歐小冬
(中國大唐云南分公司觀音巖水電站,四川 攀枝花 617000)
大唐觀音巖水電站,是金沙江中游“一庫八級(jí)”梯級(jí)水電站中的最末一級(jí),總裝機(jī)容量為5 ×600MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量在120 ~140 億kW·h 之間,目前,電站5 臺(tái)機(jī)組正進(jìn)行大壩和廠房基礎(chǔ)建設(shè),發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁設(shè)備正處于初步設(shè)計(jì)階段。
觀音巖電站1 ~3 號(hào)和4 號(hào)、5 號(hào)發(fā)電機(jī)分別由兩個(gè)廠家設(shè)計(jì)制造,5 套勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備全部由另一廠家設(shè)計(jì)制造,由于不同發(fā)電機(jī)廠家提供的機(jī)組參數(shù)不相同,將直接影響勵(lì)磁設(shè)備參數(shù)的選擇和投產(chǎn)后勵(lì)磁設(shè)備的運(yùn)行工況。下面針對(duì)勵(lì)磁設(shè)備主要參數(shù)計(jì)算和選擇情況加以介紹,以為勵(lì)磁設(shè)備選型提供依據(jù),并對(duì)勵(lì)磁設(shè)備選擇中存在的問題進(jìn)行分析。鑒于觀音巖電站發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁設(shè)備目前還處于設(shè)計(jì)階段,本文就其勵(lì)磁設(shè)備選擇中存在的問題與廠家進(jìn)行商榷,希望與勵(lì)磁設(shè)備和發(fā)電機(jī)廠家及時(shí)溝通聯(lián)絡(luò),解決設(shè)計(jì)中存在的不足,以保證電站投產(chǎn)后設(shè)備的可靠運(yùn)行。
(1)二次側(cè)額定電流I2n。按1.1 倍額定勵(lì)磁電流計(jì)算考慮:I2n= 0.817IEN=2747A。其中,IEN=3362A,為1.1 倍額定勵(lì)磁電流值(即勵(lì)磁系統(tǒng)額定連續(xù)輸出電流值,由發(fā)電機(jī)廠家提供)。
故勵(lì)磁變二次側(cè)額定電流應(yīng)大于2747A。
(2)二次側(cè)額定電壓U20。按80%額定電壓下,頂值電壓為2 倍額定勵(lì)磁電壓考慮。根據(jù)簡化公式算得
U20= 2UfNmax/(0.8 ×1.35cosαmin)= 865V
式中:UfNmax=460V (發(fā)電機(jī)廠家提供),是最大容量下的勵(lì)磁額定電壓值;αmin是勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)可控硅控制角,一般計(jì)算中取10°。
同時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)算得U20=940V。
故選擇勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓應(yīng)不小于940V,方能保證80%額定電壓下的頂值電壓920V 的要求。
(3)額定視在功率ST(3 相):
ST= 1.732U20I2nKa= 4732kVA
式中:U20取865V;Ka是計(jì)算勵(lì)磁變?nèi)萘康挠喽认禂?shù),包括考慮勵(lì)磁變諧波影響等,一般取1.15。
同理,按上述計(jì)算方法可以算出:I2n= 2830A,U20= 1030V(根據(jù)簡化公式),U20=1120V (根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)),ST=5806kVA。在計(jì)算中,發(fā)電機(jī)廠家提供數(shù)據(jù)為IEN=3465A、UfNmax=548V。
(1)閾值電壓VTO取0.96V。
(2)反向重復(fù)峰值電壓UW=1.414 × 2.75U20=1.414 ×2.75 ×940V=3655V (選取4200V)。
(3)斜率電阻RT取0.00028Ω。
(4)恢復(fù)電荷取5500μAs。
(5)最高結(jié)溫TJ允許125℃ (取125℃)。
