UNITROL 6800 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)在某核電廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

姚鐵兵， 李廣治

（1.山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116；2.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

1 某核電廠的勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某核電廠采用ABB 公司生產(chǎn)的UNITROL 6800 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流由機(jī)端的勵(lì)磁變壓器降壓后經(jīng)可控硅整流后供給，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置AVR（auto voltage regulator） 通過改變可控硅的導(dǎo)通角來進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持機(jī)端電壓在給定值。與無刷勵(lì)磁系統(tǒng)相比，靜態(tài)勵(lì)磁取消了勵(lì)磁機(jī)，設(shè)備和接線簡(jiǎn)單，提高了響應(yīng)速度和可靠性；縮短了機(jī)組軸系長(zhǎng)度，降低了造價(jià)。勵(lì)磁系統(tǒng)（ZVS） 與儀控系統(tǒng)（PLS） 的設(shè)計(jì)接口如下。

1.1 自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)與PLS 接口

自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)AVC（auto voltage control）配置1 臺(tái)上位機(jī)，布置在升壓站網(wǎng)控繼電器室。每臺(tái)機(jī)組配置1 臺(tái)下位機(jī)，布置于主廠房電子間，通過光纖實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。AVC 下位機(jī)以脈沖方式輸出調(diào)壓指令至機(jī)組的PLS 控制系統(tǒng)，由PLS 系統(tǒng)控制各臺(tái)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的機(jī)端電壓調(diào)整控制，使電廠500 kV 母線達(dá)到目標(biāo)控制電壓值。

PLS 輸出AVC 投入、退出指令給AVC 下位機(jī)。AVC 下位機(jī)輸出增磁、減磁、超限指示、應(yīng)答指示、PT 斷線等信號(hào)作為PLS 的輸入。

1.2 ZVS 與PLS 的接口

PLS 輸出勵(lì)磁投入/退出、增/減磁、滅磁開關(guān)分/合閘、PSS 投/退等指令作為ZVS 的輸入。ZVS輸出勵(lì)磁投入/退出、過勵(lì)限制、低勵(lì)限制、勵(lì)磁跳閘、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓等信號(hào)至PLS。

2 ZVS 與PLS 之間通信設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)反饋

ZVS 系統(tǒng)有3 個(gè)控制通道，即通道1、通道2及備用通道BU。通道1、通道2 是相同的，任何一個(gè)通道都可以被選為活動(dòng)通道，不活動(dòng)通道自動(dòng)跟蹤活動(dòng)通道。每個(gè)通道有自動(dòng)模式（電壓調(diào)節(jié)）、手動(dòng)模式（電流調(diào)節(jié)）。當(dāng)通道1、通道2 的自動(dòng)、手動(dòng)模式均出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用通道BU。備用通道功能是有限的，只提供勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)（手動(dòng)模式）、勵(lì)磁變過流監(jiān)視，只用于臨時(shí)事故工況。在ZVS 系統(tǒng)調(diào)試期間，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)PLS 與ZVS之間不能正常通信。經(jīng)過分析，其主要原因如下。

2.1 ZVS 與PLS 的通信地址數(shù)量不一致影響調(diào)試

ZVS 系統(tǒng)為雙通道調(diào)節(jié)器，其與PLS 通信需要2 個(gè)IP 地址，但PLS 只提供了1 個(gè)IP 地址，缺少1 個(gè)調(diào)節(jié)器通信配置。經(jīng)組織ZVS 廠家、PLS設(shè)計(jì)方、調(diào)試人員共同討論分析，原因是ZVS 廠家提交的勵(lì)磁系統(tǒng)儀控提資接口文件未提出雙通道通信要求。ZVS 廠家升版ZVS 系統(tǒng)接口文件，PLS設(shè)計(jì)方按照Z(yǔ)VS 接口要求，配置了2 個(gè)IP 地址，解決了該問題。

