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励磁大功率整流器的增容设计
励磁大功率整流器的增容设计
黄大可邵显钧
(葛洲坝电厂湖北宜昌443002)
摘要:
结合葛洲坝机组增容改造这一课题,将励磁系统中大功率整流器的增容设计,作为专门课题进行研究讨论,旨在总结整流器的使用经验,了解新技术、新产品和同行业的最新应用;针对我厂现存的问题、把握该项技术的关键要点、探讨满足机组增容要求、具有较高技术性能和经济指标的新型大功率整流器技术方案。
关键词:
大功率整流器整流器设计散热方式评价方法方案比较
1引言
现代大型水轮发电机励磁系统,大多采用大功率晶闸管整流器,为发电机提供强大的转子励磁电流,随着近年来电力电子技术的发展,大功率、超大功率晶闸管整流元件的出现,也为整流器的大型化、集中化和高容量、高可靠提供了可能,过去需要五、六套并联的,现在可用一两套完成,大大简化了设备结构,降低了运行维护量,更提高了运行可靠性。
如此高性能的晶闸管整流元件,还必须给它配一个能力相当的散热器,才能保证它工作在良好状态、效力最佳。
同时我厂的发电机正面临增容改造,励磁的参数也有所增加,所以对励磁系统大功率整流器的增容改造问题,就摆在了我们面前,如何总结前期整流器改造的经验和不足,运用新技术、新产品、新工艺和新设计理念,全面提升整流器的性能指标,满足机组增容改造的要求,就是我们要解决的问题,所涉及的技术要点,正是本文要讨论的。
2机组增容后的励磁参数和性能要求
2.1发电机增容后的基本参数如下表
参数类型
原机组参数
增容后参数
额定功率
125MW
150MW
额定电压
13.8KV
13.8KV
额定功率因数
0.875
0.875
额定定子电流
5980
7172A
空载额定励磁电压
180V
157V
空载额定励磁电流
925A
851A
负载额定励磁电压
450V
483V
负载额定励磁电流
1590A
1790A
直轴瞬变电抗
0.358
0.4357
直轴超瞬变电抗
0.248
0.3016
转子电阻(75℃)
0.248Ω
0.22917Ω
2.2励磁系统增容后的主要参数见下表
参数类型
原机组参数
增容后参数
最大连续输出电流
1749A
1969ADC
最大连续输出电压
531.3VDC
强励顶值电压倍数
1.5
2.0
强励顶值电流
2450A
3580ADC
强励持续时间不小于
20S
20S
电压调节精度优于
>0.5%
励磁变/串联变容量
2000KVA/800KVA
2300(2550)KVA
励磁变/串联变变比
13.8KV/767V(6276A/166V)
13.8KV/821V(965V)
2.3励磁系统增容的技术要点
2.3.1励磁方式的重大改变
原12.5MW发电机组励磁系统,系采用交流侧串连的自复励励磁方式,增容改造取消中性点串连变压器,改造为自并励励磁方式。
并要求发电机端正序电压为80%Ue时,保证有2.0倍ULe的强励顶值电压输出;当发电机电压额定时,强励输出有2.5倍ULe的顶值电压。
相应的要提高励磁变的容量和二次电压值,使晶闸管整流器的阳极电压由现行的780V提高到999V。
从而也引起了整流器运行工况的一些变化,例如阳极交流回路的绝缘水平;晶闸管的正反向峰值电压;阳极电抗的重新分布对晶闸管触发、换相的影响;整流器静态、动态和暂态的均流措施等等,在新的条件下都会受到影响,其中的利弊尚需详细的分析与判断,才好作出合理的应对。
2.3.2励磁功率整流器的配置及各种散热方式的比较
由于历史的原因,我厂21台机组励磁装置的大功率整流柜及散热方式,有多种配置如下表:
机组
晶闸管VDRM
晶闸管ITRM
整流桥串/并
单柜输出
散热方式
1F、2F
4200V
1650A
