励磁系统设计计算书

1、600MW汽轮发电机组自并励励磁系统设计计算书 18/18600MW汽轮发电机组自并励励磁系统设计计算书二00八年十二月目 录一、励磁变压器选择计算31、二次侧线电流计算32、二次侧额定线电压计算33、额定输出容量计算44、各工况触发角计算45、短路电流试验的核算56、空载升压130%试验核算57、网侧电压分接头确定5二、励磁系统短路电流计算61、励磁变低压侧短路62、整流柜出口短路63、灭磁开关出口短路74、滑环处短路7三、硅元件及整流桥技术参数计算71、硅元件额定电压的选择72、硅元件额定电流的选择7四、硅元件快熔计算91、快熔额定电压的选择92、快熔额定电流的选择93、快熔熔断特性的校核

2、9五、冷却系统技术参数计算101、硅元件发热量102、 铜母排发热103、整流柜快速熔断器发热11六、灭磁开关的计算及选择111、磁场断路器电压的选择112、磁场断路器电流的选择123、磁场断路器分断电流及弧电压的选择124、磁场断路器短时耐受电流的计算及选择125、正常灭磁原理及动作顺序136、滑环处短路故障时灭磁原理及动作顺序13七、灭磁电阻的计算及选择131、线性灭磁电阻阻值的计算132、线性灭磁电阻选择143、灭磁能量的计算14八、过电压保护装置的计算及选择161、过电压保护装置原理接线图162、氧化锌非线性的性能及过电压保护原理163、发电机转子绝缘对过压保护装置的要求174、用户在

3、现场对过压保护装置的检测、试验方法18600MW汽轮发电机组自并励励磁系统技术参数设计计算书一、励磁变压器选择计算 励磁变压器为励磁系统提供电源，专门应用励磁整流系统的变压器，其输入容量包括输出容量、附加损耗容量和谐波损耗容量，励磁变压器设计时根据输出容量考虑到整流系统的谐波损耗及变压器附加损耗（详见励磁变压器资料）。本计算书仅对励磁变压器的输出特征参数进行设计，包括二次侧额定输出电压、二次侧额定输出电流、额定输出容量和短路阻抗核算，关于变压器谐波发热、温升及散热等参数参考变压器厂家具体技术资料。1、二次侧线电流计算具体计算公式如下式：I2=1.1式中：I2：励磁变压器二次侧线电流Ifn：发电

4、机在最大容量、额定电压和额定功率因数时的励磁电流2、二次侧额定线电压计算考虑换相压降、可控硅导通压降及电缆或母排压降，可控硅整流桥输出电压计算公式为：按照技术规范要求：当发电机端电压降至80%时或额定电压时，励磁系统保证输出强励电压，则具体校核计算公式如式：式中：U20：励磁变压器二次侧空载额定线电压 min：励磁系统强励时可控硅控制角，计算中取为10° Ufmax：励磁系统顶值电压Ifmax：励磁系统顶值电流k1：取为0.8或1 U：电压降之和，包括导通两臂的硅元件正向压降，汇流导线电阻压降及转子滑环与炭刷间的压降，计算中取8V。 Xr=k2为电压强励磁倍数，k3为电流强励倍数。由

5、换相阻抗与电压和容量相关，一般是经初步估算得出 U20及容量，按上式进行校验：当上式右边小于左边，说明满足励磁系统强励技术要求。 初步估算 U20的计算式为：3、额定输出容量计算具体计算公式如下式：SN= 式中：SN：励磁变压器额定输出容量设计取整数即可4、各工况触发角计算 发电机额定空载励磁电流为，励磁电压为，则触发角度计算为： 发电机额定负载励磁电流为，励磁电压为，则触发角度计算为： 发电机强励磁时励磁电流为，励磁电压为，则触发角度计算为： 如果强励时机端电压降至80%额定电压时，则触发角度为10度。 5、短路电流试验的核算 发电机空载额定励磁电流为，短路比为，则发电机额定短路电流时励磁电