2.2 PLS 與ZVS 的主從通信問題

根據(jù)ZVS 儀控提資接口文件，ZVS 以從方式工作，PLS 為主。ZVS 包含冗余通道，主通道與PLS 通信，備用通道自動(dòng)跟蹤主通道。但是2 個(gè)通道都有獨(dú)立的IP 地址，PLS 可以通過不同的IP 地址進(jìn)入不同的通道。

在PLS 軟件開發(fā)中，PLS 設(shè)計(jì)方提出，ZVS 接口規(guī)范關(guān)于PLS 與ZVS 控制器通信的信息不足，對(duì)ZVS 與PLS 間的Modbus 通信提出技術(shù)澄清。經(jīng)過雙方多次討論，ZVS 廠家對(duì)澄清問題答復(fù)如下。

a） ZVS 通道即控制器，它控制勵(lì)磁運(yùn)行在不同工況。在勵(lì)磁正常運(yùn)行時(shí)，只有1 個(gè)通道是活動(dòng)的，另1 個(gè)處于備用。Modbus 模件是加在控制器上的1 個(gè)模件，用于串行通信，每個(gè)通道都有1 個(gè)。

b） 關(guān)于串行通信運(yùn)行模式：2 個(gè)Modbus 模件都處于從模式，PLS 處于主模式。正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)Modbus 模件收到PLS 的“ask”信號(hào)，它會(huì)應(yīng)答PLS；沒有PLS 的“ask”信號(hào)時(shí)，Modbus 模件永遠(yuǎn)不會(huì)自己發(fā)出信號(hào)。

c） 關(guān)于“dead”。當(dāng)Modbus 模件死機(jī)后，它不會(huì)應(yīng)答PLS 主的“ask”信號(hào)。這樣，當(dāng)PLS 發(fā)出“ask”信號(hào)幾次后，如果PLS 不能得到Modbus模件的響應(yīng)信號(hào)，就意味著Modbus 模件死機(jī)。如果ZVS 的1 個(gè)控制器出現(xiàn)故障，Modbus 模件一定會(huì)出現(xiàn)故障。但如果1 個(gè)Modbus 模件出現(xiàn)故障，有關(guān)的控制器仍然可以工作并繼續(xù)運(yùn)行ZVS。

d） 關(guān)于“channel is on”。通道工作意味著該通道是激活的，另外一個(gè)通道是備用模式，這是用于控制器的運(yùn)行而不是用于Modbus 模件。從勵(lì)磁角度建議，應(yīng)使用來自激活通道的Modbus 模件信息。

在此基礎(chǔ)上，PLS 設(shè)計(jì)方清楚理解了PLS 與ZVS 的主從通信原理。

結(jié)論：通過ZVS 廠家升版儀控提資接口文件、澄清PLS 與ZVS 的主從通信問題，PLS 設(shè)計(jì)方完成了軟件開發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得以順利進(jìn)行。核電工程儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)儀控提資完成的，ZVS 廠家提交的儀控提資接口文件深度須滿足儀控PLS開發(fā)設(shè)計(jì)需要。

3 PLS 側(cè)的勵(lì)磁變溫度顯示設(shè)計(jì)優(yōu)化

勵(lì)磁變?yōu)? 臺(tái)單相干式變壓器，最初PLS 側(cè)只設(shè)計(jì)了A 相溫度值顯示，不能監(jiān)視3 臺(tái)變壓器的溫度?！斗乐闺娏ιa(chǎn)事故的25 項(xiàng)重點(diǎn)要求》中第11.1.5 規(guī)定：“勵(lì)磁變壓器的繞組溫度應(yīng)具有有效的監(jiān)視手段。”對(duì)照該要求，原設(shè)計(jì)不夠完善。

經(jīng)過協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)方發(fā)布設(shè)計(jì)變更，在PLS 側(cè)設(shè)計(jì)了勵(lì)磁變A、B、C 相溫度值顯示，可以監(jiān)視各臺(tái)勵(lì)磁變的溫度，滿足了反事故措施要求。