1串/3并
1600A/1000V
双风冷
*20F、21F
3600V
500A
1串/4并
双风冷
3-7.12.14F
4200V
1650A
1串/2并
1600A/800V
双风冷
19F
4400V
2760A
1串/3并
900A
环形热管
*其余机组
3000V
500A
2串/5并
500A/800V
单风冷
增容指标
4400V
3600A
1串/2并
1800A/1150V
自冷/风冷
*尚未改造的国产功率整流器,使用元件多、指标低、可靠性差。
各种配置的散热方式也不相同,有的虽经改造问题还不少,综合现有的散热方式和存在问题,并有针对性的提出解决对策,汇总于下表:
现用的散热方式
存在的问题
解决的对策
单柜/单风机风冷(大江五柜)
风机置顶安装,振动噪音大及维修不便,散热器集灰严重,清灰不便,小循环造成热风短路,散热效率低。
改为集中送风方式,风机独立安装,改为密闭循环不与外界交换空气,引入二次换热器,或者扩大循环交换量,提高散热效率
两柜集中送风
(大江12F14F)
进出风道风阻过大,两风口闭锁不良,风量损失严重,散热效果差,散热器集灰严重,清灰不便。
改进风道设计降低风阻,改善风门闭锁;改为密闭循环不与外界交换空气,引入二次换热器。
多柜集中抽风大循环散热(二江模式)
散热器集灰严重,风机维修不便
改为密闭循环不与外界交换,双离心风机装入风机柜,可变频调速
环形自冷热管散热(大江19F)
被动式自冷散热,温升高出力小,散热效率低效果差,装配结构不合理,设计选型不当,单柜实际指标过低,三柜并联负荷率仍高达67%,系统冗余不足,抗冲击能力低。
临时补救:
投运柜内风扇协助散热;改进后盘门,使冷风进口畅通
应重新设计,重新选型,调整结构,优化配置,消除瓶颈。
我们再具体分析一下不同散热方式整流器的性能差异,见下图。
由特性分析可见:
标准散热功率是对应散热器标准温升ΔT=40℃而言,即PS=40/Rsa;整流器的输出能力取决于其散热方式和散热能力PS,并不只取决于硅元件的大小;在限定的散热方式和散热器下,其标准热阻的大小就决定了它的出力范围,提高整流器性能指标的根本方法,就是选择低热阻的散热器和高效率的散热方式。
综合整流器散热存在的问题和前期改造出的新问题,可以考虑采取综合性的技术措施,优化系统结构,扬长避短,充分发挥和利用好新技术、新产品的性能特点,提高整流器的单柜指标和整体出力,关键是解决散热不足和效率低的瓶颈,确保整流器运行的可靠性和满足机组增容指标的要求。
2.3.3励磁大功率整流器的增容指标和现状
应用于我厂大型水轮发电机的励磁系统,负荷特性有别于其它整流器负荷,更超出一般水电厂运用方式,其特点是:
a)连续运行时间长,年运行小时达六、七千,负荷电流一般在1500A左右、小于额定值,我们以满足1.1倍额定电流,称之常态指标;
b)容量储备要足够大,以应对两倍强励的需要,持续时间大于20s,称之动态指标,即平常只用到其输出能力的三分之一;
c)还要特别考虑系统可能发生的故障异常情况下,整流器承受的短路或误强励电流输出,这不是其它技术措施可以限制的,必须靠整流器本身的高指标、高可靠相抗衡,若考虑不周的话,一遇故障时整流器只能做牺牲品了,这种情况发生的持续时间很短,只要能坚持几秒钟就是胜利,我们姑且称之为极限冲击的暂态指标。
既然我们定义了这三个指标,可以用来衡量大功率整流器的输出能力,我们把增容机组和现行改造应用的配置模型(N+1)/N,列表如下:
常态(额定)
动态(强励)
暂态(故障)
机组增容要求
>2000A
>3600A
>8000A
铝散风冷二柜/单柜
3200A/1600A
5000A/3200A
5500A(已损坏)
自冷环形热管三柜/二柜
(加风)2700A/1800A
3800A/2500A
?