(6)據(jù)ABB 提供的數(shù)據(jù)估算,在機(jī)組最大輸出和強(qiáng)勵(lì)工況下,系統(tǒng)至少要有3 臺(tái)可控硅整流橋并聯(lián)運(yùn)行;不包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)的最大額定輸出工況下,系統(tǒng)至少要有2 臺(tái)可控硅整流橋并聯(lián)運(yùn)行;按照“當(dāng)有2臺(tái)整流橋退出運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)需滿足不包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)所有工況”的要求,系統(tǒng)則需采用4 臺(tái)可控硅整流橋并聯(lián)運(yùn)行。
(7)均流系數(shù)kcs按要求應(yīng)不小于0.85 (取0.9)。
(8)最高使用環(huán)境溫度TAMB:按要求取40℃。
(9)強(qiáng)勵(lì)時(shí)間tp按要求應(yīng)不小于20s (取20s)。
按上述參數(shù)選取可控硅型號(hào)為ABB 可控硅5STP18H4200。
(10)兩臺(tái)可控硅整流橋并聯(lián)運(yùn)行于最大連續(xù)運(yùn)行工況時(shí)的可控硅實(shí)際結(jié)溫核算:
1)單臺(tái)可控硅損耗計(jì)算:通態(tài)電流ITEN、開通損耗PONEN、關(guān)斷損耗POFFEN、通態(tài)損耗PFEN及總損耗PTEN。
ITEN= IEN/ (npminkcs)= 3362/ (2 ×0.9)= 1868A
式中:npmin為控硅整流橋運(yùn)行于最大連續(xù)運(yùn)行工況下并聯(lián)支路數(shù)。
查得:PONEN<20W,POFFEN<150W,則
PFEN= (ITENVTO+ ITEN2RT)/3 = 923.5W
PTEN= PFEN+ PONEN+ POFFEN= 1093.5W
2)穩(wěn)態(tài)熱阻Zthmax計(jì)算:
Zthmax= (TJ-PTEN× Rth-TAMB)/PTEN= 48.242K/kW
式中:Rth為可控硅表面熱阻,取48.16 K/kW。
3)可控硅實(shí)際結(jié)溫Tjen計(jì)算:
Tjen= TAMB+ (PTENZthmax)/1000 <93℃
故兩臺(tái)可控硅整流橋運(yùn)行,完全能滿足連續(xù)輸出1.1 倍額定勵(lì)磁電流的要求。
(11)三個(gè)可控硅整流橋并聯(lián)在最大連續(xù)運(yùn)行工況下發(fā)生強(qiáng)勵(lì)時(shí)可控硅實(shí)際結(jié)溫核算。
通態(tài)電流ITENP= IP/(npminkcs) =6114/(3 ×0.9)=2264A。其中,IP為強(qiáng)勵(lì)電流。
查得:開通損耗Ponp<25W,關(guān)斷損耗PoffP<160W,則通態(tài)損耗PFP、總損耗PTENP為
PFP= (ITENPVTO+ ITENP2RT)/3 = 1203.2W
PTENP= PFP+ Ponp+ PoffP= 1388.2W
算得:穩(wěn)態(tài)熱阻ZthP=389.5K/kW。
實(shí)際可控硅結(jié)溫Tjenp為
Tjenp= Tjen+ (PTENP-PTEN)× Zthmax/1000 <118℃
故三臺(tái)可控硅整流橋柜運(yùn)行完全滿足系統(tǒng)頂值電流2 倍額定電流20s 的要求。
因此選取ABB 可控硅型號(hào)5STP18H4200 合理,其可控硅電壓為4200V,通態(tài)平均電流2075A,通態(tài)最大電流有效值3260A。
同理,按照上述計(jì)算方法算得:可控硅反向重復(fù)峰值電壓UW為4356V,兩臺(tái)可控硅整流橋并聯(lián)運(yùn)行于最大連續(xù)運(yùn)行工況下和三臺(tái)可控硅整流橋并聯(lián)運(yùn)行于最大連續(xù)運(yùn)行工況下并發(fā)生強(qiáng)勵(lì)時(shí)可控硅實(shí)際結(jié)溫分別為95 !C 和120 !C。根據(jù)計(jì)算,可控硅整流橋選取型號(hào)為ABB 的5STP25L5200,其可控硅電壓為5200V,通態(tài)平均電流2760A,通態(tài)最大電流有效值4360A。
受最惡劣工況下最高滅磁電壓的限制,必須選擇并聯(lián)冗余。要滿足最小冗余度的要求,比較接近的方案是6 并或5 并,為得到相對(duì)快的滅磁時(shí)間,取并聯(lián)組數(shù)NRP=6,對(duì)應(yīng)冗余度20%。同時(shí),串連組數(shù)不宜過高,故取串連組數(shù)NRS=2。