4 ZVS 外部跳閘繼電器重新選型

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施（2018 修訂版）》第15.6.7 規(guī)定：“外部開入直接啟動(dòng)，不經(jīng)閉鎖便可直接跳閘，或雖經(jīng)有限閉鎖條件限制，但一旦跳閘影響較大的重要回路，應(yīng)在啟動(dòng)開入端采用動(dòng)作電壓在額定直流電源電壓的55%～70%范圍以內(nèi)的中間繼電器，并要求其動(dòng)作功率不低于5 W”。檢查發(fā)現(xiàn)，ZVS 外部跳閘繼電器K291/K292 動(dòng)作功率小于5 W，不滿足該要求。繼電器控制電源為DC 24 V，抗干擾能力不足。

經(jīng)過協(xié)調(diào)，ZVS 廠家完成了K291/K292 繼電器的重新選型及現(xiàn)場(chǎng)更換，繼電器控制電源改為DC 220 V，動(dòng)作功率不低于5 W，滿足了反事故措施要求。

5 勵(lì)磁小間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 規(guī)范對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的規(guī)定

根據(jù)《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》（GBT 7409.3—1997），勵(lì)磁系統(tǒng)使用條件規(guī)定如下：最高環(huán)境溫度不超過40 ℃，并且24 h 內(nèi)的平均溫度不超過35 ℃。運(yùn)行地點(diǎn)的最濕月月平均最高相對(duì)濕度為90%，同時(shí)該月月平均最低溫度不高于25 ℃。

根據(jù)《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》（DL/T 843—2010），勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般應(yīng)安裝在空調(diào)室內(nèi)。

5.2 勵(lì)磁小間通風(fēng)系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)方案

勵(lì)磁小間通過與汽機(jī)廠房相通的百葉窗進(jìn)冷風(fēng)，通過軸流風(fēng)機(jī)向室外排熱風(fēng)，屬于開式循環(huán)冷卻方式。勵(lì)磁小間設(shè)計(jì)2 臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，總通風(fēng)量為2×7 655=15 310 m3/h。空調(diào)為輔助制冷，制冷能力為設(shè)備發(fā)熱量的10%，僅起輔助冷卻作用。按照通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明，勵(lì)磁小間進(jìn)風(fēng)為汽機(jī)房?jī)?nèi)空氣，夏季環(huán)境溫度按28 ℃計(jì)算，溫度梯度約為4 ℃，即勵(lì)磁小間進(jìn)風(fēng)溫度為32 ℃。

5.3 勵(lì)磁小間通風(fēng)系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)存在的不足

a） 在額定運(yùn)行工況下，勵(lì)磁系統(tǒng)最大功耗為90.294 kW，加上勵(lì)磁盤柜的發(fā)熱量，勵(lì)磁小間在夏季的溫度會(huì)高于32 ℃。根據(jù)計(jì)算，單臺(tái)整流柜風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為1 900 m3/h，6 臺(tái)整流柜風(fēng)機(jī)總排風(fēng)量為11 400 m3/h。軸流風(fēng)機(jī)排風(fēng)量大于整流柜的排風(fēng)量，但缺少冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)1 臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，更換風(fēng)機(jī)需要數(shù)小時(shí)，這種情況下，勵(lì)磁小間內(nèi)溫度會(huì)很快上升，造成設(shè)備過熱或機(jī)組降負(fù)荷事件。

b） 勵(lì)磁小間的設(shè)計(jì)未考慮濱海核電夏季空氣濕度大的特點(diǎn)，汽機(jī)房?jī)?nèi)的潮濕空氣會(huì)進(jìn)入勵(lì)磁柜內(nèi)部，降低元器件的絕緣，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。

c） 由于勵(lì)磁柜進(jìn)風(fēng)只有簡(jiǎn)單的過濾，勵(lì)磁柜內(nèi)不可避免地會(huì)進(jìn)入粉塵。該核電機(jī)組的大修周期為18 個(gè)月，長(zhǎng)期運(yùn)行后，勵(lì)磁柜內(nèi)可能會(huì)積累非常多的粉塵，影響勵(lì)磁系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