风冷标准热管二柜/单柜
4000A/2000A
8000A/4000A
12000A
由系统增容的要求可见,基本容量要增加,常态2KA、动态近4KA;容量裕度也要增加最大达8KA,也就是说一旦发生故障电流,整流器元件应有一定的坚持抗衡能力,不至于在故障切除之前就烧损或熔断。
这一点不但要求整流元件的品质、指标要高,而且要求与之配套的散热系统的散热能力也要高,裕量要足够。
这就是机组增容对整流器和散热能力的重点要求,因为固定的参数指标总好达到,而整流器的损坏,往往都是发生在异常的故障冲击电流下,问题在于我们的设计指标有没有充分考虑周全。
整流器在多柜并联的配置下,按新标准的说法,还应遵照(N+1)的原则考虑冗余,即一桥故障退出时,其余整流柜仍能满足包括强励在内的所有功能。
并联支路的均流,宜保留交流电缆的均流方式,并辅以其它均流方式(如调节方式)。
3励磁大功率整流器增容设计要点
3.1励磁设备的运行环境问题
励磁大功率整流器的配置,除了前面讨论的参数指标的要求外,还应注重解决好前期运用中暴露的问题,所以下面的问题值得关注。
a)大江电厂励磁设备的安装环境,对整流器的散热和循环有所限制,热风短路交换不足,使散热效率降低,夏季靠空调辅助降温有所缓解,但仍未从根本上解决,改造时应重点考虑解决此问题,不论是风冷散热还是自冷散热,都必须提高热交换量和交换空间,避免热风短路,解决好环境适应问题。
b)没有交换就没有散热,交换量大了又增加了灰尘的聚集,二江采用的集中通风散热系统,基本上解决了交换和清灰的问题,在没有空调辅助的条件下,长期确保了励磁设备的稳定运行。
大江20F、21F进口励磁设备,采用集中鼓风,进风口加滤网的方式,也解决得很好,都可以参考借鉴。
三峡励磁采用的强迫风冷,风道引出,加空调、滤网和自循环,但循环空间有限,滤网的灰尘仍较多,再则,由于热风不与外界交换,仅靠两台空调来平衡五台整流器的发热量,增加了对空调系统的依赖,而且全年都不能停空调,从节能和整体可靠性的要求看有些欠缺。
所以我们的改造还不仅是换个柜子那么简单,应该综合考虑、因地制宜、整体配套、妥善解决这些问题。
c)其它问题包括:
均流方式和保证措施问题、阻容和过压保护的配置问题、绝缘结构问题,均风均热结构的设计问题,脉放和强触发的配置问题、EMC电磁防护的问题等等。
3.2整流器的整体设计思路:
a)锁定目标参数:
常态2000A、强励3600A、年运行小时不小于7000h
b)确定N+1配置:
N=1则单柜出力不小于2000A,N+1大于4000A
N=2则单柜出力大于1000A,N+1大于3000A
c)SCR元件选型:
根据单柜出力和正反向电压的要求,选择SCR元件的规格
d)计算单柜最大功耗:
由元件特性和单柜最大出力,计算出单柜最大功耗
e)作热平衡计算:
根据单柜最大发热功率,作热平衡计算,求得散热风量Q
f)确定散热方式:
比较不同配置的发热功率和散热风量,选择风冷或自冷的散热方式
g)选择散热器:
根据前面确定的散热方式和各项单柜参数,特别是确保整流器可靠运行的最佳结温是80℃,由此计算出所需散热器的热阻,再由产品手册选出满足整流器性能要求的散热器。
3.3(N+1)配置的选择
选择大功率整流器的散热方式,应从励磁系统的要求和不同散热方式的性能比较,以及运行环境条件的适应性要求出发,综合平衡各项指标,以满足系统的性能要求和运行可靠性为前提,在现有的几种风冷和自冷的散热方式中,采用风冷热管的散热方式,单柜即可满足2000A的出力,两柜满足(N+1)要求,效率最高,体积最小,裕度最大,结构调整最灵活,若辅助以集中密闭、二次换热等措施,可以实现高效率、高可靠、少维护的超级整流器。
