 Journal of Electrical Engineering电气工程, 2013, 1, 21-24 http://dx.doi.org/10.12677/jee.2013.11005 Published Online September 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jee.html) Open Access 21 Excitation System Design and Components Selection for CCS Hydropower Plant Dan Zhang, Shanfu Qiu Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou Email: 16589626@qq.com Received: Aug. 9th, 2013; revised: Aug. 15th, 2013; accepted: Aug. 21st, 2013 Copyright © 2013 Dan Zhang, Shanfu Qiu. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: This paper introduces the design principles of excitation system, including the calculation of parameters for excitation transformer, thyristor rectifier, de-excitation breaker and excitation cable in CCS Hydropower Plant. Keywords: Excitation System; Design and Components Selection CCS 水电站励磁系统的设计与选型 张 丹，丘善富 黄河勘测规划设计有限公司，郑州 Email: 16589626@qq.com 收稿日期：2013 年8月9日；修回日期：2013年8月15日；录用日期：2013 年8月21日 摘 要：介绍了CCS 水电站励磁系统的设计情况，包括励磁变压器、可控硅整流器、灭磁开关、励磁电缆的参 数计算。 关键词：励磁系统；设计选型 1. 引言 Coca Codo Sinclair (简称 CCS)水电站工程位于南 美洲厄瓜多尔国东北部 Napo 省与 Sucumbios 省交界 处，首部枢纽位于 Quijos 和Salado 两河交汇处下游， 距首都基多公路里程约130 km。工程主要建筑物包括 首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、地下厂 房、500 kV 电缆洞、开关站、控制楼等。地下厂房安 装8台单机容量为 205 MVA的水斗式水轮发电机组 及其附属设备，主变洞内安装有 25 台单相变压器(1 台备用)及500kV GIS 等设备。电气主接线发电机侧为 发电机-主变压器单元接线，发电机出口电压 13.8 kV， 采用离相封闭母线，设发电机出口断路器；升高电压 侧为双母线接线，500 kV 配电装置采用GIS 设备，3 回出线。工程概况如图 1所示。 2. 励磁系统设计依据 励磁系统是同步发电机组的重要组成部分，直接 影响发电机的运行特性。优良的励磁系统不仅可以保 证发电机稳定和运行可靠，而且可以有效地提高发电 机及电力系统的经济技术指标[1]。依据CCS 业主方与 中国总承包方签订的主合同，对励磁系统的要求主要 有以下几点： 1) 励磁系统采用自并励[2]。 2) 调节器采用冗余系统。 3) 强励电压倍数为 3。 4) 晶闸管整流装置设计成 3个整流桥并联。  CCS 水电站励磁系统的设计与选型 Open Access 22 Figure 1. general chart of project 图1. 工程概况图 5) 功率柜采用强迫风冷方式。 6) 励磁变采用三相变，F级绝缘，温升按 B级考 核。 在此基础上，结合 GB/T 7409.3-2007《同步电机 励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求》及 DL/T 583-2006《大中型水轮发电机静止整流励磁系统 及装置技术条件》对励磁系统的要求，进行了励磁系 统设备的采购与设计。 3. 发电机制造商提供的参数如下 1) 容量：205 MVA 2) 额定功率因数：0.9 3) 额定频率：60 Hz 4) 额定电压：13.8 kV 5) 额定电流：8576.6 A 6) 额定励磁电压(Ufn)：204.5 V 7) 额定励磁电流(Ifn )：1951 A 8) 空载励磁电压(Ufo)：81.3 V 9) 空载励磁电流(Ifo)：1093 A 4. 励磁系统的组成 CCS 励磁系统由励磁变、制动变、1面调节柜、3 面功率柜、1面电气制动切换柜、1面灭磁开关柜及 1 面灭磁电阻柜组成。励磁系统框图如图 2所示。 5. 励磁变压器容量及二次电压计算 1)计算依据 (1) 满足发电机在 1.1倍额定励磁电流下长期运 行的要求，并留有裕度[3]； (2) 满足发电机组 3倍强励电压要求； (3) 整流桥为三相全控桥，最小控制角α=15； (4) Ufn = 204.5 V；Ifn = 1951 A。 