1 000 MW核電機(jī)組發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改進(jìn)

余前軍

(中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江海鹽 314300)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其安全性和可靠性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能對(duì)于提高電網(wǎng)的輸送能力和穩(wěn)定性等具有重要意義，尤其是大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)性能及安全性、可靠性是電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化、擾動(dòng)或系統(tǒng)條件改變引起電壓變化時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)可以迅速改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以維持電壓在一定的精度范圍內(nèi)。實(shí)踐表明，改進(jìn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是提高電網(wǎng)穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)、有效、直接的手段。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2016年12月31日，我國已投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組共有35臺(tái)，運(yùn)行裝機(jī)容量33 632.16 MW,占全國電力裝機(jī)約2.04%[1]，其中Alstom勵(lì)磁系統(tǒng)占比為52%。隨著核電機(jī)組在電網(wǎng)中占比的增加，電網(wǎng)對(duì)核電機(jī)組的要求也越來越高，所以無論從核電站安全運(yùn)行角度考慮，還是從核電站對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定支撐方面考慮，提高核電機(jī)組Alstom勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性都是非常重要的。

1　機(jī)組概況

某核電廠設(shè)計(jì)建設(shè)2臺(tái)1 000 MW 級(jí)核電機(jī)組，該項(xiàng)目2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)為TA-1100-78型半速汽輪發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)為TKJ167-45型無刷旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁變壓器為3臺(tái)18 kV·A的單相變壓器。發(fā)電機(jī)冷卻方式為水-氫-氫，勵(lì)磁方式為自勵(lì)旋轉(zhuǎn)無刷勵(lì)磁，其他主要參數(shù)見表1。

表1　發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)實(shí)測發(fā)電機(jī)空載額定工況下勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓Ufex0=39.9 V，勵(lì)磁電流Ifex0=39.9 A，發(fā)電機(jī)額定負(fù)載工況下勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓UfexN=87.7 V，勵(lì)磁電流IfexN=84.7 A。

勵(lì)磁變壓器參數(shù)見表2。

表2　勵(lì)磁變壓器主要參數(shù)

2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)簡圖見圖1，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)采用Alstom公司P320系統(tǒng)。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，雖然在機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中采用了無刷結(jié)構(gòu)的主勵(lì)磁機(jī)，但是電氣方面，由于主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁功率取自接在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器，從勵(lì)磁系統(tǒng)電氣定義，此勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)屬于自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)[2]。

圖1　勵(lì)磁系統(tǒng)簡圖

2　問題及改進(jìn)

2.1 發(fā)電機(jī)起勵(lì)失敗

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)回路見圖1。采用直流起勵(lì)，由110 V直流電源經(jīng)起勵(lì)接觸器202JA、止逆二極管202DY和2個(gè)阻值均為20 Ω的起勵(lì)電阻205RS1、205RS2供電。

1號(hào)機(jī)組在2014年11月30日發(fā)生起勵(lì)失敗故障，其波形見圖2。由圖2可以看出：發(fā)電機(jī)起勵(lì)初始階段，起勵(lì)電源由110 V直流電源供給，發(fā)電機(jī)建壓緩慢；當(dāng)起勵(lì)到一定時(shí)間，為了迅速提高發(fā)電機(jī)電壓，可控硅控制角迅速增大，勵(lì)磁電流也迅速增大；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓上升到一定值時(shí)，為了避免電壓超調(diào)，勵(lì)磁電流又迅速減小，觸發(fā)了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中設(shè)置勵(lì)磁電流低于2%跳滅磁開關(guān)的邏輯，滅磁開關(guān)跳閘，導(dǎo)致起勵(lì)失敗。

圖2　1號(hào)發(fā)電機(jī)起勵(lì)失敗波形圖

起勵(lì)電阻總阻值為40 Ω，如果忽略勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組電阻，起勵(lì)回路能提供的最大勵(lì)磁電流僅為2.75 A。在初始勵(lì)磁電流較小的情況下，到起勵(lì)后期，主整流橋突然開放，勵(lì)磁電流在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的作用下出現(xiàn)快速上升，繼而迅速減小的調(diào)整過程。如果勵(lì)磁電流又減小到2%以下，則觸發(fā)跳滅磁開關(guān)的邏輯，可導(dǎo)致起勵(lì)失?。换蛘邉?lì)磁電流繼續(xù)減小到可控硅維持電流以下，可控硅橋關(guān)斷。由于可控硅整流橋觸發(fā)脈沖過窄，無法在后續(xù)過程中建立起足以維持開通的擎住電流，造成起勵(lì)失敗。

