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大型发电机组灭磁装置能容量的选择和仿真计算

大型发电机组灭磁装置能容量的选择和仿真计算

大型发电机组灭磁装置能容量的选择和仿真计算
黄冬华   王川
 (中国安徽凯立科技股份有限公司,安徽 合肥  230031)
[摘要] 本文探讨了大型发电机组灭磁装置能容量的选择方法及灭磁能容的计算
[关键词] 发电机、灭磁、吸能容量
一、概述
目前随着电力工业的迅猛发展,全国总装机容量的不断增加,发电机组的单机容量也越来越大。而对于大型发电机组的灭磁能容问题也已成为人们关注的焦点,以下以三峡电站水轮发电机为例,对大型发电机组灭磁能容量的选择进行探讨。  
二、发电机的几种灭磁工况
1、发电机空载灭磁:
是指在发电机的转速保持为同步转速,电枢空载情况下,跳灭磁开关,灭磁时的起始电流为空载励磁电流,此工况下灭磁能量相对较小。
2、发电机额定灭磁:
发电机额定灭磁时定子电流快速消失,由于气隙磁场不发生突变,转子电流相应降低至空载时水平,对应的转子磁能损失透过气隙消耗在定子侧断路器中,其后的灭磁工况类似空载灭磁。
3、空载误强励灭磁:
当发电机起动达额定转速,励磁电源投入尚未并网前,调节器故障出现空载误强励时,此时继电保护若不动作,转子电流将上升较快,根据三峡机组参数可知,空载误强励时转子的终值电流将达约19100A。对于三峡机组来说,三峡已投运机组设有两组过流及定子过压保护,来提高继电保护的可靠性,当发电机定子过电压达到1.3倍额定值,保护延时0.3S动作,限制了励磁电流的上升。所以在空载误强励情况下,对于灭磁装置的能容量的选择可不需要按照空载误强励时转子的终值电流来考虑,只需按照此时发电机定子过电压达到1.3倍额定值,保护延时0.3S动作时的发电机灭磁工况来考虑灭磁装置的能容量。
4、发电机端突然三相短路灭磁:
由三峡机组发电机三相突然短路时的发电机定子及转子电流的仿真计算(见图1)结果可看出,转子电流整个衰减过程在0.6S左右,基本上与定子绕组三相短路时间常数Ta3相对应,而不是由三相短路直轴暂态时间常数Td3’所决定,对三峡VGS型机组而言,Ta3=0.32S而Td3’=3.2S,为此在估算磁场灭磁容量时,应按与实测结果相符的Ta3时间常数来计算。
另外,由三峡机组55%额定电压三相突然短路转子电流衰减(见图二)全过程实测结果来看,整个衰减过程也在1S左右,同样也是按Ta=0.32S衰减的,更进一步证明了上述灭磁理念的正确性。
图一
 
对于大型水轮发电机灭磁电阻容量的选择应从客观实际出发,不仅考虑到灭磁系统的需求,而且要兼顾到主机运行的安全性。在考虑灭磁电阻****容量时,可按发电机与定子绕组三相突然短路时间常数Ta3对应的电感作为计算转子励磁绕组存储的磁场是适宜的,同时对转子电流直流分量****的电流数值的选择也应以故障切除时的相应电流值为准,根据电力系统故障切除时间在0.1s左右,此值约占转子电流****值的(60~70)%。
根据以上分析,对于发电机的灭磁装置能容量只需要考虑空载误强励和定子三相突然短路两种工况,我们利用计算机仿真计算程序来计算三峡机组这两种工况下的灭磁能量,进而科学合理地确定三峡机组灭磁装置的能容量。
三、将三峡实际的试验数据与计算机仿真计算结果进行比较,以验证计算机仿真计算的正确性。
3.1首先将三峡实际录波的三相短路(55%时)状态波形与计算机仿真计算结果进行比较。
3.1.1实际录波的定子三相短路(55%)时定子ABC、相及转子电流波形(见图二):
 
图二
3.1.2用计算机仿真计算定子三相短路(55%)时定子AB C、相及转子电流波形(见图三)
红线:转子电流,绿线:转子电压
图三
  通过以上的三峡实测波形与仿真计算结果可看出两者计算结果是一致的。
3. 2空载状况下灭磁能量计算
 