当然除了主动的风冷散热方式,也可以采用自冷加辅助风的散热方式,这样单柜指标可以大大降低,单柜出力1000A,三柜满足(N+1)要求,虽然散热效率较低,体积增大,设备较多维护量稍高,但如果设计处理得好,选择功耗低热阻小的晶闸管元件,实际热阻Rsa≤0.06℃/W的自冷散热器,增设辅助风的自动控制,改善交换和循环的方式,提高散热效率,应该可以满足常规参数下不同季节、不同工况的运行要求,但要严格控制温升,否则损失的就是设备可靠性。
3.4热平衡计算
a)根据热平衡方程式计算:
散热风量(m3/h)Q=3600P/(cγ△T)
其中:
P——风道总发热功率(W)(P=NPAV)
c——空气比热容,c=1.026×103J/(kg.K)
γ——空气密度,γ=1.05kg/m3
△T——风道进出口温度差(一般按5K考虑)
b)一般强迫风冷散热的风量可以达到几km3/h以上,而自然冷却散热的交换风量,最大只有1km3/h左右,盘柜结构必须处理得很好,一般能有0.7、0.8km3/h就算不错了,这个与采用什么散热器并无关系。
c)在冷却方式和盘柜结构一定的情况下,即散热风量确定的条件下,选择某种散热器可以提高散热效率和单柜出力。
相反在散热风量和散热器都确定的条件下,若想提高出力就只有拼设备加温升,图中列出了5℃、10℃、15℃、20℃四条温差的特性,风冷要求温差△T为5K左右,自冷应该控制在10K左右,但是不能连续长期或高温环境下运行,而20K是绝对不可以的。
d)对于我厂这种每年运行六、七千小时的励磁设备,更应从严把握,选择完全自冷散热给我们的空间就很小了,也不可能实现,单柜要达到1800A/6KW、1500A/4.5KW,没有两三千的交换风量是不可能的,19F的运行状况证明每年有多半年要开风机,那就不如把风机、风道和散热方式都设计的更合理一些,使整流器散热介于自冷和风冷之间,最大可以有两、三千风量,根据季节和运行方式自动控制,基本上就可以保证整流器处于最佳的运行状态。
4大功率热管散热整流柜散热效果评价
4.1评价功率整流器散热效果的要点
关于励磁大功率整流柜的散热方式问题,我们已经做了许多工作,对前期的改造效果和国内相应的技术进展,都有了更深入和广泛的了解,为我们进一步选择增容改造的方案,提供了技术和产品的空间,关键是我们如何正确地评价和选择技改方案,其要点就是:
a)坚持标准:
例如国标/行标(GB/T7409.3-1997,DL/T583-1995)均已明确规定的,晶闸管与散热器接合处的最高温升为40℃的标准。
b)锁定目标:
例如增容机组要求励磁常态输出保证1.1倍的额定电流即2000A,动态保证2倍的强励输出即3600A(~4000A),还有暂态能抵抗不小于8000A的故障电流(该点也很重要),同时满足(N+1)的原则要求。
c)科学评价:
即由实测数据出发,反推出整条温升散热特性,即可确定标准温升下的输出能力,再作对比评价,结果就很清楚了。
d)数据图表化:
从散热能力出发,融国家标准和设计规范于一体,直接关联整流元件的I/P特性和散热方式,就可由目标值直接选取适用元件,并确定散热器热阻,据此即可选择不同的散热方式,并作出性能、效率、经济性、可靠性等方面的综合评价。
e)整体配置:
即从元件的选择到性能的搭配,要综合平衡,不能有瓶颈;还应有结构和环境的配套设计,使装置运行环境最佳,性能得到最大的发挥,可靠性也有保证。
4.2具体散热方案的实例分析
4.2.1自冷环形热管散热整流器测试分析
试验项目
整流器输出
整柜/单臂
单臂功耗
W
散热器温升
△T
单散热器热阻
℃/W
A
出厂试验(散件)
1500A/500A
800W
55℃
0.069
推算标准输出
1200A/400A
600W
40℃
