1、發電機參數
該機組原容量6.5MW，機組經三十多年運行，效率明顯下降，水資源浪費嚴重，影響電站的發電效益。因此，電廠對機組進行了徹底的大修和技術改造，并將裝機容量由原設計的6.5MW增容至7.15MW(即增容10%)。改造后發電機和勵磁系統相關參數如下：額定容量7.15MW；額定電壓6.3kV；額定勵磁電壓118V；額定勵磁電流441A。
2、勵磁設備參數計算
設備配置原則：滿足發電機額定超負荷及1.1倍勵磁電流下長時間運行的要求。設備選型需有足夠的裕度。
2.1勵磁變壓器計算
2.1.1變壓器二次電壓的選擇選擇
原則應考慮在一次電壓為80%額定電壓時仍能滿足2.0倍強勵要求，即：
式中，U2為變壓器二次側線電壓；Ufc為2.0倍強勵時的額定勵磁電壓；1.35為三相全控整流系數；αmin為強勵時的晶閘管觸發角。考慮到換弧壓降，因此實際選擇變壓器二次側電壓為240V。
2.1.2變壓器額定容量的選擇
變壓器容量應滿足額定勵磁電流下長期運行的要求，即：
式中，S為變壓器容量；Ie為變壓器二次側線電流；Ifn為發電機額定勵磁電流值。
考慮足夠的運行裕度，實際選擇變壓器額定容量為200kVA。一般可采用如下參數的干式變壓器：額定容量200kVA；原邊電壓6.3kV；副邊電壓240V；短路阻抗4%；接線組別Y/△-11。
2.2可控硅元件計算
①反向峰值電壓
每臂元件承受的最大反向電壓應小于元件反向重復峰值電壓，即：
, 式中Ku為過電壓裕度系數，一般取2.0；Kcg為過電壓沖擊系數，一般取1.5-1.6；Ke為電源電壓升高系數，一般取1.0-1.1；UARM為橋臂反向工作電壓最大值。算出：
②可控硅額定通態平均電流：
式中，(1.5-2)為安全系數，本計算取2；Kfb為控制角為0°時整流電路電阻負載下計算系數，三相橋式整流電路為0.368；Id為2.0倍強勵工況下的額定勵磁電流；Ifn為發電機額定勵磁電流。算出：
根據計算可選擇可控硅元件參數為800A/1800V。
2.3快速熔斷器選用
計算每一個可控硅串聯一只快速熔斷器。
①快速熔斷器的額定電壓應大于勵磁變壓器低壓側最高峰值電壓：240×1.414≈340V。可選用500V快速熔斷器。
②快速熔斷器的額定電流按下式計算：
式中，IR為額定勵磁時流經每個可控硅元件的電流有效值，IR=Ifn×0.577；K為綜合系數，為裕度、散熱、風速修正、環境溫度等系數的綜合，常取1.3-1.5；Id為可控硅元件通態平均電流值。
IRN=Ifn×0.577×K=441×0.577×1.5≈382A
可選熔斷器參數為500V/500A。
2.4滅磁開關及滅磁電阻的選擇
①滅磁開關額定電壓需大于轉子回路額定勵磁電壓(118V)，滅磁開關額定電流需大于轉子回路額定勵磁電流(441A)的1.1倍。可得滅磁開關主要參數：額定工作電壓600V；額定工作電流800A；最大分斷電流2000A。
②一般水輪機滅磁電阻為轉子電阻的5倍，即RM≈5×0.226=1.13Ω，且遵循在保證滅磁時轉子不過壓的前提下盡量縮短滅磁時間的原則。考慮到本機組轉子系統電壓裕度較大，參照同型號機組增容后滅磁電阻值的實例，本工程中取RM=1.7Ω。
2.5起勵系統設計
采用直流起勵，起勵電流為12.5%空載額定勵磁電流。根據電磁計算書空載額定勵磁電流為221A，故：IQL=221×0.125=27.625A
限流電阻：220/27.625≈7.9638Ω。其中轉子直流電阻為0.2338Ω，所以起勵限流電阻為RQL=7.73Ω，經接觸器接入轉子回路。
起勵限流電阻容量：最大電壓為220×(1+20%)=264V時，起勵回路電流為264÷7.9638≈33.15A，功率為PQL=33.152×7.73≈8.495kW，考慮到起勵為短時(1s)，故選擇起勵電阻容量為1/2(4.2kW)即可。可選起勵限流電阻型號RX-7.5Ω/5kW。
2.6強勵強減計算
2.6.1強勵時最大勵磁電壓計算
強勵倍數：KF=250.4÷118=2.12。
2.6.2強減時最小勵磁電壓計算
Ufd-min=1.35×UL×cos150°=1.35×240×(-0.866)≈-280V
強減時，通過逆變滅磁，快速將磁場能量釋放。
2.7電纜選用計算
電纜選用應滿足1.1倍勵磁電流下長期運行的要求，同時要滿足現場安裝方便和經濟性要求。電纜的電流密度為2.5A/mm2。
轉子側電纜導線截面積：SZ=(Ile×1.1)/2.5=(441×1.1)/2.5≈194mm2
工程中可選用一根YJV-240電纜。
勵磁變壓器低壓側電纜截面積：SJ=(Ile×1.1×0.816)/2.5=(441×1.1×0.816)/2.5≈158mm2
工程中可選用一根YJV-185電纜。電纜額定電壓為0.6-1kV。
3、勵磁調節器
3.1主要功能要求
選擇采用微機勵磁調節器，技術成熟，性能優越，通常都能很好地與上述參數匹配，滿足勵磁系統的要求。需要特別考察和提出配合要求的一些具體功能和指標參數如下：
3.1.1調節及控制功能
①自動運行方式即發電機恒機端電壓PID調節，手動運行方式即發電機恒勵磁電流PID調節；
②無功調差調節，可任意設置正、負調差方向，調差系數0-15%任意調節，級差1%；
③自勵方式下的起勵控制；
④完成發電機在空載、負載等工況下的機組穩定運行及無功平滑調節；
⑤發電機恒功率因數運行(選用)；
⑥發電機恒無功運行(選用)。
3.1.2限制和保護功能
①PT斷線保護；
②過勵限制與保護；
③欠勵限制及保護；
④空載過電壓保護；
⑤可控硅故障檢測；
⑥整流柜停風或部分整流柜退出運行時進行勵磁電流限制；
⑦所有的限制及保護定值以及每一種保護的投退均可在現場進行整定。
3.2主要技術參數要求
①調壓范圍：5%-130%。
②調壓精度＜0.5%。
③移相范圍：0-150°，上下限值可程序設置。
④調差：軟件無功調差、正負大小任選級差為±1%。
⑤頻率特性：頻率每變化1%，發電機端電壓變化不大于額定值的±0.25%。
借助新技術和新材料，結合電站大修進行機組増容技術改造，可以在一定程度上挖掘電站的潛力，提高發電效益，符合綠色節能的精神。本文結合某中型水電站機組増容技術改造的實例，介紹了水電站増容改造中發電機組勵磁系統選型的計算過程，為中小型水輪發電機組的運維、技術改造提供了一些有益的參考。
作者：農少安，研究方向：發配電設計。
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