励磁系统设计选型计算书.docx
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励磁系统设计选型计算书
励磁系统设计选型计算书
本规范适用于我公司在针对自并励系统的、方案设计、生产设计等计算过程.
一.发电机技术参数
额定容量：
额定电压：
额定频率：
励磁方式：
自并励
额定励磁电压：
额定励磁电流：
空载励磁电压：
空载励磁电流：
强励倍数
转子电阻
短路比
瞬变电抗Xdˊ
超瞬变电抗Xd″
发电机定子开路时转子绕组时间常数：
二.系统主要元件的设计计算
1励磁变压器选择
1．1变压器二次侧电压的选择
方式一：
变压器二次侧电压的选择原则应考虑在一次电压为80%额定电压时仍能满足强励要求，即：
方式二：
按新算法不考虑机端电压下降80%，即：
其中：
U2为变压器二次电压
K为强励倍数
Ufn为额定励磁电压
1.35为三相全控整流电路的整流系数
αmin为强励时的可控硅触发角
考虑换弧压降，实际选择变压器二次侧电压按U2向上近似取整
注：
在没有明确要求的情况下，在计算小机组的励磁变压器容量时强励倍数按1.6倍考虑。
1．2变压器额定容量的选择
变压器额定容量可由以下公式确定：
S=
=
*U2*Ifn*1.1*0.816
其中：
S为变压器计算容量
U2为变压器二次电压
Ie为变压器二次电流
Ifn为额定励磁电流
1.1为保证长期运行的电流系数
0.816为三相全控桥交直流侧电流的换算系数
实际上，在确定实际使用的变压器容量时，要考虑实际选择的容量是否与计算的变压器容量相比有5-10%的裕度，在满足技术要求的前提下尽量选择低容量的变压器，有时要通过调整换弧压降来确定最终的变压器容量。
接线组别：
Y/△-11，或△/Y-11
额定容量：
kVA
原边电压：
kV
副边电压：
KV
短路阻抗：
%
注：
在考虑变压器定货时要明确变压器的形式
2可控硅元件选型
2．1可控硅反向峰值电压计算
每臂元件承受的最大反向电压应小于元件重复反向峰值电压，即：
其中：
过电压余度系数，一般取2.0-2.5
过电压冲击系数，一般取1.50，现取1.5
电源电压升高系数，一般取1.05~1.10，现取1.1
桥臂反向工作电压最大值，UARM=1.414*整流变副边电压
由此，可算出：
UARM=2*1.5*1.1*1.414*整流变副边电压=4.67-5.83*整流变副边电压
（南瑞计算方法：
3*
*整流变副边电压）
（科大创新计算方法：
3*1.3*
*整流变副边电压）
（洪山计算方法：
2.75*
*整流变副边电压）
2．2可控硅额定通态平均电流计算
ITa=（1.5-2）KfbId=（1.5-2）2.0*KfbIFN
其中：
（1.5-2）：
安全系数，本计算取2
Kfb：
控制角为0º时的整流电路电阻负载下的计算系数，三相桥式整流
电路取Kfb=0.368
Id：
为2.0倍强励工况下的励磁绕组电流
IFN：
发电机额定励磁绕组电流
根据计算可选择可控硅：
（）-（）A/（）V
实际选择：
（）-（）A/（）V
注：
在实际选型时，选择可控硅要在计算值的基础上考虑生产管理的实际
情况（便于统一选型和采购），实际选择的可控硅参数往往大于计算值，这一点在实际设计时务必要注意。
（科大创新计算方法：
单柜额定输出电流/1.3）
（洪山计算方法：
3*1.1*0.368*额定励磁电流）
（南瑞计算方法：
单柜额定输出电流/1.25）
3整流桥并联支路计算
3．1整流桥额定电流的确定
设计原则：
整流桥的额定电流是根据可控硅及其散热组件在一定的条件下，影响可控硅发热安全的电流极限，在选择整流桥时，整流桥的额定电流必须要满足1.1倍励磁电流下长期运行及强励20秒的运行要求，在整流桥的发热计算设计时已充分考虑强励20秒的运行要求，因此：
