方家山1號發(fā)電機(jī)起勵失敗原因分析及改進(jìn)措施

余前軍

(中核核電運行管理有限公司，浙江 314300)

0 引言

秦山核電廠擴(kuò)建項目(方家山核電工程，以下簡稱方家山)規(guī)劃建設(shè)2×1 000 MW級核電機(jī)組，機(jī)組分別以發(fā)電機(jī)-主變壓器單元接線升壓至500 kV系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)出口設(shè)斷路器。該項目兩臺汽輪發(fā)電機(jī)均為東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的TA1100-78型半速汽輪發(fā)電機(jī)，勵磁機(jī)為TKJ167-45型無刷旋轉(zhuǎn)勵磁機(jī)，勵磁變壓器為3×18 kVA的三臺單相變壓器。發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 方家山1號發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

方家山兩臺汽輪發(fā)電機(jī)組的勵磁方式均為自勵旋轉(zhuǎn)無刷勵磁，其系統(tǒng)簡圖如圖1所示，勵磁調(diào)節(jié)器(AVR)采用阿爾斯通公司(ALSTOM)P320系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的主要特點如下：

(1) 無刷勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和碳刷，解決了環(huán)火問題，根除了碳刷碳粉的污染，省掉了更換碳刷的工作，減少了維護(hù)工作量，降低了噪聲。

(2) 沒有了因碳粉和銅沫引起的電機(jī)線圈污染，延長了電機(jī)繞組絕緣的壽命。

(3) 無刷勵磁的控制功率大大減小，有效簡化了控制、保護(hù)線路，減少了廠房場地的占用。

(4) 勵磁系統(tǒng)采用機(jī)端變壓器來代替永磁機(jī)，需外加勵磁電源起勵。

(5) 只能在主勵磁機(jī)磁場回路中設(shè)置滅磁開關(guān)，發(fā)電機(jī)的勵磁繞組只能靠自然衰減滅磁，因而發(fā)電機(jī)滅磁時間較長。

圖1 自勵旋轉(zhuǎn)無刷勵磁系統(tǒng)簡圖

(6) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、電流不能直接測量。

(7) 強(qiáng)勵電壓倍數(shù)僅為1.8倍。

(8) 旋轉(zhuǎn)整流元件和熔斷器要承受較大離心力，對元器件的要求較高。

1 1號發(fā)電機(jī)起勵失敗

方家山1號發(fā)電機(jī)在起勵過程中發(fā)生了起勵失敗現(xiàn)象。2014年11月30日上午9點36分，1號發(fā)電機(jī)已沖轉(zhuǎn)至1 500 r/min，準(zhǔn)備合滅磁開關(guān)，9∶36∶41.41s合上滅磁開關(guān)后發(fā)電機(jī)開始起勵建壓，9∶36∶52.63s勵磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)滅磁跳閘，汽機(jī)關(guān)主汽門。故障時KDO事故波形如圖2所示，9∶36∶41.41s滅磁開關(guān)合閘后發(fā)電機(jī)開始起勵，至9∶36∶48.162s的過程中勵磁電流由起勵回路提供(大約2.87 A)，之后晶閘管控制角開始迅速減小，勵磁電流迅速增大至120.5 A左右，此時發(fā)電機(jī)電壓已大于35%額定定子電壓(8.4 kV)，起勵開關(guān)跳開，起勵過程結(jié)束，此時晶閘管控制角迅速增大，勵磁電流迅速減小，9∶36∶51.801s左右最低減小至0 A，觸發(fā)了勵磁電流低于2%的跳閘邏輯，于9∶36∶52.63s跳開滅磁開關(guān)，同時發(fā)勵磁系統(tǒng)故障至發(fā)變組保護(hù)跳汽機(jī)。

