50MW水电站励磁设计计算书解析.docx

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50MW水电站励磁设计计算书解析

大学毕业论文设计

50MW电站励磁系统

参数计算

《电气工程及自动化》2002级

目录

1发电机组参数2

2励磁变压器技术参数计算2

2.1二次侧额定线电压计算2

2.2二次侧额定线电流计算3

2.3额定容量计算3

3晶闸管整流元件技术参数计算4

3.1晶闸管元件额定电压的选择4

3.2晶闸管元件额定电流的选择4

4快速熔断器参数计算5

5励磁电缆计算6

6灭磁及过压保护计算6

6.1灭磁阀片计算6

6.2过电压保护计算8

7直流断路器计算9

8附录12

1发电机组参数

A.额定容量（MVA）58.8

B.额定功率因数（滞后）0.85

C.额定电压（kV）10.5

D.额定频率（Hz）50

E.相数3

F.空载励磁电压（V）62

G.额定负荷及功率因素下励磁电压（V）164

H.空载励磁电流（A）592

I.额定负荷下励磁电流（A）1065

J.励磁绕组绝缘的最高耐压（直流V）1500

K.励磁绕组75C的电阻（）0.1307

L.直轴瞬态开路时间常数Tdo（s）6.76

M.直轴瞬态短路时间常数Td（s）1.82

N.直轴同步电抗（Xd）1.059

O.直轴瞬态电抗（Xd’）0.308

2励磁变压器技术参数计算

2.1二次侧额定线电压计算

励磁系统保证在机端正序电压下降到额定值的80％时，能够提供励磁系统顶值电压。

励磁系统顶值电压为发电机额定容量时励磁电压的2.0倍。

A.具体计算公式：

式中：

Ku----电压强励倍数（

=10时），取2.0倍（在80%UGN下）。

-----发电机额定容量时励磁电压。

B.针对本文设计发电机组：

=308V

综合考虑，取

=360V

2.2二次侧额定线电流计算

励磁系统保证当发电机在额定容量58.8MVA、额定电压和功率因素为0.85的励磁电流的1.1倍时，能够长期连续运行。

A.具体计算公式：

式中：

------裕度系数1.1。

-----发电机额定容量、额定电压和功率因素时励磁电流。

B.针对本文设计发电机组：

2.3额定容量计算

取标准容量：

630KVA

励磁变压器设计参数表：

额定容量

630KVA

一次额定电压

10.5kv

二次额定电压

360V

接线组别

YD11

型式

三相环氧浇注干式整流励磁变压器

3晶闸管整流元件技术参数计算

3.1晶闸管元件额定电压的选择

在1.1倍负荷运行温度下，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。

A.晶闸管反向重复峰值电压具体计算公式：

式中：

-------电压裕度系数，取2.75；

------励磁变压器二次侧线电压。

B.针对本文设计发电机组：

取：

3.2晶闸管元件额定电流的选择

晶闸管整流装置采用三相全控桥式结构，满足发电机各种工况下（包括强励）对励磁系统的要求。

晶闸管整流桥并联支路数按（n－1）原则考虑冗余，即一桥故障时能满足包括强励在内的所有功能，二桥故障时能满足除强励外所有运行方式的要求。

A.针对本文设计发电机组：

单桥运行满足额定容量励磁电流的1.1倍时，单桥输出为：

双桥并联运行满足发电机额定容量励磁电流2.0倍强励能力时，单桥输出为：

按单桥最大输出1172A计算，单个桥臂流过的电流平均值：

取电流裕度系数Ki=2.0晶闸管元件的正向平均电流值：

IT（AV）=KiIT（av）=2.0431=862（A）