单整流桥额定电流应≥额定励磁电流×1.1
实际设计单柜额定电流为（）A
3．1整流桥的并联元件数：
整流桥的并联元件数可根据下式计算：
其中：
为电流裕量系数；
为单柜最大连续电流值，此处取1.1倍额定励磁电流。
为可控硅元件通态平均电流值。
计算时，Ka取2，若np1=（）<1，则每臂选用单只可控硅元件满足要求（在我们现有的设计中都是单柜单臂单元件结构），否则就要考虑重新选择可控硅。
3．3整流桥的并联数：
并联整流柜的数量由下式计算：
其中：
为可控硅允许过载倍数，取2.0；
为发电机三相短路时流过转子回路的暂态自由分量电流值，一般
（额定励磁电流），此处取3.5（可根据设计计算需要做调整），
如果
<1.0
则单整流桥可以满足包括发电机强励在内的所有运行工况。
实际按N-1原则考虑，选并联整流桥数为2。
注：
实际的系统设计中，出于可靠性、机构设计（主要是母排、电缆安装问题）的考虑，有时即使单整流桥能够满足励磁系统的设计要求，往往也要根据实际情况选择双桥或双柜的结构，一般来说，当额定励磁电流小于600A时选择一柜双桥结构，小励磁产品特殊考虑。
4快速熔断器选用计算
4．1电路形式的确定
在以往的设计中，我们主要选择每臂一个快熔的三相全控整流电路，但在小励磁系统中选用每相一个快熔的三相全控整流电路。
4．2额定电压的选择
快速熔断器的额定电压（IRN）应大于励磁变压器低压侧电压。
快熔标称电压：
U=（1.2～1.3）×U2
4．3额定电流的选择
快速熔断器的额定电流（有效值）应按下式进行计算：
IR≤（IRN=IR×K=Ifn×0.577×K）≤
（适用于单臂单快熔）
IR≤（IRN=IR×K=Ifn×0.816×K）≤
（适用于单相单快熔）
其中：
IR为额定励磁时流经每个桥臂的电流有效值，IR=Ifn×0.577（或0.816）
Ifn为系统额定励磁电流
K为综合系数，为裕度系数、散热经验系数，风速修正系数，环境温度系数
的综合，常取1.3~1.5。
设计中选择1.5。
为可控硅元件通态平均电流值。
注1：
快速熔断器在1.1IRN时4小时内不会熔断，在6IRN时20ms就能熔
断。
注2：
在实际选型时，选择快熔要在计算值的基础上考虑生产管理的实际情况，实际选择的快熔参数往往大于计算值，这一点在实际设计时务必要注意。
注3：
选取时，保证快熔的I2t数值小于可控硅元件的I2t数值。
（南瑞计算方法：
（0.72～0.89）*单柜额定输出电流）
（科大创新计算方法：
1.35*单柜额定输出电流/1.732）
5.灭磁开关的选择
5．1额定电压的选择
选型原则：
灭磁开关的工作电压大于额定励磁电压
5．2额定电流的选择
选型原则：
灭磁开关的工作电流大于并接近于额定励磁电流的1.1倍
注：
实际选择时除了要满足上述规定外，还要考虑灭磁开关产品的电压、电流系列。
6.灭磁保护的选择计算
6．1保护配置
通常，励磁系统配置的过压保护有整流桥交流侧过电压保护（浪涌吸收）；整流桥直流侧过电压保护（可控硅换相过电压吸收）；转子反相过电压吸收；非全相及大滑差过电压保护。
具体选择什么样的保护视技术协议而定，一般地，小容量机组（小于10MW的水电机组）都不配非全相及大滑差过电压保护和浪涌吸收保护。
6．2灭磁方式
灭磁方式有线性灭磁和非线性灭磁两种方式，目前的设计中小容量机组一般选择线性灭磁，大容量机组选择非线性灭磁。
6．3线性灭磁电阻计算
在线性灭磁系统中，灭磁电阻值选择越大，灭磁速度越快，同时转子承受的过压倍数越高，灭磁电阻为励磁绕组热态电阻值的3～5倍。
6．4非线电阻的灭磁保护计算
对于FR1残压的选择，按照IEC规定，其荷电率不得大于0.75。
