大型電機(jī)試驗(yàn)站核能發(fā)電技術(shù)改造工程

熊 勁 楊 柳

（東方電機(jī)有限公司裝備部 四川德陽）

一、概述

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，低碳排放的綠色能源進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，核能發(fā)電將成為電力系統(tǒng)的主力。投身于核能發(fā)電設(shè)備制造先進(jìn)行列，是東方電機(jī)的重要發(fā)展戰(zhàn)略。目前公司正在制造的核能發(fā)電機(jī)的主力機(jī)型容量為1000 MW、1750 MW等級(jí)。發(fā)電機(jī)的型式試驗(yàn)是電機(jī)研發(fā)制造過程中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，公司原有的大電機(jī)試驗(yàn)站已運(yùn)行多年，且原設(shè)計(jì)是以600 MW汽輪發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)為基本條件，已不能滿足1750 MW核能發(fā)電機(jī)試驗(yàn)要求，因此，公司決定對(duì)大電機(jī)試驗(yàn)站進(jìn)行技術(shù)改造。

大電機(jī)試驗(yàn)站改造的基本原則是充分考慮試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，基本要求是該試驗(yàn)站進(jìn)行核能發(fā)電技術(shù)數(shù)字化改造后，可承擔(dān)1750 MW核能發(fā)電機(jī)及其他大型電機(jī)的型式試驗(yàn)任務(wù)，提高試驗(yàn)站的自動(dòng)化程度及試驗(yàn)參數(shù)測試精度，并成為同行業(yè)中具有領(lǐng)先水平的大電機(jī)試驗(yàn)站。

二、試驗(yàn)站改造的基本目標(biāo)

試驗(yàn)站改造以《大型試驗(yàn)站核電技術(shù)改造技術(shù)要求》為基本要求，主要涉及電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等幾個(gè)方面，改造后的試驗(yàn)站可達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平，達(dá)到以下四項(xiàng)基本目標(biāo)。

（1）滿足1750 MW核能發(fā)電機(jī)、1400 MW（50 Hz）超超臨界發(fā)電機(jī)、1000 MW（60 Hz）發(fā)電機(jī)廠內(nèi)型式試驗(yàn)。

（2）提升變頻電源容量，滿足汽發(fā)試驗(yàn)區(qū)獨(dú)立進(jìn)行型式試驗(yàn)要求。

（3）采用計(jì)算機(jī)操控系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)站所有設(shè)備進(jìn)行操控、監(jiān)測，提供靈活方便的智能控制，為測試系統(tǒng)創(chuàng)造最佳的運(yùn)行環(huán)境，確保試驗(yàn)站安全可靠運(yùn)行。

（4）采用計(jì)算機(jī)及智能數(shù)字儀表對(duì)被試產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測試，其中穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)通過高精度數(shù)字功率分析儀進(jìn)行采集處理，瞬態(tài)數(shù)據(jù)用高速數(shù)字錄波器并行同步采集處理。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過高速工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，并由計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)自動(dòng)分析、計(jì)算、曲線擬合，生成試驗(yàn)報(bào)告并打印輸出。

三、部分核心系統(tǒng)的基本參數(shù)和性能

1.大功率直流傳動(dòng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用SIEMENS公司全數(shù)字直流調(diào)速裝置為控制核心，其性能優(yōu)異，質(zhì)量可靠，通信接口（串口、Profibus-DP、Simolink等）豐富，在國內(nèi)各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

直流調(diào)速裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其他的任何附加設(shè)備即可完成參數(shù)的整定。所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及附加功能都由微處理器來實(shí)現(xiàn)；給定值和反饋值可選擇為數(shù)字量或模擬量，外部信號(hào)的連接（開關(guān)量、模擬量的輸入/輸出，脈沖編碼器等）通過插接端子排實(shí)現(xiàn)。直流調(diào)速裝置控制精度高、抗干擾性好、運(yùn)行可靠、不受元器件老化和溫度漂移的影響，能長期保持穩(wěn)定的控制精度。它有很強(qiáng)的自診斷處理功能，工作時(shí)可同步觀察、測定征兆性的參數(shù)，判定產(chǎn)生故障的部位和原因，預(yù)測預(yù)報(bào)硬件和軟件劣化趨勢，同期顯示故障代碼和故障值，邏輯清晰，分類清楚，便于及時(shí)處理故障，使用、調(diào)試、維護(hù)方便。