6、流为，短路电流试验一般要求做至110%额定电流，则短路电流试验最大励磁电流为，可以计算出对应于该励磁电流最大励磁电压，当励磁变压器网侧电压采用厂用6.3KV电压时，副边最大电压为：V按最小触发角为10度计算，其输出电压为： 如果上式左边大于右边，说明网侧电压接至6.3KV厂用电后，励磁输出满足发电机短路升流试验；如果上式左边小于右边，则励磁变压器高压侧需要预设计分接头，发电机短路试验验时，必须改变分接头，以保证励磁变压器输出电压即可满足短路试验要求。6、空载升压130%试验核算 根据发电机典型参数分析，发电机空载130%额定电压时，发电机励磁电流最大值可达空载额定励磁电流的两倍，可计算出对于应

7、于该励磁电流最大励磁电压为，当励磁变压器网侧电压采用厂用6.3KV电压时，副边最大电压为：按最小触发角为10度计算，其输出电压为：如果上式左边大于右边，说明网侧电压接至6.3KV厂用电后，励磁输出满足发电机空载升压至130%额定电压的试验要求；如果上式左边小于右边，则励磁变压器高压侧需要预设计分接头，发电机空载升压至130%额定电压的试验时，必须改变分接头，以保证励磁变压器输出电压即可满足短路试验要求。7、网侧电压分接头确定 根据以上计算，为可靠起见，励磁变压器网侧分接头，同时满足发电机短路试验和空载升压至130%试验的要求。二、励磁系统短路电流计算在计算下列短路电流时，假定励磁电缆、可控硅内

8、阻及铜排长度电阻均为零，励磁变压器网侧电源容量为无穷大。励磁变压器初选参数如下：容量为S，变比为U1/U2，阻抗为Uk。1、励磁变低压侧短路 考虑短路发生低压侧出口，短路电流最大，为： 该短路电流折算至励磁变压器高压侧电流为：2、整流柜出口短路 考虑整流柜直流出口处短路，假定可控硅内阻及铜排长度电流均为零，其输出电流与可控硅触发角相关，当触发角为最低时（假定为0度），短路电流最大，其波形为六相脉动电流，平均值为：该直流侧短路电流折算至每臂可控硅电流为：虽然每整流臂由4个可控硅并联，但考虑最严重工况，假定该电流由一个快速熔断器分断，则快速熔断器的最大分断电流不小于该电流。该直流侧短路电流折算至交

9、流侧每相电流为：折算至励磁变压器高压侧每相电流为：3、灭磁开关出口短路 灭磁开关出口处短路，在假定铜母排长度电阻为零的条件下，最大短路电流与整流柜直流出口处最大短路电流相同。该电流为灭磁开关选择提供依据，即灭磁开关短时分断电流不小于该电流。4、滑环处短路 发电机转子滑环处短路时，在假定电缆（铜母排）长度电阻和滑环接触电阻为零的条件下，最大短路电流与整流柜出口最大短路电流相同。三、硅元件及整流桥技术参数计算1、硅元件额定电压的选择 具体计算公式如下式：式中：VDRM：可重复加于可控硅元件的最大正向峰值电压值 VRRM：可重复加于可控硅元件的最大反向峰值电压值 U2：整流桥交流侧额定线电压拟选定可

10、控硅，其VDRM 及VRRM ，满足硅元件正向及反向过电压要求。2、硅元件额定电流的选择基本公式如下：硅元件平均损耗：式中：PAV：硅元件平均损耗 UO：硅元件门槛电压 Ri：硅元件斜率电阻 ITAV：流过硅元件的电流平均值 f：波形系数，三相全控桥整流计算中f2取为3硅元件的结温Tj=PAVRjcsA+TA+ （8-6）式中：Tj：硅元件结温 RjcsA：硅元件与散热器热阻 TA：环境温度，计算时定为40 ：安全裕度根据技术条件要求：三桥并列时，单桥输出必须满足1.1倍额定励磁电流长期连续运行（K2为均流系数）：三桥并列时，单桥输出短时（20秒）输出电流必须满足：二桥并列时，单桥输出满足额定