在現(xiàn)場條件下，無法對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作出設(shè)計(jì)修改，只能立足實(shí)際情況加以改善。經(jīng)過分析，如果能夠提供較大的初始勵(lì)磁電流，建立起較高的機(jī)端電壓，減少主整流橋?qū)ㄋ查g機(jī)端電壓初始給定值和實(shí)際值的差別，則調(diào)節(jié)過程就會(huì)從一個(gè)大信號(hào)響應(yīng)變成小信號(hào)響應(yīng)，調(diào)節(jié)過程會(huì)趨于緩慢，減少超調(diào)，不產(chǎn)生嚴(yán)重的勵(lì)磁電流回調(diào)，從而避免觸發(fā)導(dǎo)致起勵(lì)失敗的硬件關(guān)閉條件。 將圖1中起勵(lì)回路中的兩個(gè)電阻由串聯(lián)改為并聯(lián)，可將起勵(lì)時(shí)的勵(lì)磁電流增加到原來的4倍左右，而該電阻的額定功率較大，又是短時(shí)工作，這種改進(jìn)是可行的。改進(jìn)方案首先在與1號(hào)機(jī)組完全等同的2號(hào)機(jī)組上實(shí)施。2015年1月12日，2號(hào)機(jī)組啟動(dòng)，起勵(lì)波形見圖3。

圖3　2號(hào)發(fā)電機(jī)正常建壓波形圖

將圖3與圖2相比較，可以看出：起勵(lì)回路電阻由串聯(lián)改為并聯(lián)后，發(fā)電機(jī)起勵(lì)過程中發(fā)電機(jī)電壓、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的波形均得到了很大改善，不再出現(xiàn)大幅度調(diào)整情況，避免了因勵(lì)磁電流在起勵(lì)過程中低于2%和過零造成的起勵(lì)失敗。后利用1號(hào)機(jī)組調(diào)停小修機(jī)會(huì)，對(duì)1號(hào)發(fā)電機(jī)的起勵(lì)回路進(jìn)行了相同的改進(jìn)。改進(jìn)后1號(hào)機(jī)組的起勵(lì)波形與2號(hào)機(jī)一致，說明1號(hào)機(jī)組起勵(lì)失敗的問題已經(jīng)得到解決。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)斷流跳滅磁開關(guān)的改進(jìn)

1、2號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)試期間，在對(duì)AVR進(jìn)行-10%階躍響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了滅磁開關(guān)跳閘現(xiàn)象。查看波形發(fā)現(xiàn)，負(fù)階躍試驗(yàn)時(shí), 勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流也存在深度調(diào)整和過零現(xiàn)象，與起勵(lì)失敗的原因類似。 在對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路設(shè)計(jì)圖進(jìn)一步檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)磁場繞組僅并聯(lián)有非線性滅磁電阻231RS和232RS，并無可控硅斷流保護(hù)回路。為防止可控硅斷流，采取在滅磁開關(guān)201JA斷口靠調(diào)節(jié)器一側(cè)并聯(lián)續(xù)流電阻的改進(jìn)措施。為不影響控制及保護(hù)，續(xù)流電阻阻值要在勵(lì)磁機(jī)磁場繞組電阻的100倍以上，功率上要滿足正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁機(jī)磁場電壓高諧波分量和施加2倍額定勵(lì)磁電壓強(qiáng)勵(lì)10 s的要求?？紤]到勵(lì)磁機(jī)額定勵(lì)磁電壓Uefn為129.9 V，磁場繞組電阻為1，最終確定續(xù)流電阻的阻值為360 Ω，額定功率為500 W。由于運(yùn)行期間電阻發(fā)熱量較大，將續(xù)流電阻安裝在散熱條件較好的滅磁電阻旁邊。增加續(xù)流電阻后再進(jìn)行-10%階躍響應(yīng)，未再出現(xiàn)滅磁開關(guān)跳閘現(xiàn)象(見圖4)。

