50MW水电站励磁设计计算书.doc(胡先洪,王波,张敬)

########大学毕业论文设计

50MW电站励磁系统

参数计算

指导老师：胡先洪

王波、张敬

学生姓名：########

《电气工程及自动化》2002级

目 录

1 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 4 5 6 6.1 6.2 7

发电机组参数 ............................................................................................................... 3 励磁变压器技术参数计算 ............................................................................................. 3 二次侧额定线电压计算 ................................................................................................. 3 二次侧额定线电流计算 ................................................................................................. 4 额定容量计算 ............................................................................................................... 4 晶闸管整流元件技术参数计算 ...................................................................................... 5 晶闸管元件额定电压的选择.......................................................................................... 5 晶闸管元件额定电流的选择.......................................................................................... 5 快速熔断器参数计算 .................................................................................................... 6 励磁电缆计算 ............................................................................................................... 7 灭磁及过压保护计算 .................................................................................................... 7 灭磁阀片计算 ............................................................................................................... 7 过电压保护计算 ............................................................................................................ 9 直流断路器计算 ............................................................................................................ 9

8 附录 12

1 发电机组参数

A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. K. L.

额定容量（MVA）

58.8

额定功率因数（滞后） 0.85 额定电压（kV） 额定频率（Hz） 相数

10.5

50

3

空载励磁电压（V） 62

额定负荷及功率因素下励磁电压（V） 1 空载励磁电流（A） 592 额定负荷下励磁电流（A） 1065 励磁绕组绝缘的最高耐压（直流V） 1500 励磁绕组75C的电阻（） 0.1307 直轴瞬态开路时间常数Tdo(s) 6.76

M. 直轴瞬态短路时间常数Td(s) 1.82 N. O.

直轴同步电抗（Xd） 1.059 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：

UfT2KuUfN0.81.35cosmin

式中：

Ku----电压强励倍数（=10时），取2.0倍（在80%UGN下）。

UfN-----发电机额定容量时励磁电压。 B.

针对本文设计发电机组：

UfT22.01=308V

0.81.35cos10综合考虑，取UfN=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：

IfT2KIfN式中：

2 3K------裕度系数1.1。

IfN-----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：

IfT21.110652956A 32.3 额定容量计算

SfT23UfT2IfT21033360956103596KVA 取标准容量：630KVA

励磁变压器设计参数表：

额定容量 一次额定电压 二次额定电压 630KVA 10.5KV 360V 接线组别 型式

YD11 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：

URRMK2UfN 式中：

K-------电压裕度系数，取2.75；

UfN------励磁变压器二次侧线电压。

B.

针对本文设计发电机组：

URRMKU2UfN2.7523601400V 取：URRM2600V

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： 1.110651172A

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：

2.01065/21065A

按单桥最大输出1172A计算，单个桥臂流过的电流平均值：

ITAV0.5771172/1.57431(A)

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)=Ki  IT(av)=2.0431=862 (A)

取：IT(AV)=1400A。 实际单柜输出能力：

I1.571400/2/0.5771905(A)

采用2柜并联时，额定工况下每柜实际负荷电流：

i1065/2533(A)

裕度系数：

1905/5333.6

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 反向重复峰值电压 通态平均电流 制造厂家

5STP16F2600 2600V 1400A 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：

i0.5771172676(A)

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： Sa0.8161172/2.5383mm2

励磁变到整流柜阳极电缆截面积应大于383 mm2。

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：

S1.11065/2.5469mm2

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：

112Wfmax3.5Wf0 3.5Lf0If03.5Td0RfI2f0

22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；

Td'0 — 直轴瞬态开路时间常数，Td'0=6.76s； Rf — 转子绕组直流电阻(75℃温度时)，

Rf0.1307Ω。

1因此，Wfmax3.56.760.130759220.MJ

2 2

ZnO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：

WNK1K2Wfmax1.250.730.0.49MJ

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。

Wfmax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%。。

1×10 ×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 灭磁残压 灭磁能量

6.2 过电压保护计算

ZnO 900V 0.8MJ 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：

IfmXdIf02'1

Xd式中：

If0 — 空载励磁电流，592A；

Xd — 直轴同步电抗，Xd 1.059；

''Xd — 直轴瞬变电抗，Xd 0.308。

1.059因此，最大灭磁电流：Ifm592213479A

0.308

直流磁场断路器设计参数表：

型号 额定电流 额定电压 最大分断电压 最大分断电流 制造厂家

CEX 71 1600 2.1 1600A 600V 1500V 6600A 法国LENOIR ELEC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CEX71-1600A 2.1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CEX71-1600A 2.1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

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）