11、励磁电流长期运行： 查选定可控硅的参数，其额定正向平均电流为VT，Tj=125，Ri，U0。在环境温度为40，风速为3.5m/s时，选用相配套的散热器和硅元件的总热阻为Rj/W），短时动态热阻为Rjd（/W）。计算退出一桥时单桥输出为时，计算退出一桥时单桥输出为时，强励时温升裕量为： 如果温升裕量大于10，表明整流系统满足（n-1）原则的技术要求，即当一个整流分支故障退出运行后，（n-1）个桥（柜）并列运行，完全满足发电机包括强励在内的一切工况的需求，并保留一定的安全裕度。计算退出二桥时单桥输出为 如果温升裕量大于10，表明整流系统满足（n-2）原则的技术要求，即当二个整流分支故障退出运行后，

12、（n-2）个桥（柜）并列运行，完全满足发电机额定工况运行的需求，并保留一定的安全裕度。四、硅元件快熔计算1、快熔额定电压的选择 具体计算公式如下式： 式中：VN：快熔额定工作电压值 U2：整流桥交流侧额定线电压 拟选定的快速熔断器，其VN 满足额定电压要求。2、快熔额定电流的选择具体公式如下式：式中：IN：快熔额定工作电流值 Ismax：硅元件最大工作电流根据整流系统的设计，流过硅元件最大工作电流为：拟选定的快速熔断器，其IN 满足额定电流要求。3、快熔熔断特性的校核快速熔断器要求在运行中出现大电流时，要于可控硅元件损坏之前熔断，以保护硅元件，即要求其I2t特性要小于硅元件I2t特性，根据硅元

13、件的选择，可以知道硅元件的I2t特性为27000000A2s。拟选定的快速熔断器，其燃弧I2t特性为1250000A2s，其断弧I2t特性为6000000A2s，其和比硅元件的I2t特性小得多，满足保护硅元件的要求。快速熔断器的熔断特性要求最大熔断电流大于回路中最大电流，根据整流系统设计，最大电流即为整流桥直流侧金属性短路电流，计算如下式：式中：IDmax：最大短路电流U2：励磁变压器副边额定线电压S：励磁变压器额定容量UK：励磁变压器短路比拟选定的快速熔断器，最大熔断电流大于最大电流，满足安全熔断最大电流的要求。 对于最大电流，根据快熔及硅元件I2t特性值计算可知，快熔燃弧时间约为0.43毫

14、秒，断弧时间约为2.066毫秒，硅元件损坏时间约为9.298毫秒，由此，当出现最大电流时，快速熔断器在2.066毫秒即熔断，从而保护硅元件不损坏。五、冷却系统技术参数计算1、硅元件发热量计算硅元件发热量以发热量最大的硅元件发热量为依据，乘以硅元件个数，借以估算整流系统硅元件发热总量，作为冷却系统设计容量的基础，才可以保证冷却系统的安全裕度，可以知道，当2桥退出运行时，最大电流的元件在较大电流整流分支中，以均流系数为0.9计算，硅元件发热量最大为，则该柜硅元件最大发热量总和为：即每柜（桥）冷却系统设计时（风机的流量），硅元件发热按进行估算。励磁系统冷却系统（空调功率）设计时，整流系统全部硅元件发

15、热总量按估算。2、 铜母排发热四个整流柜内三相交流进线均采用铜母排，用螺栓与横跨整流柜的总三相交流母排相连，两相直流出线采用铜母排，用螺杆与横跨电气制动柜、整流柜及灭磁柜的总两相直流母排相连。考虑到柜体设计，n个整流柜内交流铜母排总长约为1.5*n米，直流铜母排总长估计为n米，总三相交流母排总长估计为4*n米，总两相直流母排总长度估计为3*n米。发热量以n柜总输出为额定励磁电流计算，铜的电阻率为1.67*10-2*mm2/m，具体计算如下：3、整流柜快速熔断器发热n个整流柜内均装有快速熔断器，快速熔断器内阻以0.0765m计算，当两桥运行，且均流系数为0.9时，最大电流的熔断器发热器最大，此时