5.4 勵(lì)磁小間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

考慮到勵(lì)磁系統(tǒng)的重要性及核電機(jī)組檢修周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位同意優(yōu)化勵(lì)磁小間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)優(yōu)化方案：在勵(lì)磁小間增加3 臺(tái)柜式工業(yè)空調(diào)，由開式循環(huán)冷卻改為閉式循環(huán)冷卻，軸流風(fēng)機(jī)僅作為空調(diào)的備用。

6 ZVS 限制功能定值與發(fā)變組保護(hù)定值的配合校驗(yàn)

6.1 配合原則及配合校驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)國(guó)家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的25 項(xiàng)重點(diǎn)要求》第11.3 條規(guī)定：“加強(qiáng)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)整試驗(yàn)管理”，要求勵(lì)磁系統(tǒng)的限制環(huán)節(jié)都應(yīng)在發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作前進(jìn)行限制。勵(lì)磁限制環(huán)節(jié)與保護(hù)定值配合的校驗(yàn)包含以下項(xiàng)目：勵(lì)磁系統(tǒng)V/Hz 限制特性與發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)的配合；勵(lì)磁系統(tǒng)定子過壓監(jiān)視和發(fā)電機(jī)過壓保護(hù)配合；勵(lì)磁系統(tǒng)定子電流限制和發(fā)電機(jī)定子過流保護(hù)配合；勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制和發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)配合；勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)限制和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷配合；勵(lì)磁變壓器保護(hù)定值與勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力的配合。

6.2 配合校驗(yàn)的主要流程及注意事項(xiàng)

定值配合校驗(yàn)的主要流程：將保護(hù)的動(dòng)作方程、勵(lì)磁限制特性盡可能轉(zhuǎn)換為動(dòng)作曲線。校驗(yàn)勵(lì)磁限制、保護(hù)定值與發(fā)電機(jī)的耐受能力配合關(guān)系，以及轉(zhuǎn)化為校驗(yàn)曲線間是否配合。只要曲線間沒有交叉，配合校驗(yàn)即合格。相比通過選點(diǎn)校驗(yàn)，這種校驗(yàn)方法最大的特點(diǎn)是清晰直觀。另外，對(duì)于保護(hù)的動(dòng)作特性、勵(lì)磁限制特性，一般是以函數(shù)方程形式給出的。在工程實(shí)踐中，可以通過Excel 軟件在函數(shù)方程上取一些點(diǎn)，通過Excel 軟件的插入圖表（X、Y散點(diǎn)圖） 功能將這些點(diǎn)生成動(dòng)作曲線，然后將需要校驗(yàn)的2 個(gè)動(dòng)作方程對(duì)應(yīng)的動(dòng)作曲線放在一個(gè)坐標(biāo)圖上即可直觀地完成校驗(yàn)。

在定值校驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)ZVS 系統(tǒng)內(nèi)部整定值項(xiàng)目很多，人機(jī)接口為英文界面，且整定值名稱采用英文縮略語(yǔ)，只有廠家調(diào)試人員熟悉每項(xiàng)定值的意義、定值之間的關(guān)系。為了高效完成定值配合校驗(yàn)，建議聯(lián)系廠家調(diào)試人員提供技術(shù)支持。定值配合校驗(yàn)舉例如下。

6.3 勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)限制和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷配合校驗(yàn)

6.3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)

勵(lì)磁變低壓側(cè)CT：準(zhǔn)確級(jí)5P20，變比10 000/1 。

a） 定時(shí)限部分：Ipickup=0.84（標(biāo)幺值），延時(shí)12 s 動(dòng)作于信號(hào)。

b） 反時(shí)限部分：選用反時(shí)限特性為IEEE Extremely Inverse，其計(jì)算公式如下

反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作于全停1，不同轉(zhuǎn)子電流下動(dòng)作時(shí)間如表1 所示。