直流調(diào)速裝置在控制中由DSP計(jì)算送出的寬脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離后，傳送至脈沖放大板，輸出形成高頻脈沖系列，該脈沖系列經(jīng)過脈沖變壓器隔離后，送到晶閘管控制極：K極、G極。脈沖變壓器鐵心采用高磁密材料，輸出脈沖無延時(shí)和無振蕩現(xiàn)象。輸出脈沖波形穩(wěn)定，當(dāng)晶閘管換相時(shí)，提供一定數(shù)值的反向電壓，使晶閘管能可靠關(guān)斷，抗干擾能力強(qiáng)。直流調(diào)速裝置的功率單元采用ABB公司的晶閘管，采用三相全控橋四象限整流方式。以ABB公司的5STP38N4000型為例，其額定電流為3960 A，電壓為4000 V，管芯直徑為100 mm的晶閘管，可以組成單柜額定電壓1200 V，電流3500 A，短時(shí)過載允許電流達(dá)7000 A的大功率晶閘管直流調(diào)速裝置。

本次改造，大功率直流傳動(dòng)系統(tǒng)共有四套大功率晶閘管直流調(diào)速裝置。每兩套直流調(diào)速裝置構(gòu)成12脈波并聯(lián)方式，向三電機(jī)組的直流電機(jī)供電。兩個(gè)直流電機(jī)采用主從工作模式，一套為主機(jī)，另一套為從機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)以24脈波四象限工作，減小了諧波的成分。

2.功率柜結(jié)構(gòu)

功率柜設(shè)計(jì)與布置結(jié)構(gòu)合理，可使晶閘管達(dá)到最大有效通風(fēng)與散熱，保證晶閘管的最大出力的同時(shí)，也保證了晶閘管的安全穩(wěn)定運(yùn)行。功率柜把晶閘管的熱管散熱器組件、連接銅排、快熔、RC阻容吸收回路、功率柜的電子電路板、風(fēng)道等有機(jī)地組合在一起，構(gòu)成直流傳動(dòng)的基本裝置。

3.高壓開關(guān)柜

（1）基本參數(shù)。額定運(yùn)行電壓10 kV；額定電流1600 A；額定頻率50 Hz、60 Hz；額定短路開斷電流31.5 kA；額定峰值耐受電流≥25 kA；熱穩(wěn)定電流20 kA；1 min工頻耐壓對(duì)地、相間42 kV；隔離斷口：48 kV；雷電沖擊耐壓對(duì)地、相間75 kV；隔離斷口85 kV；額定短時(shí)持續(xù)時(shí)間4 s；外殼防護(hù)等級(jí)IP2X。

（2）柜體。柜體采用封閉開關(guān)柜型式。柜體骨架由角鋼焊接而成。柜體的安裝和維護(hù)可在前面和背面進(jìn)行。整個(gè)柜體由接地的金屬隔板分隔成4個(gè)功能小室，即母線室、低壓室、斷路器室和電纜室，各功能小室有獨(dú)立的壓力釋放通道和釋放門。每個(gè)功能小室裝有門，門上有鎖和鉸鏈，柜門的開啟角度≥90°，且?guī)в械鹊匚贿B接線（接地線）。

柜面必須用≥2 mm的雙面敷鋁鋅板，能承受設(shè)備工作時(shí)的沖擊或運(yùn)輸和安裝時(shí)的沖撞。柜面采用靜電噴塑固化處理，無油污、耐酸、防銹、美觀。

4.低壓開關(guān)柜

（1）基本參數(shù)。額定電壓0.4 kV、0.6 kV；額定絕緣電壓660 V、1000 V；工作頻率 50 Hz、60 Hz；主母線額定短時(shí)耐受電流50 kA/s；主母線額定峰值耐受電流105 kA；工頻絕緣每米500 V；外殼防護(hù)等級(jí)IP30。

（2）SV（懸掛式結(jié)構(gòu)）電氣技術(shù)在電機(jī)試驗(yàn)站的應(yīng)用。電機(jī)試驗(yàn)站具有母線系統(tǒng)容量大、設(shè)備分散、轉(zhuǎn)換復(fù)雜、組合形式多等特點(diǎn)，因此采用傳統(tǒng)的低壓開關(guān)柜組屏方式有如下的不足：①由于母線采用打孔連接，導(dǎo)致母線載流量減少，母線容量需降容處理；②銅排尺寸大，排列不整齊，不便于布置；③屏柜中母線全裸露，安全性能大大降低，給操作和檢修帶來極大的不利；④各個(gè)廠家開關(guān)外形和安裝尺寸不一，一旦選定便難以替代，更不便于擴(kuò)展。