16、发热为：综上所述，每个整流桥（柜）发热量最大计算值为：而整个励磁系统总发热量最大值为：。六、灭磁开关的计算及选择 1、磁场断路器电压的选择具体公式如下式：式中：UN：磁场断路器额定工作电压值 Ufmax：最大磁场绕组电压根据励磁变压器及整流系统设计结果，最大磁场绕组电压对应于发电机1.3倍额定电压时，整流桥全开放的电压，计算如下：拟选定法国雪铁龙(Secheron)公司HPB60-82型磁场断路器，额定工作电压为2000V，满足额定电压要求。2、磁场断路器电流的选择按照招标文件的技术要求：磁场断路器的额定电流不小于发电机负荷时励磁电流的1.1倍，因此，按招标文件技术要求计算，即：式中：IN：磁

17、场断路器额定工作电流值 IfN：发电机最大磁绕组电流拟选定法国雪铁龙(Secheron)公司HPB60-82型磁场断路器，额定工作电流为6000A，满足额定工作电流要求。3、磁场断路器分断电流及弧电压的选择按照招标文件的技术要求：磁场断路器在最大磁场电压、发电机端三相短路或空载误强励情况下能成功地断开发电机磁场电流及可靠地投入灭磁电阻对发电机进行灭磁，并能分断转子正、负极回路短路电流，即：式中：UArc：磁场断路器分断灭磁时弧电压值Ufmax：发电机最大磁场绕组电压URmax：最大灭磁电流对应的灭磁电组两端电压IDmax：转子正、负极短路电流（最大电流）由前面计算可知，IDmax转子正、负极短

18、路电流，发电机最大磁场绕组电压Ufmax，按标准要求灭磁电压介于额定励磁电压的3至5倍，即：拟选定法国雪铁龙(Secheron)公司HPB60-82型磁场断路器，其最大断开电流为75000A，其灭磁弧压为4000V，满足发电机任何工况下安全断开发电机磁场电流及可靠地投入灭磁电阻对发电机进行灭磁的要求。4、磁场断路器短时耐受电流的计算及选择励磁系统保证输出2倍额定励磁电流，持续时间大于20秒，即磁场断路器流过强励电流时间不能小于20秒， 拟选定法国雪铁龙(Secheron)公司HPB60-82型磁场断路器，其过载电流及时间表为：6300A（1小时）、9000A（5分钟）、13500A（1分钟），

19、15000A（10秒），满足强励电流20秒钟的要求。 5、正常灭磁原理及动作顺序发电机正常停机时，先将发电机解列，电厂控制系统向励磁调节器发出停机逆变灭磁命令，励磁调节器发出逆变脉冲，可控硅整流柜输出负电压，对发电机磁场进行逆变灭磁，发电机端电压逐渐下降至零。然后，发出灭磁开关分闸命令，灭磁开关分开，灭磁过程结束。在正常灭磁过程中，线性灭磁电阻不参与灭磁，不消耗发电机磁场能量。发电机逆变灭磁为无触点灭磁，灭磁过程平稳，无机械触点，无电弧产生，电阻无负荷，是发电机正常停机灭磁的首选方式。6、滑环处短路故障时灭磁原理及动作顺序滑环处短路后，励磁系统输出电流无法进入发电机磁场绕组，磁场能量很快衰减，

20、励磁系统检测到励磁变副边电流急剧上升，进入最大励磁电流限制，降低励磁电流，同时发电机保护装置检测到发电机失磁保护和励磁变副边短路故障，作用于发电机跳闸，向发电机发出跳闸令和灭磁开关跳闸命令，发电机解列，灭磁跨接器动作，灭磁线性电阻并接至磁场绕组，灭磁开关分开，隔断电源，短路电流同时断开，发电机磁场电流经由线性灭磁电阻或短路点形成闭合回路，磁场能量在回路内转变成热量消耗完，发电机端电压降到零，故障灭磁过程结束。七、灭磁电阻的计算及选择 1、线性灭磁电阻阻值的计算按标准要求强励时灭磁电压介于额定励磁电压的4至6倍，但实际工程中常考虑发电机定子侧短路时灭磁电压水平，按IEC标准规定发电机定子短路时励