取：

IT（AV）=1400A。

实际单柜输出能力：

采用2柜并联时，额定工况下每柜实际负荷电流：

裕度系数：

根据以上计算，选取ABB公司生产的晶闸管5STP16F2600，通态平均电流1400A，反向重复峰值电压2600V。

晶闸管设计参数表：

型号

5STP16F2600

反向重复峰值电压

2600V

通态平均电流

1400A

制造厂家

ABB公司

4快速熔断器参数计算

根据晶闸管选型，计算单柜输出1172A电流时，单个桥臂流过的电流有效值：

选取快速熔断器额定电流800A。

5励磁电缆计算

A.励磁变到整流柜阳极电缆计算

根据晶闸管选型计算，长期运行电流最大为1172A，

按照1mm2通过2.5A电流计算电缆截面：

励磁变到整流柜阳极电缆截面积应大于383mm2。

B.励磁变到整流柜阳极电缆计算

机组额定励磁电流为1065A，按照1mm2通过2.5A电流计算电缆截面：

转子到灭磁开关的连接电缆截面积应大于469mm2。

6灭磁及过压保护计算

6.1灭磁阀片计算

灭磁电阻采用ZnO非线性电阻。

在最严重灭磁工况下，需要非线性电阻承受的耗能容量不超过其工作能容量的80%，在20%的非线性电阻组件退出运行时，仍能满足灭磁设备的要求。

非线性电阻能在尽可能短的时间内释放磁场能量，灭磁过程中，励磁绕组反向电压不高于励磁绕组出厂对地耐受试验电压幅值的50%。

A.针对本文设计的发电机组：

1转子绕组的最大储能：

式中：

Wfmax—转子绕组的最大储能，J；

Wf0—转子绕组的空载储能，J；

Lf0—转子绕组在空载时不饱和电感，H；

If0—空载励磁电流，If0=592A；

—直轴瞬态开路时间常数，

=6.76s；

Rf—转子绕组直流电阻（75℃温度时），

0.1307Ω。

因此，

2ZnO非线性电阻计算：

采用ZnO非线性电阻灭磁时，所需的灭磁电阻的能容量：

式中：

K1为容量储备系数，在20%的非线性电阻组件退出运行时，仍能满足灭磁设备的要求，K1=1/0.8=1.25；

K2为耗能分配系数，因转子储能量不完全消耗于灭磁电阻中，还有转子电阻、磁场断路器、阻尼绕阻及发电机的整锻铁心中均有耗能，水发机组取经验值0.73；汽发机组取经验值0.5。

为最大转子储能。

实际取0.8MJ。

3灭磁残压计算：

灭磁过程中，励磁绕组反向电压不高于励磁绕组出厂对地耐受试验电压幅值的50%,不低于励磁绕组出厂对地耐受试验电压幅值的30%。

。

164×10×1.414=2320（V）

50%×2320=1160（V）

30%×2320=696（V）

故灭磁残压实际选取：

VRV=900V

灭磁阀片设计参数表：

电阻材料

ZnO

灭磁残压

900V

灭磁能量

0.8MJ

6.2过电压保护计算

过电压保护动作电压最低瞬时值高于最大整流电压的峰值，并高于自动灭磁装置正常动作时产生的过电压值，动作电压最高瞬时值低于功率整流桥的最大允许电压，且最大不超过励磁绕组出厂对地耐压试验电压幅值的70%，过电压保护动作值的变化范围不超过±10%。

A.针对本文设计的发电机组：

最大整流电压的峰值：

360×1.414=509（V）

自动灭磁装置正常动作时产生的过电压值：

900V

功率整流桥的最大允许电压：

2600V

励磁绕组出厂对地耐压试验电压幅值的70%：

70%×2320=1624（V）

综合考虑，取过压保护动作值为1200V。

采用ZnO非线性灭磁电阻兼作过压保护，由过压保护跨接器控制，当转子绕组过电压超过过压保护跨接器整定值时，过压保护跨接器动作，触发过压保护回路晶闸管，投入灭磁电阻，将转子绕组过电压限制在灭磁残压值。

