核電站應(yīng)急電源切換超時原因分析

向紹斌

(廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538000)

0 引言

每個核電站都需要設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電源，柴油發(fā)電機(jī)屬于核安全設(shè)備，在核電站的安全運行中有著非常重要的地位，在廠外電源失去的情況下，柴油發(fā)電機(jī)為反應(yīng)堆冷卻設(shè)備提供電源，保證反應(yīng)堆安全停堆和余熱導(dǎo)出。每臺機(jī)組配置aa、bb兩列應(yīng)急柴油機(jī)發(fā)電機(jī)，分別連接于AAA、BBB應(yīng)急母線，分別為反應(yīng)堆A、B兩列冷卻設(shè)備提供電源。每列應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在核電站運行期間處于熱備用狀態(tài)，通過定期試驗驗證柴油發(fā)電機(jī)可用[1]。

某核電站正常運行期間，每兩個月執(zhí)行一次柴油發(fā)電機(jī)電源自動切換試驗，也稱06試驗，由主控室操作員按下AAA001KG選擇開關(guān)，aa柴油發(fā)電機(jī)自動啟動，待電壓、頻率建立之后發(fā)出啟動成功READY信號，自動斷開應(yīng)急母線AAA001JA，經(jīng)過1.5s延時后自動合上AAA002JA，AAA應(yīng)急母線電壓恢復(fù)，AAA母線負(fù)載按照加載邏輯循序自動恢復(fù)供電，如圖1所示。根據(jù)《某核電廠機(jī)組安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗監(jiān)督要求》，試驗過程中應(yīng)急母線AAA001JA斷開到AAA002JA合上的切換時間為1.5s±10%，AAA母線電壓恢復(fù)時間<13s[2]。

1 問題描述

2011年12月29日，aa柴油發(fā)電機(jī)按照計劃執(zhí)行06試驗，試驗過程中柴油發(fā)電機(jī)正常啟動（READY信號正常發(fā)出），AAA001JA斷開后，經(jīng)2.87s后AAA002JA合閘，開關(guān)切換時間不滿足試驗程序1.5s±10%的要求，但是AAA應(yīng)急母線電壓恢復(fù)時間<13s，滿足監(jiān)督大綱和試驗程序的要求。

圖1 應(yīng)急母線一次接線圖Fig.1 Emergency bus wiring diagram at a time

2 原因分析

2.1 AAA001/002JA開關(guān)切換邏輯分析

柴油發(fā)電機(jī)06試驗過程中AAA001/002JA開關(guān)的切換邏輯，如圖2所示。正常情況下，READY信號觸發(fā)后001JA瞬時斷開，所以圖2中READY信號觸發(fā)后的延時0.9s應(yīng)包含在001JA斷開后延時1.5s的時間中，從001JA斷開到002JA合閘時間一般為1.5s±10%。

圖2 柴油機(jī)06試驗中AAA001/002JA開關(guān)切換邏輯Fig.2 Diesel engine 6 trial AAA001/002 ja switch logic

此次aa柴油發(fā)電機(jī)06試驗過程中，柴油發(fā)電機(jī)啟動成功并正常發(fā)出READY信號后，AAA001JA斷開到AAA002JA合上的1.5s過程中，READY信號出現(xiàn)了0.593s的短暫消失，如圖3所示。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)啟動過程信號記錄圖Fig.3 Diesel generator start-up process signal pattern

READY信號的短暫消失，導(dǎo)致READY信號為1后的0.9s延時需重新計算，從而增加了AAA001JA向AAA002JA的切換時間，所有AAA001JA向AAA002JA切換時間為：1.195+0.593+0.9=2.69s，與DCS中記錄的2.87s接近(DCS存在約200ms固有延時），如圖4所示。

READY信號的觸發(fā)受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓信號的控制，當(dāng)滿足轉(zhuǎn)速超過動作值1470rpm（98%額定轉(zhuǎn)速),并且發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓大于6.27kV（95%額定電壓）后，READY信號就為1。

圖4 AAA001/002JA開關(guān)切換超時示意圖Fig.4 AAA001/002 ja Switch schematic overtime

2.2 READY信號消失0.593s原因分析

查看aa柴油發(fā)電機(jī)電壓建立波形曲線，如圖5所示。雖然發(fā)現(xiàn)機(jī)機(jī)端電壓在AAA001JA開關(guān)斷開后1.195s后波谷下降至6.2kV（小于READY動作值6.27kV），0.593s后又調(diào)節(jié)至6.27kV以上，但是整個電壓調(diào)節(jié)過程是收斂的，沒有發(fā)散，第二個電壓下降波谷已經(jīng)接近于6.6kV，曲線平滑，電壓建立時間也正常，表明aa柴油發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器AVR器工作正常，電壓建立過程正常。并且滿足《同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)GB T 7409》國標(biāo)要求，端電壓超調(diào)量不超過額定值的15%，電壓擺動次數(shù)不超過3次，調(diào)節(jié)時間不超過10s。