鑒于上述狀況，目前國外廣泛使用懸掛式結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)免打孔連接和密封安裝。該結(jié)構(gòu)有3種特殊母線：Mini-PLS，PLS，Maxi-PLS，載流量從250～3200 A不等（70℃時(shí)），這使柜體結(jié)構(gòu)緊湊而安全，組裝快速而完善，載流容量大而散熱好，組屏方式靈活多樣等特點(diǎn)，本次改造采用了特別適用于試驗(yàn)站的低壓交流開關(guān)柜和直流開關(guān)柜，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：①安全，母線系統(tǒng)采用全密閉方式，屏柜內(nèi)無裸露銅排，安全性能大大提高。②可靠，采用免打孔連接，整個(gè)母線系統(tǒng)容量得到充分保證；分支連接母線直接壓接至主母排，降低了接觸電阻，減少了連接部分的發(fā)熱量。③易擴(kuò)展，屏柜內(nèi)電氣元件采用模數(shù)化密集安裝方式，既減少了安裝空間，又便于適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充。④易維護(hù)，由于采用了適合多廠家開關(guān)器件的元件適配器安裝形式，各種電氣元件不是直接從母線上取電，而是安裝至元件適配器上，因此維修更換十分方便。

5.全數(shù)字柔性操作臺(tái)

改造前的試驗(yàn)站限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展條件和生產(chǎn)狀況，其試驗(yàn)系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的分立式、單臺(tái)疊放、人工指揮、人工操作并記錄讀數(shù)方式，目前已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)代電機(jī)試驗(yàn)高精度、高穩(wěn)定性、高速掃描或巡回監(jiān)測大量的測點(diǎn)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理或后期處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制多臺(tái)微機(jī)可在不同地點(diǎn)監(jiān)控試驗(yàn)過程參數(shù)變化情況等要求。

伴隨著電子電器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異發(fā)展，以電器元件為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)模擬操作臺(tái)系統(tǒng)已顯得相當(dāng)落后了，取而代之的是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的全數(shù)字柔性操作臺(tái)系統(tǒng)。

全數(shù)字柔性操作臺(tái)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)施方案和傳統(tǒng)試驗(yàn)站有一個(gè)較大差異就是針對(duì)試驗(yàn)站測量控制點(diǎn)多而分散、距離遠(yuǎn)、工況復(fù)雜、信號(hào)切換頻繁、易受干擾等狀況，采用PC+PLC+智能儀器+現(xiàn)場總線構(gòu)成測控系統(tǒng)，即中央計(jì)算機(jī)集中處理操作、PLC分散獨(dú)立控制、智能儀器高速并行采樣、現(xiàn)場總線實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，將高、低壓供配電系統(tǒng)、交直流傳輸系統(tǒng)、電源拖動(dòng)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、輔助電氣系統(tǒng)以及油水系統(tǒng)等聯(lián)動(dòng)起來，并將所有傳輸過程中存在長途衰減和干擾的模擬信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送到測控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)視試驗(yàn)的進(jìn)行狀況，并實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完全共享和分析處理，形成完整的試驗(yàn)圖表和報(bào)告。

四、結(jié)語

本次大型電機(jī)試驗(yàn)站核能發(fā)電技術(shù)改造工程竣工后，公司在大型發(fā)電機(jī)、核能發(fā)電機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫鎸⑦_(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平。其試驗(yàn)?zāi)芰⒑w1750MW核能發(fā)電機(jī)，1400MW超超臨界發(fā)電機(jī)、1000MW（60Hz）發(fā)電機(jī)的廠內(nèi)型式試驗(yàn)。通過對(duì)測控系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)字化改造，將使大型電機(jī)試驗(yàn)站全面實(shí)現(xiàn)全數(shù)字柔性操作臺(tái)測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視、控制、測試全計(jì)算機(jī)化。試驗(yàn)設(shè)備以及被試產(chǎn)品的安全、產(chǎn)品的測試精度都將達(dá)到一個(gè)全新的高度。