21、磁侧最高流过3倍额定励磁电流，具体公式如下式：灭磁原则要求在满足灭磁电压的要求下，尽可能减少灭磁时间，对于线性灭磁电阻，电阻值越大，灭磁时间越短，因此综合考虑，选择线性灭磁电阻总阻值。2、线性灭磁电阻选择选择线性灭磁电阻为ZX22系列不锈钢电阻器，不锈钢电阻器具有容量大、耐磨蚀、无感应、无接触电阻、阻值稳定、精度高和耐振动的特点。为提高灭磁的可靠性，线性灭磁电阻采用多个单体电阻并联构成，在灭磁电阻两端设置连接母排，所有单个线性电阻经由电缆固定在母排上，以增加灭磁时大电流的电动力。根据ZX22系列电阻的阻值，选择单体电阻为x欧姆的电阻ZX22-x，共选择n只电阻并联，总电阻为x/n欧姆。ZX22

22、-x电阻额定功率为5.5KW，额定发热时间为202秒，热容量为1.1MJ，灭磁电阻总能容为(1.1*n)MJ。3、灭磁能量的计算灭磁时间灭磁能量的计算是采用数字仿真计算的方法实现。并假定励磁绕组能量在励磁绕组与阻尼绕组中完全消耗，具体过渡过程表达如下： 励磁绕组电压方程 阻尼绕组电压方程 发电机空载特性曲线 3.1、仿真参数计算 利用式计算出Xad*，其中可由发电机空载特性曲线曲线查出不饱和情况下，达到机端额定电压所需空载励磁电流值If0。励磁绕组电流基准值可以取IfB=Xad*If0，依此基准可以近似认为： Xad* =Xaf* =Xfd* =XaD* 利用式和式XD=XD+Xad，Xf=X

23、f -Xad这样可得到XD、XD和Xf。3.2、饱和的考虑 前面所有量都在认为发电机不饱和，下面分析关于i饱和特性。 其中： 是f绕组if电流在D绕组上产生的互感磁通。 是D绕组iD电流在f绕组产生的互感磁通。 这一对磁势构成总的互感磁通 考虑饱和 = 3.3、线性电阻选择及灭磁仿真 线性电阻选择10并ZX22-2.2，其U-I特性为从述仿真结果可知，发电机最大灭磁容量发生在空载误强励时，灭磁波形如下图所示：从仿真图形可知，发电机磁场总容量为6MJ，线性灭磁电阻吸收的能量约为4.2MJ，远小于灭磁电阻总能容11MJ，灭磁电阻能容满足设计要求。流过灭磁电阻的电流从强励开始，在0.5秒内降至额定电

24、流，计算灭磁电阻0.5秒内允许电流的计算如下：由上式知在0.5秒内，灭磁电阻通过电流为10000A，大于9346A，满足设计要求。最大灭磁电压为2056V，小于前面设计灭磁开关时的灭磁最高电压，说明此种配置的灭磁电阻，灭磁开关能够可靠地分断励磁电流，并将转子能量可靠地转移至线性灭磁电阻进行快速消耗。八、过电压保护装置的计算及选择1、过电压保护装置原理接线图 灭磁及过电压保护原理如下图所示：上图中灭磁系统由灭磁开关和灭磁线性电阻及电子跨接器组成；过电压保护装置设置两套非线性电阻过电压保护，开关前设置一套过电压保护、开关后设置一套过电压保护，同时灭磁电子跨接器中也设置过电压触发，以保护发电机在大滑

25、差或异步运行。2、氧化锌非线性的性能及过电压保护原理 氧化锌非线性电阻的伏/安特性见下图，当电压较低时，流过的电流很小，电阻很大，当电压超过一定数值后，流过电流急剧上升，等效电阻急剧下降，通常用非线性数表示其特性，其定义如下： =Go/Ge式中：Go=Io/Uo 为工作点的静态电导 Ge=dIo/dUo 为工作点的动态电导由定义可导出U=CI式中 U：为电阻的电压降（伏） I：为电阻通过电流（安） C：为常数，即流通1安时的电压降（伏）显然，（0<<1）值愈小其压敏特性愈好。若=1则为线性电阻，若=0则为压降恒定的“理想压敏元件”。发电机运行中，过电压保护非线性电阻FR1、FR1原工作点在A1处。如果产生过电压能量，如正向过电压，则当该能量积累使得正向过电压超过过电压动作整定值后，则FR1、FR2的控制触发回路启动，可控硅导通非线性电阻两端所加的电压，因超过非线性电阻的