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)突然零起升壓時，自動電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)保證其端電壓超調(diào)量不得超過額定值的15%，電壓擺動次數(shù)不超過3次，調(diào)節(jié)時間不應(yīng)超過10s[3]。

由于AVR自身電壓調(diào)節(jié)特性所致，aa柴油發(fā)電機(jī)在啟動建立電壓階段，電壓回調(diào)下降后第一個波谷值一般在6.3kV～6.4kV之間，也偶而會略低于6.27kV，同時統(tǒng)計了該電站其他柴油發(fā)電機(jī)電壓回調(diào)后的第一個波谷值一般在6.3kV～ 6.5kV之間，表明AVR調(diào)節(jié)正常，實際上從多次柴油發(fā)電機(jī)啟動電壓建立曲線統(tǒng)計，僅僅只有2次電壓波谷值略低于6.27kV。

圖5 aa柴油機(jī)啟動和加載過程電壓波形Fig.5 aa Diesel engine start process and load voltage waveform

圖6 DCS中READY信號返回值設(shè)定Fig.6 In DCS READY Signal the return value is set

2.3 原因分析

根據(jù)以上記錄和分析，此次aa柴油發(fā)電機(jī)06試驗中AAA001/002JA開關(guān)切換超時的原因為：柴油發(fā)電機(jī)在正常的電壓建立調(diào)節(jié)過程中，電壓回調(diào)后的第一個波谷值6.2kV略低于READY信號的電壓動作值6.27kV，而柴油發(fā)電機(jī)DCS邏輯中READY信號的電壓動作值與返回值均為6.27kV（沒有設(shè)置一定的回差），導(dǎo)致READY信號短暫消失0.593s，READY信號為1之后的0.9s延時重新計時，從而導(dǎo)致AAA001/002JA開關(guān)切換超時。

3 處理方案

針對原因分析，經(jīng)過電站技術(shù)部門分析和討論后制定了以下兩個處理方案：

方案1：進(jìn)一步優(yōu)化aa柴油發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器AVR參數(shù)，使柴油發(fā)電機(jī)在建壓過程中電壓回調(diào)的波谷值不低于6.27kV，READY信號不消失。

方案2：適當(dāng)降低READY信號電壓返回值，即與動作值之間設(shè)置一定的回差，該返回值略小于柴油發(fā)電機(jī)電壓回調(diào)的波谷值，使READY信號不消失。

3.1 方案1可行性分析

針對方案1，多次與廠家人員溝通交流，廠家人員到現(xiàn)場檢查了相關(guān)波形和AVR參數(shù)后，認(rèn)為AVR運行良好，電壓建立過程正常。柴油發(fā)電機(jī)建壓受多種因素影響，其中受轉(zhuǎn)速影響較為明顯。在保證柴油機(jī)啟動時間的要求下，目前AVR的參數(shù)是在考慮多種啟動壓力方式下的優(yōu)化結(jié)果，沒有進(jìn)一步優(yōu)化的空間和必要性，而且優(yōu)化參數(shù)后，需要經(jīng)過多次柴油發(fā)電機(jī)的啟動調(diào)試試驗，可能會引入新的風(fēng)險，如柴油發(fā)電機(jī)過電壓，啟動時間不合格等，風(fēng)險不可控。

進(jìn)一步查看《同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)GB T 7409》國標(biāo)要求，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)突然零起升壓時，自動電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)保證端電壓超調(diào)量不得超過額定值的15%，電壓擺動次數(shù)不超過3次，調(diào)節(jié)時間不應(yīng)超過10s。對比LHP柴油發(fā)電機(jī)建壓曲線，完全滿足國標(biāo)要求。

綜合以上信息，方案1可能很難達(dá)到更優(yōu)的效果，因此不建議采用方案1。

3.2 方案2可行性分析

3.2.1 READY返回值的設(shè)定

如果采用方案2，需要解決一個問題：READY返回值設(shè)定為多少比較合適？

對比國內(nèi)核電站柴油發(fā)電機(jī)，電壓READY信號有通過靜態(tài)型繼電器實現(xiàn)的，也有通過DCS邏輯實現(xiàn)的，但無論是通過繼電器還是DCS實現(xiàn)的，電壓READY信號動作值與返回值之間均有一定的回差，繼電器的返回系數(shù)（返回值/動作值）為0.98~0.99（繼電器的固有特性，不能調(diào)整，只能通過更換繼電器型號實現(xiàn)），其他電站DCS中設(shè)置的電壓READY返回系數(shù)為0.97~0.98。

查找法國EDF反饋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并沒有對柴油機(jī)電壓READY信號的返回值設(shè)定給出標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，只是要求柴油發(fā)電機(jī)在加載時電壓不低于4.95kV，加載后2s后恢復(fù)到5.94kV，帶載后的穩(wěn)態(tài)電壓為6.2kV~7.0kV。