圖2 11月30日1號發(fā)電機(jī)起勵失敗波形

2 起勵回路分析

勵磁系統(tǒng)的起勵回路如圖3所示。

由圖3可以看出，在起勵回路中串有2個限流電阻，阻值都為20 Ω，串聯(lián)電阻總阻值為40 Ω。起勵磁時的等效電路如圖4所示。

圖3 起勵回路

圖4 起勵時的等效電路

根據(jù)R-L串聯(lián)電路的過程，勵磁電流可用如下方程表示：

圖5 不同R值時勵磁電流曲線

根據(jù)廠家說明，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓大于額定電壓的5%即1.2 kV時，整流橋開始工作，從圖6可以看出，滅磁開關(guān)合閘開始，到發(fā)電機(jī)電壓到達(dá)1.2 kV左右的時間大約為7 s。在此之前，勵磁電流一直維持在2.83 A左右，發(fā)電機(jī)電壓上升非常緩慢，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓到達(dá)1.2 kV左右時，整流橋開始工作。為了迅速提升發(fā)電機(jī)電壓，導(dǎo)通角開得很大，勵磁電壓和勵磁電流迅速提升，發(fā)電機(jī)電壓也迅速上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓>8.4 kV后，起勵開關(guān)跳開，起勵結(jié)束。此時晶閘管導(dǎo)通角迅速減小，勵磁電流也迅速減小低于2%的跳閘邏輯值，滅磁開關(guān)跳開，起勵失敗。由此可以判斷，起勵開關(guān)跳開后整流橋提供的勵磁電流減小至最低值，與此刻整流橋的導(dǎo)通情況有較大關(guān)系，其數(shù)值具有隨機(jī)性。若該時刻調(diào)節(jié)器所給的控制角有一點波動，都有可能導(dǎo)致勵磁電流低于2.26 A或0 A(晶閘管關(guān)斷)，從而導(dǎo)致起勵失敗。

圖6 起勵回路修改前1號發(fā)電機(jī)建壓波形

根據(jù)以上分析，得出以下結(jié)論：1號發(fā)電機(jī)起勵失敗，原因是起勵回路提供的初始勵磁電流較小，到起勵后期整流橋突然開放，勵磁電流上升過快，當(dāng)起勵退出時，勵磁電流迅速減小，在某些時候會減小到2%以下，觸發(fā)跳滅磁開關(guān)的邏輯，導(dǎo)致起勵失敗。

3 改進(jìn)措施及效果驗證

根據(jù)第3節(jié)的分析結(jié)論，改變R值，即改變起勵回路中串聯(lián)電阻的阻值，可以改變起勵時勵磁電流的大小。與廠家調(diào)試人員討論后決定將起勵回路中的電阻由串聯(lián)改為并聯(lián)如圖7所示。該改進(jìn)首先在2號機(jī)組上進(jìn)行了實施，待驗證后再在1號機(jī)組上實施。2015年1月12日，方家山2號機(jī)組啟動，對改進(jìn)后的起勵波形進(jìn)行了錄波，其波形如圖8所示。

圖7 改進(jìn)后的起勵回路

圖8 起勵回路修改后2號發(fā)電機(jī)正常建壓波形

通過比較圖8和圖6的波形可以看出，起勵回路電阻由串聯(lián)改為并聯(lián)后，發(fā)電機(jī)起勵過程中的電壓、勵磁電壓、勵磁電流的波形均得到了很大的改善，沒有出現(xiàn)起勵過程中機(jī)端電壓、勵磁電壓、勵磁電流大起大落的情況，也沒有出現(xiàn)勵磁電流在起勵過程中低于2%的情況，因此沒有出現(xiàn)起勵失敗的現(xiàn)象。2015年春節(jié)期間，利用機(jī)組停機(jī)檢修機(jī)會，對1號發(fā)電機(jī)的起勵回路參照2號機(jī)的修改方案進(jìn)行了相同的修改。修改完成后，1號機(jī)組再次啟動時對發(fā)電機(jī)的起勵過程進(jìn)行了錄波，結(jié)果1號機(jī)的建壓過程得到了很好的改善，起勵波形與2號機(jī)一致。

4 結(jié)語

ALSTOM P320 V2勵磁系統(tǒng)起勵回路和起勵邏輯設(shè)計不合理，起勵回路電阻過大，加之起勵期間如果勵磁電流低于2%額定勵磁電流將直接跳滅磁開關(guān)，所以會偶發(fā)因起勵時間過長導(dǎo)致起勵失敗。此問題在福清、寧德、嶺澳、方家山均出現(xiàn)過，屬于廠家設(shè)備共性缺陷。方家山1號機(jī)組出現(xiàn)此問題后，通過分析和與廠家的溝通，在2號機(jī)組上做了相應(yīng)的改進(jìn)并通過起機(jī)試驗進(jìn)行了驗證，證明改進(jìn)是成功的。該改進(jìn)可以應(yīng)用在方家山1號機(jī)組及國內(nèi)使用相同的勵磁系統(tǒng)的核電機(jī)組。