表1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)在不同電流下的動(dòng)作時(shí)間

6.3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)限制（In.Reg_Field_Cur_Max_Lim） 定值

標(biāo)幺值以勵(lì)磁額定電流9 265 A 為基準(zhǔn)。

Delay Func Select：3（Extremely inverse），

Max Field Current：2（標(biāo)幺值）

Max Thermal Field Current：1.05（標(biāo)幺值），

No Limit Delay：0.2 s

Thermal Down Time：150 s，Time Max Field Current：20 s

Min Field Current：0.1（標(biāo)幺值），

Max Thermal Field Current：1.05（標(biāo)幺值）

反時(shí)限公式為

將Iequivalent=2、t=20 s 代入上式，可得k=0.657。在不同電流下，勵(lì)磁系統(tǒng)反時(shí)限過勵(lì)限制的動(dòng)作時(shí)間如表2 所示。

6.3.3 第一次配合校驗(yàn)

發(fā)電機(jī)廠商提供的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷耐受能力曲線見圖1，發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子電流下的可耐受時(shí)間如表3 所示。

按照6.3.1 和6.3.2 反時(shí)限特性繪制曲線，并將轉(zhuǎn)子過負(fù)荷耐受能力曲線一并繪制在一個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行動(dòng)作配合校驗(yàn)，詳情見圖2。

由圖2 可以看出，勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流限制不能與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)配合，并且兩者都未能保護(hù)到轉(zhuǎn)子繞組，需要重新整定。6.3.4 糾正措施

表2 勵(lì)磁系統(tǒng)反時(shí)限過勵(lì)限制在不同電流下的動(dòng)作時(shí)間

圖1 發(fā)電機(jī)廠商提供的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷耐受能力曲線圖

表3 發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子電流下的耐受時(shí)間

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)反時(shí)限特性重新選擇如下。

選用IEC Curve A 標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限曲線

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)反時(shí)限過勵(lì)限制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷耐受能力配合校驗(yàn)圖

按照Ip.u.=2，t=10.33 s，推算出TDM=0.95。

勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流限制反時(shí)限特性重新選擇如下。選用IEC Curve A 標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限曲線

取Iequivalent= 2（標(biāo)幺值），Tequivalent=8 s 代入反時(shí)限公式，推算出TDM=0.742，反時(shí)限特性如表4 所示。

表4 勵(lì)磁系統(tǒng)反時(shí)限過勵(lì)限制在不同電流下的動(dòng)作時(shí)間

修改后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)和勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子限制反時(shí)限特性曲線見圖3。

圖3 修改后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)反時(shí)限過勵(lì)限制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷耐受能力配合校驗(yàn)圖

結(jié)論：通過重新選擇轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)、過勵(lì)限制動(dòng)作曲線，過勵(lì)限制、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)和轉(zhuǎn)子耐受曲線之間不再有重疊交叉，配合校驗(yàn)合格。

7 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)階段，核電廠技術(shù)人員對(duì)照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、《防止電力生產(chǎn)事故的25 項(xiàng)重點(diǎn)要求》等規(guī)定，消化廠家、設(shè)計(jì)院圖紙，識(shí)別發(fā)現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問題，協(xié)調(diào)廠家、設(shè)計(jì)院完成設(shè)計(jì)變更及實(shí)施。在調(diào)試階段，協(xié)調(diào)勵(lì)磁廠家、PLS 廠家解決了不同系統(tǒng)間的接口問題。電氣設(shè)備廠家應(yīng)熟悉儀控提資形式，確保提資深度滿足儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)需要。

通過總結(jié)UNITROL 6800 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)在某核電廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)反饋，為后續(xù)同類型機(jī)組設(shè)計(jì)提供了參考，具有一定的借鑒意義。