按照退出1 組并聯(lián)SiC 支路運(yùn)行考慮,5 組并聯(lián)時(shí)的最大通流能力為
IRmax= (NRP-1)IRSmax= 30kA
式中:IRSmax為單組SiC 通流能力,其值為6kA。
因串、并聯(lián)組數(shù)分別為2 和6,故工作能容為
ER= NRSNRPERS= 12MJ
式中,ERS為單組SiC 容量,其值為1MJ。
對(duì)于同一型號(hào)SiC 電阻進(jìn)行串、并聯(lián)而形成的整組SiC 非線性電阻,其特性可由下式表達(dá):
式中,UR為滅磁電壓;ARS為單組SiC 電阻電壓系數(shù)(ARS=29Ω);β 為單組SiC 非線性系數(shù)(β =0.4);IR為滅磁電流。
根據(jù)4.2 冗余原則,故障時(shí)將退出一個(gè)并聯(lián)支路。在此情況下,滅磁電壓和容量均有所增加,故此后的計(jì)算均以串、并聯(lián)組數(shù)分別為2、5 為基礎(chǔ),整組特性為
(1)滅磁初始電流IffSC(仿真結(jié)果)。根據(jù)國際上經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)IffSC為9000A,經(jīng)仿真為IffSC=9800A。
(2)滅磁電壓URSC。在IffSC=9800A 情況下計(jì)算滅磁開關(guān)最小弧壓,IffSC全部流入非線性電阻產(chǎn)生的電壓URSC為
該值小于70%滅磁電阻耐壓試驗(yàn)電壓(5000V ×70%),也小于可控硅4200V 阻斷電壓。
(3)滅磁能量計(jì)算。強(qiáng)勵(lì)期間發(fā)生機(jī)端三相短路滅磁時(shí)滅磁電阻吸收能量E3phSC,經(jīng)仿真計(jì)算為7607.5kJ。
(1)滅磁電壓URPL。在轉(zhuǎn)子電流IPL=9690A 情況下計(jì)算滅磁開關(guān)的最小弧壓,IPL全部流入非線性電阻產(chǎn)生的電壓URPL為
該值小于70%滅磁電阻耐壓試驗(yàn)電壓,也小于可控硅阻斷電壓。
(2)滅磁能量E3phSC。發(fā)電機(jī)空載過壓保護(hù)動(dòng)作滅磁時(shí)滅磁電阻吸收能量E3phSC經(jīng)仿真計(jì)算為8975kJ。
(1)計(jì)算依據(jù)。用于計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)電機(jī)模型符合IEC 34—10 《用于描述同步電機(jī)的約定》和IEEE Std.1110.1991 《同步電機(jī)建模實(shí)踐和穩(wěn)定性研究指南》。
(2)機(jī)端三相短路計(jì)算機(jī)仿真輸出見圖1、圖2。
圖1 滅磁電流與滅磁時(shí)間關(guān)系
圖2 滅磁電壓與滅磁時(shí)間關(guān)系
仿真計(jì)算結(jié)果:機(jī)端三相短路時(shí)滅磁能量7607.5kJ,從起始峰值10000A 到起始值的10%約需2.5s,最高滅磁電壓1200V。
(3)發(fā)電機(jī)空載過壓保護(hù)動(dòng)作條件下的計(jì)算機(jī)滅磁仿真輸出見圖3、圖4。
初始電流為9690A,飽和因素已考慮在內(nèi)。
仿真結(jié)果:發(fā)電機(jī)空載過電壓保護(hù)滅磁能量8975kJ,從起始值9690A 到起始值的10%約需5.2s,最高滅磁電壓約1130V。
(1)最高定值選定。為70%的轉(zhuǎn)子對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值 (4950V)和可控硅正向和反向阻斷電壓(4200V)的最小值。選定過電壓最高值為4200V。
(2)最低定值選定。為換相尖峰過電壓值(<2U20,1980V)和滅磁電阻最高允許滅磁電壓(1882V)的最大值。選定過電壓最低值為1980V。
(3)初選動(dòng)作定值。選擇BOD 觸發(fā)元件的動(dòng)作電壓2800V,滿足上述限制的要求。作用于正反向過壓保護(hù)。故最終確定過電壓保護(hù)動(dòng)作值為2800V。
經(jīng)過計(jì)算,最終確定:SiC 滅磁電阻采用12 組,每組1MJ,6 路并聯(lián),2 路串聯(lián)。其型號(hào)為600A/US16/P1Spes.6298。生產(chǎn)廠家為英國M&I。
(1)額定電流IDC:
IDC>1.2IDCmax= 1.2 ×3150A = 3780A
式中:IDCmax為4 號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁系統(tǒng)最大連續(xù)輸出電流值。