0.069↓
B
出厂试验(组装)
1000A/333A
500W
43℃
0.086(+25%)
推算标准输出
900A/300A
465W
40℃
0.086
推算投风指标
1260A/420A
640W
40℃
0.062
C
现场实测温升
400A/133A
250W
36.5℃
0.146↓
现场投风后温升
400A/133A
250W
26.5℃
0.106(-27%)
投风标准输出
600A/200A
377W
40℃
0.106
注:
表内加粗的数字为试验报告和现场实测的数据,其它为计算结果。
该大功率整流柜,采用的自冷环形热管散热器,配合ABB3英寸晶闸管,表中A组试验是由厂家出厂试验数据,得出该散热器标准散热能力,即极限温升△T=40℃时,单臂散热功率为600W,对应晶闸管元件电流为400A,则单柜电流为1200A,这应该是此种散热器的标称指标了。
再看B组试验是整流器组装成柜后,单柜自冷1000A,单臂元件电流333A、功耗500W,稳定后散热器温升△T=43℃,已经超过标准了!
散热器的标准散热能力降低为465W,元件电流为300A,单柜电流仅为900A,散热能力低于A组,主要由于柜体结构不合理,热交换量不够,使散热效率降低达25%。
靠自冷的交换量不够,加投入辅助风机能改善多少?
即C组试验,根据3#功率柜现场实测,风机投用后仅降低热阻27%很有限,而国内常用的自冷热管散热器,加风后可降低热阻50~60%以上,优于风冷铝散热器,效果十分明显。
问题在于该散热器用铝型材封闭热管作散热片,造成了热相短路,使所谓的气、液分流效果大打折扣,降低了热管的传热效率,其材料和结构决定了其散热能力仅为500W左右,低于风冷铝散热器,所以这种应用的效率不高、效果不好。
由此再推算出B组投入辅助风机后的输出能力,单柜电流1260A、元件电流420A、单臂散热功率640W,可见该散热器的散热能力成为制约整流器出力的瓶颈,根据西整所出据的检验报告数据,作出性能分析图表如下:
HRS-6自冷环形热管散热器性能分析表
ΔT温升℃
10
20
30
40
47.8
60
70
87.6
Ps散热功率W
99.5
218.8
357.9
516.8
654.4
893.9
1112.2
1544.4
Rsa动态热阻℃/W
0.1005
0.0914
0.0838
0.0774
0.0730
0.0671
0.0629
0.0567
其中自冷铝散传热W
90.9
181.8
272.7
363.6
434.5
545.5
636.4
796.4
其中环形热管传热W
8.6
37.0
85.1
153.1
219.9
348.5
475.9
748.0
a)表中ΔT=47.8℃和87.6℃两组数据为西整所出据的检验报告的原始数据。
b)由上述数据作回归分析,可以推演出该散热器Ps散热功率的整条特性,并得出标准温升40℃下的标准散热功率和热阻,即Ps=516.8WRsa=0.0774℃/W
c)再深入分析该热管与铝型材复合的散热器,热能的传递是由铝材和热管共同完成的,在工作温度段,可以近似将铝材的热阻看成线性的,且有0.1005<Rl<0.12可取Rl=0.11℃/W。
d)可求得自冷铝散热器的传热功率特性(如图黄线)40℃时为363.6W,其与总散热功率Ps的差值,就是环形热管所传导的热能,40℃时仅为153.1W占总Ps的29.6%,随着温升ΔT的增加,热管的传热量才逐渐提升,要达到90℃以后才与铝散热器相当,此点已远远超过了允许温升40℃和最高结温125℃的工作范围,由此可定量证明了,该散热器中热管所起的作用不到三分之一,见下图:
4.2.2SRH型标准自冷热管散热器散热能力的分析
元件项目