2) 变压器二次电压的计算 21.35 cos ufN T NTI ku u ucx K 式中： u K——强励电压倍数，为3 fN U——发电机额定励磁电压，204.5 V T U ——电流回路中可控总压降，一般取2 V cos ——最小控制角系数，为 0.966 C——倾斜系数，对于三相全控桥 c = 0.5 T X——变压器漏抗，0.06 I K——强励电流倍数，为2 计算出 2 3204.5 2502 1.350.9660.5 0.062 N uV 3) 励磁变容量的计算 考虑变压器的谐波损耗[4]，取变压器的容量为发 电机额定运行时变压器容量的1.2 倍。 2 1.2 30.816 1.2 1.7325020.816 19511661 NfN PuI K VA 实际选取励磁变容量为1700 KVA，满足要求。 6. 可控硅元件计算 每个整流柜装设一个三相全控整流桥，熔断器和 辅助电路，以及用于冷却的风机，风机安装在每个柜 子的最顶端。可控硅整流桥组件设计成模件形式，便 于互换和检修。 1) 反向重复峰值电压验算 反向重复峰值电压应不小于 2.75 倍励磁变压器 二次侧最大峰值电压。  CCS 水电站励磁系统的设计与选型 Open Access 23 Figure 2. chart of excitation system 图2. 励磁系统框图 即2 2.75 2 2.75 1.4145021952 RRM N VU V 实际选取可控硅反向重复峰值电压 VRRM为2800 V，满足以上要求。 2) 晶闸管通态平均电流 4 26 pSAjid S K IKKI K KK 式中：KSA——电流储备系数取 2 Kji——电路系数，对三相全控桥，取 0.367 Id——强励顶值电流取 3902 A K4——海拔高度系数，海拔高度小于 1000 米， 取1.1 K2——风速系数，取 1.0 K6——温度系数，取 0.9 KS——环境温度系数，40℃取1.0 计算出 4 26 3501 pSAjid S K I KKI A KKK 整流桥的并联支路数设计为 3，但一个退出时能 满足所有工况，包括强励在内，则 IP ≥ 3501/2 = 1751 A。 实际选取的晶闸管元件通态平均电流 IP = 2760 A。 7. 灭磁开关选型计算 正常停机采用逆变灭磁；事故停机采用灭磁开关 和氧化锌非线性电阻灭磁，并应设有逆变失败转灭磁 开关与非线性电阻灭磁的措施[5]。 1) 选型 采用 ABB 公司生产的E3H/E MS-2500型灭磁开 关。 2) 额定电压的核算 磁场断路器额定电压应大于励磁电路长期工作 电压的最大值，可按 2倍额定励磁电压考虑，E3H/E MS-2500 型灭磁开关额定电压为 1000 V，高于409 V， 满足设计要求。 3) 额定电流的核算 磁场断路器的额定电流应不小于发电机最大容 量时励磁电流的1.2 倍 fn kI1.2 19512341 N I A E3H/E MS-2500 型灭磁开关额定电流为2500 A， 高于 2341 A，满足设计要求。 8. 励磁电缆选择 1) 交流侧电缆 交流测电流  CCS 水电站励磁系统的设计与选型 Open Access 24 1.1 0.816 1.1 0.816 19511751 fN II A 励磁变压器至整流器之间的交流电缆一般采用 三芯交联电缆。初选截面为 185 mm2铜芯的三芯交联 电缆，查电缆手册，其载流量为 410 A，则 1751 4.64 410 1.00.92 n 式中温度环境系数为 1，敷设电缆时的校正系数 为0.92； 因此选定每套励磁装置引 5根截面为 185mm2铜 芯的三芯交联电缆，电缆额定电压选1000V。 2) 直流电缆 根据励磁电流的大小及考虑到1.1 倍电流下长期 运行等因素，直流侧电流为1951 × 1.1 = 2146 A。直 流侧电缆采用单芯交联电缆。初选截面为 185 mm2铜 芯的单芯交联电缆，查电缆手册，其载流量为 546 A， 则 2146 4.27 546 1.00.92 n 式中温度环境系数为 1，敷设电缆时的校正系数 为0.92； 因此选定正负极各引 5根截面为185 mm2铜芯的 单芯交联电缆，电缆额定电压选 1000 V。 9. 结语 发电机励磁系统在发电机机组投资中所占的比 重虽然极小，却是一个实时控制系统，其安全性和可 靠性关系到电力系统的安全与可靠，各项性能指标直 接关系到电力系统的稳定。发电机励磁系统的性能对 于提高电网的输送能力和稳定性等具有重要意义，尤 其是大型发电机励磁系统，其调节性能以及安全性、 可靠性是电网安全稳定的重要环节，是电网安全稳定 的基础[4]。水电站励磁系统的选型计算，系统中各个 部件选型是否合理匹配，不仅影响机组的可靠性能， 而且也影响其经济性能。目前 CCS 电站励磁系统的设 计工作已经完成，图纸通过了咨询方的审批，待设备 投入运行后，我们将根据励磁系统的运行情况，对存 在的问题进行分析和总结。 参考文献 (References) [1] 王中元 (2004) 紫坪铺水电站励磁系统的选型分析. 四川水 力发电 , 2, 46-47. [2] 李基成 (2007) 大型水轮发电机组励磁系统设计新理念. 水 电厂自动化 , 1, 1-13. [3] GB/T 7409.3-2007 (2007) 同步电机励磁系统大、中型同步发 电机励磁系统技术要求. 中国标准出版社, 北京. [4] 许其品, 朱晓东, 刘国华 (2009) 大型发电机励磁系统的设 计. 水电厂自动化 , 4, 20-24. [5] DL/T 583-2006 (2006) 大中型水轮发电机静止整流励磁系统 及装置技术条件. 水利电力出版社, 北京. |