選擇IDC=4500A。
(2)額定電壓UDC:
UDC>1.2Ufn= 1.2 ×548V = 657V
式中:Ufn為4 號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁系統(tǒng)額定勵(lì)磁電壓。
選擇UDC=2000V。
(3)工頻耐壓UBRTEST。UBRTEST>UTEST= 5000V,選擇UBRTEST=15kV。
式中:UTEST為轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地工頻耐壓值。
(4)短時(shí)過流能力IOL。IOL>IP=6300A,選擇IOL=13.5kA。
(5)開斷電流IDCBR。IDCBR>IDCSC=37KA,選擇IDCBR=75kA。式中:IDCSC為可控硅短路電流。根據(jù)上述計(jì)算,選擇滅磁開關(guān)為HPB45M-82S。
不同滅磁工況時(shí),采用阻斷脈沖的方式,對(duì)弧壓的要求是高于2000V,所選磁場(chǎng)斷路器弧壓4000V 滿足要求。
此時(shí)電源電壓為0,需要的磁場(chǎng)斷路器最小弧壓為
Uarcmin= 0 + URSC= 0 +1200 = 1200V
斷路器的弧壓為4000V >1200V,能夠可靠滅磁,滿足要求。
此時(shí)的電源電壓為
UEL= 1.35U20×1.305cos10°-(3xtot/3.14 +2rtot)IPLU202/Sn-∑ΔU = 1700
Uarcmin= URPL+ UEL= 1197 +1700 = 2897V
斷路器的弧壓為4000V >2897V,發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)能夠可靠滅磁。
發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路滅磁時(shí)起始電流最大值為10000A。0 ~0.2s 對(duì)應(yīng)的安秒特性為10.8MA2s,與斷路器配合的 (單管)跨接器可控硅3BHS126939 的0 ~0.2s 安秒特性為15.3MA2s,遠(yuǎn)高于實(shí)際短路時(shí)的安秒特性,滿足要求。
結(jié)論:滅磁開關(guān)HPB45M-82S 滿足和超過所有招標(biāo)書技術(shù)要求,跨接器主回路采用3BHS126939。
(1)最小起勵(lì)電流Iffmin。在最低系統(tǒng)電壓下保證達(dá)到建立10% Ugn(Ugn為發(fā)電機(jī)機(jī)端額定電壓)所需的起勵(lì)電流為Iffmin≤10%IER0=185A
式中:IER0為發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子電流,其值為1850A。
(2)10%Ugn對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓約為
10%U20= 112V >10V
(3)最低整流電壓Udmin(采用單相整流以降低起勵(lì)電阻損耗)為
Udmin= 0.9KULOUFF2-2UD= 21V
式中:KULO為最低電源電壓系數(shù),取值0.85;UFF2為起勵(lì)變二次則電壓,取值A(chǔ)C30V;UD為二極管壓降,取值1V。
(4)起勵(lì)電纜電阻Rcth。考慮共使用12mm2銅導(dǎo)線10m,在65 !C 時(shí)Rcth=1.6 ×10-2× (1 +0.0043 ×65) ×10/12 = 0.017 "
線路壓降為
0.0173 ×185≈3V
根據(jù)計(jì)算選擇:交流起勵(lì)變壓器為220V/20V,容量為3.6kVA。
(5)直流起勵(lì):
最小起勵(lì)電源電壓為220 ×80% =176V。
起勵(lì)電阻的電壓降為Urmin=165V。
起勵(lì)電阻值為Rff=Urmin/Iffmin#0.9 "。
對(duì)應(yīng)的起勵(lì)電阻功率為Pmax=Iffmin2Rff=30kW,取Pmax的10%為起勵(lì)電阻的額定功率,即3kW。
根據(jù)計(jì)算選擇:起勵(lì)接觸器的額定值為220V、315A,直流起勵(lì)電源容量為40kVA,起勵(lì)電阻為0.9 "、3kW。