廠家人員也表示READY信號不涉及到柴油發(fā)電機(jī)安全功能，只是表示柴油發(fā)電機(jī)啟動正常，允許帶載，同時作為啟動時間的停止信號。READY信號消失問題可以通過設(shè)置一定的回差來避免，并建議將電壓READY返回值設(shè)為5.5kV。

圖7 突加負(fù)載電壓下降曲線Fig.7 Sudden load voltage decline curve

圖8 機(jī)端電壓和負(fù)載電壓仿真波形Fig.8 Voltage of the machine and the load voltage simulation waveform

進(jìn)一步收集該電站所有柴油發(fā)電機(jī)不同時期、不同工況下啟動的電壓建立波形曲線，發(fā)現(xiàn)因啟動條件不同，轉(zhuǎn)速變化特性的略有不同，不同柴油發(fā)電機(jī)AVR之間的細(xì)微差異，電壓峰、谷值略有不同，電壓回調(diào)值一般穩(wěn)定在6.3kV~6.5kV之間。

以上綜合考慮，考慮到不同柴油發(fā)電機(jī)之間的細(xì)微差異，同時考慮一定的裕度，偏保守將READY信號的電壓返回值改為6.0kV，返回系數(shù)為6.0/6.27=0.96。

3.2.2 修改READY返回值的操作性研究

由于READY通過DCS設(shè)定，經(jīng)過與廠家人員討論研究，設(shè)置READY返回值，只需要在READY邏輯中增加即可，簡單易行，而且不影響柴油發(fā)電機(jī)的其他控制邏輯，如圖6所示。

3.2.3 READY返回值設(shè)為6.0 kV的風(fēng)險分析

如果修改READY信號返回值為6.0kV，考慮最嚴(yán)重情況：柴油發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降波谷值接近6.0kV時，柴油機(jī)帶載第一批負(fù)荷為1.4MW，此時應(yīng)急母線LHA的電壓會降低到多少？是否滿足監(jiān)督大綱和試驗程序的要求？

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)出廠試驗報告中突加負(fù)載過程中的壓降試驗，按功率因數(shù)0.8計算，在額定電壓時突加負(fù)載1，4MW時，電壓下降至6.27kV，下降幅度為5%Un，如圖7所示。類推到6.0kV時加載，應(yīng)急母線電壓最低下降至6.0-6.0×5.0%=5.7kV，類推至5.5kV時加載，應(yīng)急母線最低下降5.5-5.5×5.0%=5.2kV。

根據(jù)中國電科院的仿真計算分析表明[4]，在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)電壓建立調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)電壓回調(diào)至6.0kV時突加負(fù)載1.5MW（大于柴油機(jī)按序加載的最大負(fù)載），按照恒阻抗、恒功率和感應(yīng)電機(jī)負(fù)載3種方式考慮，最嚴(yán)重情況，機(jī)端電壓最低降至5.49kV；當(dāng)電壓回調(diào)至5.5kV時突加負(fù)載1.5MW，機(jī)端電壓最低降至5.06kV，遠(yuǎn)大于監(jiān)督大綱中4.95kV的要求，如圖8所示。

綜合以上分析，修改READY返回值為6.0kV,不會影響到各種工況下的柴油發(fā)電機(jī)的應(yīng)急性能和帶載能力，而且簡單易操作。因此，采用方案2來解決LHP柴油發(fā)電機(jī)自動切換試驗中AAA001/002JA開關(guān)切換超時的問題。

4 結(jié)束語

aa柴油發(fā)電機(jī)在大修中將READY信號電壓返回值修改為6.0kV，為了統(tǒng)一，其他柴油發(fā)電機(jī)的READY信號電壓返回值也修改為6.0kV，并經(jīng)過多次的柴油發(fā)電機(jī)啟動試驗驗證，應(yīng)急母線開關(guān)AAA001/002JA的切換時間均滿足1.5s±10%。理論上分析：通過優(yōu)化AVR參數(shù)，可以略微改變柴油發(fā)電機(jī)建壓過程中的峰谷值，來滿足電壓READY信號的觸發(fā)條件，但由于目前AVR的參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的空間已經(jīng)很小，而且修改參數(shù)后，可能會引入新的風(fēng)險，如過電壓，啟動時間不合格等。因此，通過修改READY信號電壓返回值為6.0kV，既不會影響到各種工況下的柴油發(fā)電機(jī)的應(yīng)急性能和帶載能力，也有效的解決了柴油發(fā)電機(jī)自動切換試驗中001/002JA開關(guān)切換超時的問題。

[1]某核電廠6.6kV交流應(yīng)急電源系統(tǒng)手冊[Z].2013,3.

[2]某核電廠安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗監(jiān)督要求[Z].2013,3.

[3]同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)GB T 7409[Z].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),1997.

[4]何鳳軍.柴油發(fā)電機(jī)組帶載電壓仿真分析[J].中國電力科學(xué)研究院,2013,1.