一种中小水电站励磁系统设计的计算方法

一种中小水电站励磁系统设计的计算方法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，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。

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；电源电压升高系数，一般取1.05～1.10；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
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；
kfb：控制角为0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
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
3．1整流桥的并联元件数：
整流桥的并联元件数可根据右式计算：
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。

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）。

4、快速熔断器选用计算
4．1 电路形式的确定
可以选择每臂一个快熔的三相全控整流电路（共六只快熔），在小励磁系统中也可选用每相一个快熔的三相全控整流电路（共三只快熔）。

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。

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
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。

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，目前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15c（），/；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。

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。

7．1 ct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。

7．2 ct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。

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。

起励电阻功率计算：wrql=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。

9、电缆选用计算
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。