3.2.1由试验数据进行计算:
由三峡机组空载实验波形(见图四)求得空载时灭磁电阻消耗的能量WL
计算公式为:WL= UiIiΔt
  
                            图四: SIC伏安特性曲线
 
由SIC伏安特性曲线得出:U= U0 + kI =0.14I+433
图五:三峡机组空载灭磁电流波形
由空载灭磁电流波形(见图五)可得:
 
I1=I0-(I0- I1)t/ΔT      …      IN=IN-1-(IN-1- IN)t/ΔT
I0=2352A   ΔT=0.05S   t=0~0.05S
对各时间段进行积分求和:WL= WL +W2 +…+Wn
将各参数带入公式求得:WL=2.03MJ 
3.2.2由计算机进行仿真计算:设定灭磁非线性电阻的限制电压为2100V,则仿真计算的波形如下(图六):

 

  
图六:由波形图可知:转子电流2095A, ,灭磁时间为0.87S,灭磁能量为1.92MJ
由以上计算可以看出,计算机仿真计算结果与实际的试验数据结果一致,此仿真计算可作为工程设计的依据。
四、发电机空载误强励和发电机端三相突然短路(100%)灭磁能量计算。
4.1空载误强励状况下灭磁能量计算
4.1.1由发电机端电压U0= ×4.44fwkΦ(f、w、k为固定参数),
WL空误= IiΔΦ可知,灭磁能容量正比于空载特性曲线U0-If与U0轴之间的面积,空载误强励情况下定子过电压1.3倍继电保护动作并经0.3秒延时跳闸时,定子电压约为1.4倍额定电压值,由三峡发电机机组空载特性曲线(见图七)可得到:
 
图七:三峡机组空载特性曲线
将上面曲线延伸至定子电压1.4倍额定电压值,此时电流约为空载励磁电流的3倍,则如下图八:

 

图八
WL空误/ WL=SOBD/SOAC≈3.2
WL空误=2.03×3.2=6.496MJ
4.1.2由计算机进行仿真计算三峡发电机组空载误强励状态灭磁能量
前面提到空载误强励灭磁能量以定子过电压1.3倍继电保护延时0.3秒动作时的灭磁能量为依据 ,则此工况下的灭磁仿真波形如下(见图九):
空载误强励灭磁波形:红线---发电机转子电流波形,绿线---发电机转子电压
波形,UMAX=2100V。
图九:此时转子电流为6486A,灭磁电压2100V,灭磁时间为0.94S。灭磁能量为6.53MJ
4.2三峡机组100%端电压三相突然短路时,保护延时0.1S动作跳闸,灭磁的仿真波形如下(见图十):
图十:此时转子电流为8280A。灭磁电压为2100V,灭磁时间为1.03S。灭磁能量为8.94MJ

 

图十一:发电机端100%短路时的定子A、B、C三相电流仿真波形。
5、结论
5.1 对发电机空载、空载误强励、以及三相突然短路灭磁计算结果表明,以三相短路时灭磁能量为****,对三峡机组而言三相短路(100%)保护延时0.1S动作跳闸时的灭磁能量为8.94MJ。高于空载误强励1.30.3S延时对应的灭磁能量6.53MJ,在此基础上,如再考虑20%的余量,对三峡机组而言,灭磁电阻容量选择在10MJ~12MJ左右是足够的。
5.2通过本仿真计算结果与三峡机组灭磁实测结果对比表明,本计算方法具有足够的工程****性。为此,对今后大型发电机机组的灭磁容量的选择具有较高的参考价值。
 
参考文献
 
1、              李基成:“大型水轮发电机组励磁系统选择的新思维” 
《中国水电学会发电机励磁学科组第二届年会论文集》         
2、              华中工学院许实章,电机学,机械工业出版社
3、              上海交通大学,电工学(上册),人民教育出版社
4、              瑞典ASEA工厂,大型发电机的灭磁
5、              中国电力行业标准,DL/T 583-1995《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》
 
 
作者简介:
 
黄冬华  高级工程师  长期从事电力系统过压保护方面的开发和研究。
王  川  博士 教授级高工 多年致力于电力系统高科技产品的开发、研究工作. 
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