承受的灭磁容量时需要考虑衰减因素。灭磁电阻的额定能容在上述基础上还需考虑耗能系数，并留有20%的裕度，即：

WfN=Wf×K6×K4×K5

=0.81 MJ

(26)

式中K6为衰减系数，取0.4。

实际选型SiC灭磁电阻容量选取为1 MJ,满足设备灭磁要求。

5.2 转子过电压保护设定值的选择

根据规定，转子过电压保护的设定值应该高于整流桥换相过电压，且小于转子绕组对地耐压水平的70%[8]。

整流桥的换相过电压可以达到励磁变压器二次侧电压峰值的2.5倍，则整流桥换相过电压值为：

(27)

转子过电压保护的设定值应高于上述值。

根据标准规定，当额定励磁电压小于或等于500 V时，发电机转子绝缘电压为10倍额定励磁电压，但最低不得低于1 500 V[9]。额定励磁电压为355 V，则转子绕组对地耐压水平为3 550 V，转子过电压保护的设定值应小于下述值：

(28)

因此，转子过电压保护设定值实际选取2 800 V。

6 灭磁开关选型

6.1 额定电压选择计算

磁场断路器额定电压应大于励磁电路长期工作电压的最大值，可按整流电压的峰值考虑：

(29)

所选开关的额定电压值为1 000 V。

6.2 额定电流选择计算

额定电流应不低于1.3倍额定励磁电流考虑。

IFB.N≥1.3×IfN=1.3×1 135=1 475.5 A

(30)

所选开关的额定电流值为1 600 A。

6.3 灭磁弧压选择计算

(1)灭磁开关弧压参数应与灭磁电阻参数配合，并满足下列关系:

UFB.arc≥UR+UE

(31)

式中：UFB.arc为灭磁开关断口弧压，单位伏(V)；UR为灭磁开关断开时的灭磁电阻上出现的最高灭磁电压，单位伏(V)；UE为灭磁开关断开时的电源电压，单位伏(V)。

灭磁电阻采用1串SiC非线性电阻，其灭磁电阻VA特性曲线为：

UR=35(I)0.4

(32)

(2)机端三相短路灭磁时磁场断路器所需弧压。此时电源电压为0,励磁电流按3倍额定励磁电流考虑。磁场断路器弧压满足：

UFB.arc≥UR+UE=0+35×(3 405)0.4=906 V

(33)

(3)空载误强励时磁场断路器所需弧压。假设此时机组过压保护动作电压为1.2倍机端额定电压，延时0.1 s动作，此时的励磁电流近似达到2倍额定励磁电流。灭磁时刻考虑机端电压达到1.3倍额定电压，则此时的电源电压UE为。

(34)

(4) 灭磁电阻上的电压：

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)

实选灭磁开关的弧压为2 000 V，满足要求。

7 结 语

本文通过波波里水电站，对励磁系统中的励磁变、晶闸管、快速熔断器、灭磁电阻和灭磁开关等主要元器件参数进行了详细的选型计算，完整呈现了水电站励磁系统关键元器件参数的选型计算过程全貌，可供类似项目参考和借鉴。目前，针对励磁系统关键元件参数选型计算还没有相关的规程规范，只有一些书籍和设备厂家资料供参考，造成了相关参数选择计算公式不统一，各家自成一体。本文以波波里水电站为例，从理论上详细推导了相关参数计算公式的来源和构成，对一些比较主观的系数尽量客观地去解析其取值过程和范围，如理论推导了励磁变低压侧额定电压简化计算公式，通过分析直流侧短路电流特点提出快速熔断器分断容量应按空载误强励下励磁变低压侧三相短路电流来计算的思路，详细解析了快速熔断器的I2t值构成和灭磁电阻能容量值的计算系数，以期做到公式的应用更易懂，更科学、客观，更标准实用。