整流器输出
整柜/单臂
单臂功耗
W
散热器温升
△T
单散热器热阻
℃/W
3英寸
自冷热管
投风2m/s
强励20s
1170A/390A
2040A/680A
3750A/1250A
500W
1000W
2350W
40℃
≤0.085
≤0.04(-53%)
0.017
3.5英寸
自冷热管
投风2m/s
强励20s
1440A/480A
3420A/1140A
5300A/1760A
670W
1820W
3330W
40℃
≤0.06
≤0.022(-63%)
≤0.012
4英寸
自冷热管
投风2m/s
强励20s
1800A/600A
3600A/1200A
6000A/2000A
850W
2000W
4000W
40℃
≤0.045
0.02(-56%)
0.01
注:
表内热阻的加粗数字为产品厂家提供的参数,其它为计算分析结果
由表内的数据可见,此种类型的自冷热管散热器,具有很强的无风自冷散热能力,单套分别达500W/670W/850W,更强大的是投入辅助风机后,散热能力成倍增加,可为系统提供超强的储备容量。
由于设计上将温升控制在允许的范围之内,既保证了元件寿命和可靠性,又为动态的调节和强励输出留有足够的裕量,所以三个指标是一个比一个更强,很适合于发电机励磁系统的负荷性质,即平时长期工作点较低(小于额定),可以自冷散热;当有退柜等非正常工况时,投入辅助风机散热,可提高出力2~3倍,保证了系统的需求不降低,出力不限制,完全满足(N+1)的原则;特别是当系统发生强励或误强励等故障异常状态时,该散热器的动态热阻更低,可在短时间内吸收较多的发热功率,确保整流器元件躲过故障电流的冲击不至于损坏,大大提高了励磁装置应对各种异常工况的可靠性。
综合以上两种热管散热器的散热特性,并以允许极限温升Te=40℃为标准,配合典型3英寸、4英寸、5英寸晶闸管元件的耗散功率,按元件手册给出的特性计算,我们可以得出整流器的配置特性图表如下:
4.3整体配置方案的效能比较
配置选项
单柜
二柜
三柜
方案A
自冷
标准输出电流
2KA负荷率
1.8KA额定负荷率
900A
1800A
111%
100%
2700A
74%
67%
投风
标准输出电流
2KA负荷率
1.8KA额定负荷率
1260A
160%
143%
2520A
80%
71%
3780A
53%
48%
方案B
自冷
标准输出电流
2KA负荷率
1.8KA额定负荷率
1800A
111%
100%
3600A
56%
50%
—
投风
标准输出电流
2KA负荷率
1.8KA额定负荷率
3600A
56%
50%
7200A
28%
25%
—
方案A为“环形热管”散热整流柜,三柜并联配置,引用前面的数据,可见自冷条件下,单柜只能带空载、二柜达额定、三柜还满足不了强励,必须投辅助风机,这套配置方案的输出能力很勉强,还不满足(N+1)原则要求,虽然系统不会长期运行在高端,应付平常负荷还可以,但负荷率也偏高,1.8KA额定负荷率已达到67%,装置的效能储备或裕量不足,很难保证异常冲击下也能过关,由于运行温升较高,其透支的就是寿命,为以后的长期稳定运行留下了隐患,实际运行中整个高温季节都需要加风扇。
方案B为4英寸晶闸管元件配850W的标准自冷热管散热器,热阻≤0.045℃/W相当于强迫风冷铝散热器,直接可取消风机,实现单柜1800A自冷运行,满足额定出力和短时强励输出,增加一柜并联,即有100%的冗余,额定负荷率只有50%,完全满足(N+1)原则要求,特别是此型散热器加辅助风后,性能更有成倍的提升,说明其潜在的
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