FR1的能量按机组空载最大灭磁能量选择。
灭磁容量选择计算：
按发电机空载误强励计算转子绕组的最大储能灭磁容量W可由下式计算：
这里
发电机空载励磁电流（A）；
直轴瞬变开路时间常数；
转子绕组电阻15︒C（Ω），
/
；
k机组特性系数，一般水电取0.5；
最后，按67%的裕度考虑。
例如：
W=0.16MJ按67%的裕度考虑取0.24MJ。
每个阀片的使用容量为10KJ，实际选择24片阀片。
标称能量：
0.48MJ，使用能量：
0.24MJ
1）尖峰吸收器SPA（直流侧尖峰过电压吸收器）：
UΔ=
×Uac
不加SPA出现的尖峰值为：
Ui=2.5×UΔ
尖峰吸收器SPA残压：
U残=
×Uac×1.12×1.5=1045。
注：
以上计算为估算，仅供投标参考，详细计算可联系灭磁电阻供货商。
7.励磁变压器CT变比计算
一般情况下大容量励磁变压器高压侧装设两组CT甚至三组CT（具体要求见技术协议），高压侧CT供变压器保护和测量用。
小容量变压器（小于800KVA）高压侧一般装一组保护CT（详细配置查询技术协议）
7．1CT电流计算：
原边电流
A
副边电流
A
I1：
变压器原边电流
I2：
变压器副边电流
U1：
变压器原边电压
U2：
变压器副边电压
S：
变压器副边电压
7．2CT变比计算：
一般原则：
选择变比时要考虑设备在额定运行时CT的二次侧电流在3-4A之间。
CT的变比为（）A/5A
注：
励磁变原边CT主要用做励磁变保护的采样器件，关于变比的选择除了按上述规定外一般以保护的要求为准。
8.起励装置设计
8．1起励方式：
起励方式有两种：
直流起励和交流起励
直流起励一般用于起励电流较小的场合，否则在起励瞬间对厂用直流系统冲击较大；交流起励一般用于起励电流较大的场合。
实际上，除非用户有特别的要求，对于空载电流小于500A的情况选择直流起励；对于空载电流大于500A的情况选择交流起励。
8．2起励电流数值确定：
无论是直流起励还是交流起励，根据现场投运经验选取发电机空载励磁电流的10%进行起励装置设计是可行的，所以，在计算起励电流时按照发电机空载励磁电流的10%进行计算。
8．3发电机转子电阻估算
发电机转子电阻为发电机额定励磁电压与额定励磁电流的比值。
即Rz=UFN/IFN
其中：
Rz为发电机转子电阻
UFN为发电机额定励磁电压
IFN为发电机额定励磁电流
8．4直流起励
一般情况下，起励电源取自厂用直流220V电源。
起励电阻按下式计算：
RQL=UQL/IQL-Rz
其中：
RQL为起励电阻
UQL为起励电源电压额定值（220V）
IQL为确定的起励电流
Rz为转子电阻
起励电阻功率按下式计算：
WRQL1=UQL2÷RQL
其中：
WRQL‘为起励电阻的计算功率
UQL为起励电源电压额定值（220V）
RQL为起励电阻
实际上，考虑起励时间很短（5秒），起励电阻的实际功率（WRQL）按计算功率的10%进行计算。
9.电缆选用计算
额定励磁电压Ufn
额定励磁电流Ifn
电缆选用应满足1.1倍励磁电流下长期运行的要求，同时要满足现场安装方便和经济性的要求。
电缆的电流密度为2.5A/mm2。
9．1转子侧电缆导线截面积：
SZ=（
×1.1）/2.5
9．2励磁变压器低压侧电缆截面积：
SJ=（
×1.1×0.816）/2.5
设计选用YJV单芯铜芯电力电缆（交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆），电缆额定电压为0.6-1kV。
（YJV电缆工作温度达90度，而VV只有70度，同截面积YJV电缆载流量大）
附电缆载流量表
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