(1)4 號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓選擇偏高,已進(jìn)入高危參數(shù)范圍。實(shí)踐證明,勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓超過1000V,就標(biāo)志著進(jìn)入了高危參數(shù)范圍;4號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓選擇為1120V >1000V,已進(jìn)入高危參數(shù)范圍,將會(huì)給勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)行帶來很多負(fù)面影響。
(2)4 號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓選擇過高,會(huì)造成勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行工況不好。勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓過高,不僅在經(jīng)濟(jì)上增加了投資;在設(shè)計(jì)制造上會(huì)增大相關(guān)勵(lì)磁設(shè)備選型的難度,尤其是直流滅磁開關(guān)的選擇難度;在安全上降低了勵(lì)磁系統(tǒng)回路所有運(yùn)行設(shè)備的壽命,特別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等主要設(shè)備的壽命;而且會(huì)使可控硅在空載勵(lì)磁電壓和額定勵(lì)磁電壓只有幾百伏(一般不超過500V)的勵(lì)磁系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí),其控制角將處于深度控制角度(85°左右)狀態(tài)。由此造成兩個(gè)主要問題:第一是降低了運(yùn)行功率因數(shù),增加了勵(lì)磁回路的損耗;第二是增大了勵(lì)磁整流器交直流側(cè)過電壓,降低了運(yùn)行設(shè)備的可靠性。在這些過電壓的不斷沖擊下,勵(lì)磁變二次電壓回路、轉(zhuǎn)子回路設(shè)備包括轉(zhuǎn)子,其運(yùn)行壽命必將縮短。在控制角約為85°這種深度控制下,可控硅換相點(diǎn)就在勵(lì)磁變二次電壓的峰值附近,進(jìn)一步加重了可控硅柜換相過電壓的尖峰值,使勵(lì)磁變二次側(cè)過電壓倍數(shù)大于工程領(lǐng)域要求的最佳倍數(shù)1.5,在高過電壓作用下,會(huì)直接導(dǎo)致勵(lì)磁設(shè)備絕緣擊穿。另外,勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓過高,還會(huì)加大發(fā)電機(jī)軸電壓,不利于機(jī)組安全運(yùn)行。
(3)4 號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓選擇偏高原因分析。根據(jù)前面勵(lì)磁變額定二次電壓計(jì)算和選擇情況可以看出,計(jì)算中勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)是按照GB/T 7409.3—2007 《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定的“按照2.0 倍和80%電壓考慮”條件選擇的,也是合理的??刂平嵌冗x擇10°也沒問題。最后鎖定勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓偏高是發(fā)電機(jī)廠家提供的額定勵(lì)磁電壓值UfNmax=548V 偏高所致。
(4)處理建議。要使4 號(hào)、5 號(hào)勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓在1000V 以下,發(fā)電機(jī)廠家必須通過優(yōu)化設(shè)計(jì)降低發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓(最好在490V 以下),同時(shí)將重新設(shè)計(jì)后的相關(guān)發(fā)電機(jī)參數(shù)及時(shí)通知?jiǎng)?lì)磁廠家,以便勵(lì)磁廠家選擇合適的勵(lì)磁設(shè)備,避免因設(shè)計(jì)問題而影響設(shè)備正常投運(yùn)。
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