7直流断路器计算

1建压能力计算：

采用交流灭磁方式，跳灭磁开关的同时封锁脉冲，灭磁开关建压能力满足：

UK≥URV+U

式中：

UK—灭磁开关建压；

URV—灭磁电阻残压；

U—灭磁时整流柜输出最大整流电压。

灭磁电阻残压：

900V

由于交流灭磁时利用阳极电压负半波辅助建压，U为负值，考虑最严重情况U=0时，灭磁开关建压要求为900V。

2最大灭磁电流计算：

式中：

If0—空载励磁电流，592A；

—直轴同步电抗，

1.059；

—直轴瞬变电抗，

0.308。

因此，最大灭磁电流：

直流磁场断路器设计参数表：

型号

CEX7116002.1

额定电流

1600A

额定电压

600V

最大分断电压

1500V

最大分断电流

6600A

制造厂家

法国LENOIRELEC公司

8附录

总体说明

针对本50MW水轮发电机技术要求，对发电机励磁系统的设计采用静止式可控硅全控桥自并激励磁方式。

励磁系统共五块屏：

●1台微机励磁控制器，采用双通道多DSP分级控制技术。

●3台热管散热可控硅整流柜，采用第二代环行热管技术。

●1台灭磁开关及转子过电压保护装置，采用法国CEX71-1600A2.1专用灭磁开关，高能ZnO非线性电阻灭磁，高能PTC与ZnO非线性电阻作为过压保护。

●1台环氧干式变压器（带铝合金外壳，风冷，温度控制）。

其中

一、热管散热可控硅整流装置主要配制：

●采用进口可控硅DCR1006SF2626，990A/2600V。

●整流桥设计裕度充分，整流桥3柜并联，单桥故障时仍能满足包括强励在内的所有功能。

●每只可控硅都设置有过流过压保护。

●触发回路采用高频脉冲列触发技术，采用了电压嵌位和强触发技术，避免可控硅的误触发，提高了抗干扰能力。

●脉冲变压器采用环氧浇注，耐压可达到DC15000V。

●脉放电源采用独立的双重电源供电。

●采用第二代环型热管散热器，具备以下优势：

⏹响应速度快：

由于热管壳体内部为真空状态（一般为1×10-3Pa）,工作介质的相变温度远低于常压下的沸点温度（启动温度低），内部流体的流动阻力小。

因此，热管的传热系数一般为金属银的40～1000倍。

⏹等温性能好：

热管的等温性能是其它材料所无法比拟的。

一般一根长十米的热管，其两端温差为2～3℃。

⏹体积小、重量轻：

与传统的铝型材散热器相比较，在热阻相同的条件下，尺寸和重量要小1/3～1/2左右。

⏹运行安全可靠：

热管的工作介质在封闭的腔体内进行工作，封口采用国际先进的焊接技术，其工作寿命一般为20年，它所采用的制造材料不会对环境产生任何的污染，是一种环保产品。

⏹第二代环型热管实现了气、液分流，从而解决了普通热管结构工作时，气、液混流引起的相互干扰问题，将热管的传热效率提高了2～3倍。

●具备散热器温度实时监测，温度报警时自动启动备用风机实现强迫风冷。

●采用进口低噪音风机作为备用冷却风机。

●采用多种均流措施，如均流互感器，筛选元件参数均流等。

二、励磁装置及转子过电压保护

●主要硬件配置：

⏹灭磁开关：

法国CEX71-1600A2.1双极跳开，直流500V。

⏹灭磁电阻：

高能氧化锌ZnO电阻，灭磁能容0.8MJ,残压800V。

⏹过电压保护组件：

PTC＆ZnO过电压吸收器按压敏电压1200V设计，设计过电压动作计数器及复位按钮。

⏹设置直流辅助起励回路，满足黑启动运行模式

●灭磁柜工作原理说明：

正常运行时，FMK主、弧触头闭合，电流通过FMK流过。

正常灭磁为逆变灭磁，灭磁开关不动作。

事故跳FMK灭磁时，FMK常闭触头先闭合，FMK弧触头建压，在磁场电流的作用下，迅速在其两端建立起断口电压Uk，当Uk超过高能ZnO的压敏电压（U10mA）时，即能有效阻断磁场电流并实现快速移能灭磁。

灭磁及过电压保护原理图

指导老师简历

胡先洪，三峡电厂测控分部主任

王波，能达公司励磁部部长

张敬，能达公司励磁部主任设计师

胡先洪照片（同西门子励磁设计师Mr.Reiman在三峡泄洪闸合影）