圖4　額定電壓下-10%階躍波形圖

2.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器供電設(shè)計(jì)問題

Alstom P320 V2型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部信號(hào)監(jiān)測和跳閘回路原采用單電源卡供電，代號(hào)為215AL。一旦電源卡故障，將會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可控硅整流器交流側(cè)隔離開關(guān)231JS、241JS的位置信號(hào)的值由合閘狀態(tài)變?yōu)楦綦x狀態(tài)，導(dǎo)致勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)出逆變和滅磁開關(guān)跳閘命令，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)，不符合單一故障準(zhǔn)則。消除該設(shè)計(jì)缺陷的方法是采用雙電源卡并聯(lián)供電。圖5虛線框內(nèi)為新增加的同型號(hào)穩(wěn)壓電源模塊216AL，其輸出與原卡件輸出通過二極管橋并聯(lián)，形成冗余，避免了電源卡件單一故障引起跳機(jī)。

圖5　供電電源設(shè)計(jì)改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

2.4 轉(zhuǎn)子接地測量舉刷裝置問題

發(fā)電機(jī)采用無刷勵(lì)磁方式。為了裝設(shè)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，在轉(zhuǎn)子尾端單獨(dú)裝有一個(gè)小的滑環(huán)軸，由帶有舉刷機(jī)構(gòu)的碳刷將轉(zhuǎn)子電壓引出(見圖6)。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用疊加交流電壓原理，注入40 V工頻交流電壓，當(dāng)接地電阻低于4 kΩ時(shí)報(bào)警，低于2 kΩ時(shí)跳機(jī)。

圖6　舉刷裝置原理示意圖

當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)投入運(yùn)行后，每隔24 h自動(dòng)舉刷一次進(jìn)行測量，也可以人工手動(dòng)發(fā)出舉刷進(jìn)行不定期測量。優(yōu)點(diǎn)是不但可以減小滑環(huán)和電刷長期高速旋轉(zhuǎn)摩擦而造成的磨損，增長使用壽命，而且還可在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)異常時(shí)及時(shí)舉刷，監(jiān)測轉(zhuǎn)子是否發(fā)生接地故障。轉(zhuǎn)子引出軸分為三極，分別為正、負(fù)、地，實(shí)際使用正對(duì)地或負(fù)對(duì)地構(gòu)成測量回路。經(jīng)驗(yàn)反饋表明：由于安裝方式和安裝環(huán)境的影響，該舉刷裝置容易產(chǎn)生積灰，產(chǎn)生碳刷接觸不良、卡澀等故障，致使轉(zhuǎn)子接地測量裝置誤發(fā)報(bào)警甚至導(dǎo)致誤跳機(jī)。機(jī)組停機(jī)檢修期間，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組的舉刷裝置確實(shí)存在積灰嚴(yán)重的問題[3]。

圖7為轉(zhuǎn)子接地報(bào)警和跳閘功能原設(shè)計(jì)的信號(hào)通道。原設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)2段跳閘功能分別由AVR發(fā)汽機(jī)，以及由AVR送發(fā)變組保護(hù)出口跳閘。

圖7　轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的信號(hào)通道

解決方案：一是編寫轉(zhuǎn)子接地報(bào)警檢修預(yù)案，增加停機(jī)檢修時(shí)對(duì)舉刷裝置的檢查和清掃；二是鑒于同類型轉(zhuǎn)子接地測量裝置已出現(xiàn)多次故障，并有誤跳機(jī)事件發(fā)生，說明該保護(hù)功能的可靠性尚有不足，宜將轉(zhuǎn)子接地保護(hù)2段跳閘功能取消，僅保留2段報(bào)警功能。將接地保護(hù)裝置的2段信號(hào)從AVR上拆除，改為直接送發(fā)變組保護(hù)，同時(shí)打開該信號(hào)在發(fā)變組保護(hù)的跳閘功能壓板，就達(dá)到了在取消跳閘功能的同時(shí)保留2段報(bào)警功能的目的。

3　結(jié)語

經(jīng)過改進(jìn)，集中處理了勵(lì)磁系統(tǒng)的幾個(gè)問題，并對(duì)一些功能進(jìn)行了優(yōu)化。目前機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，從幾次機(jī)組啟動(dòng)過程來看，起勵(lì)回路的變更大大優(yōu)化了起勵(lì)特性。續(xù)流電阻的變更、供電電源改進(jìn)及轉(zhuǎn)子接地測量回路變更，減小勵(lì)磁系統(tǒng)故障概率和誤動(dòng)率，提升了勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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