1、发电机参数
该机组原容量6.5MW，机组经三十多年运行，效率明显下降，水资源浪费严重，影响电站的发电效益。因此，电厂对机组进行了彻底的大修和技术改造，并将装机容量由原设计的6.5MW增容至7.15MW(即增容10%)。改造后发电机和励磁系统相关参数如下：额定容量7.15MW；额定电压6.3kV；额定励磁电压118V；额定励磁电流441A。
2、励磁设备参数计算
设备配置原则：满足发电机额定超负荷及1.1倍励磁电流下长时间运行的要求。设备选型需有足够的裕度。
2.1励磁变压器计算
2.1.1变压器二次电压的选择选择
原则应考虑在一次电压为80%额定电压时仍能满足2.0倍强励要求，即：
式中，U2为变压器二次侧线电压；Ufc为2.0倍强励时的额定励磁电压；1.35为三相全控整流系数；αmin为强励时的晶闸管触发角。考虑到换弧压降，因此实际选择变压器二次侧电压为240V。
2.1.2变压器额定容量的选择
变压器容量应满足额定励磁电流下长期运行的要求，即：
式中，S为变压器容量；Ie为变压器二次侧线电流；Ifn为发电机额定励磁电流值。
考虑足够的运行裕度，实际选择变压器额定容量为200kVA。一般可采用如下参数的干式变压器：额定容量200kVA；原边电压6.3kV；副边电压240V；短路阻抗4%；接线组别Y/△-11。
2.2可控硅元件计算
①反向峰值电压
每臂元件承受的最大反向电压应小于元件反向重复峰值电压，即：
, 式中Ku为过电压裕度系数，一般取2.0；Kcg为过电压冲击系数，一般取1.5-1.6；Ke为电源电压升高系数，一般取1.0-1.1；UARM为桥臂反向工作电压最大值。算出：
②可控硅额定通态平均电流：
式中，(1.5-2)为安全系数，本计算取2；Kfb为控制角为0°时整流电路电阻负载下计算系数，三相桥式整流电路为0.368；Id为2.0倍强励工况下的额定励磁电流；Ifn为发电机额定励磁电流。算出：
根据计算可选择可控硅元件参数为800A/1800V。
2.3快速熔断器选用
计算每一个可控硅串联一只快速熔断器。
①快速熔断器的额定电压应大于励磁变压器低压侧最高峰值电压：240×1.414≈340V。可选用500V快速熔断器。
②快速熔断器的额定电流按下式计算：
式中，IR为额定励磁时流经每个可控硅元件的电流有效值，IR=Ifn×0.577；K为综合系数，为裕度、散热、风速修正、环境温度等系数的综合，常取1.3-1.5；Id为可控硅元件通态平均电流值。
IRN=Ifn×0.577×K=441×0.577×1.5≈382A
可选熔断器参数为500V/500A。
2.4灭磁开关及灭磁电阻的选择
①灭磁开关额定电压需大于转子回路额定励磁电压(118V)，灭磁开关额定电流需大于转子回路额定励磁电流(441A)的1.1倍。可得灭磁开关主要参数：额定工作电压600V；额定工作电流800A；最大分断电流2000A。
②一般水轮机灭磁电阻为转子电阻的5倍，即RM≈5×0.226=1.13Ω，且遵循在保证灭磁时转子不过压的前提下尽量缩短灭磁时间的原则。考虑到本机组转子系统电压裕度较大，参照同型号机组增容后灭磁电阻值的实例，本工程中取RM=1.7Ω。
2.5起励系统设计
采用直流起励，起励电流为12.5%空载额定励磁电流。根据电磁计算书空载额定励磁电流为221A，故：IQL=221×0.125=27.625A
限流电阻：220/27.625≈7.9638Ω。其中转子直流电阻为0.2338Ω，所以起励限流电阻为RQL=7.73Ω，经接触器接入转子回路。
起励限流电阻容量：最大电压为220×(1+20%)=264V时，起励回路电流为264÷7.9638≈33.15A，功率为PQL=33.152×7.73≈8.495kW，考虑到起励为短时(1s)，故选择起励电阻容量为1/2(4.2kW)即可。可选起励限流电阻型号RX-7.5Ω/5kW。
2.6强励强减计算
2.6.1强励时最大励磁电压计算
强励倍数：KF=250.4÷118=2.12。
2.6.2强减时最小励磁电压计算
Ufd-min=1.35×UL×cos150°=1.35×240×(-0.866)≈-280V
强减时，通过逆变灭磁，快速将磁场能量释放。
2.7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要求。电缆的电流密度为2.5A/mm2。
转子侧电缆导线截面积：SZ=(Ile×1.1)/2.5=(441×1.1)/2.5≈194mm2
工程中可选用一根YJV-240电缆。
励磁变压器低压侧电缆截面积：SJ=(Ile×1.1×0.816)/2.5=(441×1.1×0.816)/2.5≈158mm2
工程中可选用一根YJV-185电缆。电缆额定电压为0.6-1kV。
3、励磁调节器
3.1主要功能要求
选择采用微机励磁调节器，技术成熟，性能优越，通常都能很好地与上述参数匹配，满足励磁系统的要求。需要特别考察和提出配合要求的一些具体功能和指标参数如下：
3.1.1调节及控制功能
①自动运行方式即发电机恒机端电压PID调节，手动运行方式即发电机恒励磁电流PID调节；
②无功调差调节，可任意设置正、负调差方向，调差系数0-15%任意调节，级差1%；
③自励方式下的起励控制；
④完成发电机在空载、负载等工况下的机组稳定运行及无功平滑调节；
⑤发电机恒功率因数运行(选用)；
⑥发电机恒无功运行(选用)。
3.1.2限制和保护功能
①PT断线保护；
②过励限制与保护；
③欠励限制及保护；
④空载过电压保护；
⑤可控硅故障检测；
⑥整流柜停风或部分整流柜退出运行时进行励磁电流限制；
⑦所有的限制及保护定值以及每一种保护的投退均可在现场进行整定。
3.2主要技术参数要求
①调压范围：5%-130%。
②调压精度＜0.5%。
③移相范围：0-150°，上下限值可程序设置。
④调差：软件无功调差、正负大小任选级差为±1%。
⑤频率特性：频率每变化1%，发电机端电压变化不大于额定值的±0.25%。
借助新技术和新材料，结合电站大修进行机组増容技术改造，可以在一定程度上挖掘电站的潜力，提高发电效益，符合绿色节能的精神。本文结合某中型水电站机组増容技术改造的实例，介绍了水电站増容改造中发电机组励磁系统选型的计算过程，为中小型水轮发电机组的运维、技术改造提供了一些有益的参考。
作者：农少安，研究方向：发配电设计。
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