核電站勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)選型及運(yùn)行優(yōu)化

劉 歡，陳啟豪，易非凡，陳富杰，錢厚軍

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠原本的勵(lì)磁系統(tǒng)配置的是日本三菱的AVR裝置及國產(chǎn)品牌的整流及滅磁裝置(水冷方式)，考慮到設(shè)備已經(jīng)達(dá)到運(yùn)行年限，設(shè)備內(nèi)電子元器件老化，備品備件的供應(yīng)成本增加，以及技術(shù)支持薄弱和不滿足相關(guān)網(wǎng)源協(xié)調(diào)新要求(如增加PSS功能等)等因素，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在某次大修期間實(shí)行勵(lì)磁系統(tǒng)的改造工作，由自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)替代原本的三機(jī)有刷勵(lì)磁系統(tǒng)。在這一過程中有變壓器選型、勵(lì)磁變壓器運(yùn)行條件優(yōu)化等問題，本文將對以上幾個(gè)問題進(jìn)行研究并提出有效解決方案。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)改造意義

1.1 勵(lì)磁方式簡介

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的核心控制系統(tǒng)，其主要作用是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓和無功功率，在發(fā)電機(jī)故障時(shí)快速滅磁，保護(hù)發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式是隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步而逐步發(fā)展的，早期同步電機(jī)一般采用同軸直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式，20世紀(jì)60年代，隨著硅整流元件的出現(xiàn)以及機(jī)組容量的增大，同軸直流勵(lì)磁機(jī)已無法滿足要求，只能采用交流電源經(jīng)硅整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。根據(jù)交流電源的來源不同，大約分為兩大類：

第一類，交流電源來自與主機(jī)同軸的交流發(fā)電機(jī)，經(jīng)整流后供給主機(jī)的勵(lì)磁繞組，此交流電源稱為交流勵(lì)磁機(jī)，這類勵(lì)磁方式通常稱為三機(jī)勵(lì)磁，三機(jī)勵(lì)磁按整流器是靜止還是隨發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，又可分為靜止硅整流(有刷)和旋轉(zhuǎn)硅整流(無刷)，該核電機(jī)組原本的勵(lì)磁系統(tǒng)即是靜止硅整流系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 三機(jī)靜止硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖示Fig.1 The schematic of three static silicon rectifier excitation system

第二類，交流電源來自接于發(fā)電機(jī)出口的勵(lì)磁變壓器，經(jīng)可控硅整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。對于勵(lì)磁變并聯(lián)在發(fā)電機(jī)出口的勵(lì)磁方式，稱為自并勵(lì)勵(lì)磁方式，也是本次改造后的勵(lì)磁方式，如圖2所示。

圖2 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖示Fig.2 The illustration of the principle of the self-shunt excitation system

1.2 兩種勵(lì)磁方式的對比

兩種勵(lì)磁方式在系統(tǒng)組成、響應(yīng)速度、強(qiáng)勵(lì)能力、勵(lì)磁電源、滅磁方式和運(yùn)行維護(hù)等方面存在著一定差異，具體差異內(nèi)容見表1。

表1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式比較Table 1 Comparison of generator excitation modes

隨著大型機(jī)組勵(lì)磁技術(shù)的不斷發(fā)展，自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)作為主流的、成熟的勵(lì)磁方式，以其優(yōu)良特點(diǎn)在核電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證。

1.3 項(xiàng)目改造意義

對于本項(xiàng)目而言，此次改造主要工作涉及發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁機(jī)本體和勵(lì)磁系統(tǒng)控制部分，主要意義如下：

1)通過更新勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備，完善勵(lì)磁系統(tǒng)硬件配置和功能，進(jìn)一步滿足機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行需要和網(wǎng)源協(xié)調(diào)新要求。

2)勵(lì)磁方式的變更，提高了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度和機(jī)組的實(shí)際強(qiáng)勵(lì)能力。

3)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)外最普遍的一種勵(lì)磁方式，經(jīng)過幾十年的使用情況來看，該模式是成熟、可靠的，通過本次改造可有利于機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)方面的技術(shù)交流和維護(hù)整改工作。

2 勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)選型

在進(jìn)行勵(lì)磁變壓器工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮高次諧波對容量選擇的影響，以及短路阻抗對直流側(cè)短路電流的影響等因素。

1)勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流計(jì)算

國家或相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電流必須大于1.1倍發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流并可長期連續(xù)運(yùn)行。

對于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的全控可控硅整流橋，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流與勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)輸出直流電流的關(guān)系滿足下式(勵(lì)磁系統(tǒng)直流輸出電流為1921 A):

(1)

式中：I2n：勵(lì)磁變壓器二次側(cè)線電流；

Id：勵(lì)磁系統(tǒng)輸出直流電流。

因此當(dāng)Id輸出為額定電流的1.1倍時(shí)，對應(yīng)的勵(lì)磁變壓器二次側(cè)線電流即為勵(lì)磁變二次側(cè)額定線電流，則有：

(2)

勵(lì)磁變二次側(cè)額定電流(I2n)應(yīng)大于1728.9 A。

2)勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算

國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降至額定電壓的80%時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)保證最大勵(lì)磁電壓不小于額定勵(lì)磁電壓的2倍。

勵(lì)磁電壓專指發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組兩端的電壓，而可控硅整流柜輸出的電壓不僅包括勵(lì)磁電壓，還需考慮可控硅換相壓降、可控硅導(dǎo)通壓降、電纜及母排壓降及滑環(huán)、碳刷壓降等。則可控硅整流橋輸出電壓計(jì)算公式為：

(3)

考慮發(fā)電機(jī)極端電壓降至80%，則有：

(4)

式中，U2n：勵(lì)磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓；αmin：勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)可控硅控制角，計(jì)算中取為10°；Ufmax：勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)電壓；Ifmax：勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)電流；K1取0.8；

∑ΔU：電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降，匯流導(dǎo)線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與炭刷間的壓降，計(jì)算中取10 V。

(5)

經(jīng)核算，勵(lì)磁變壓器二次額定線電壓應(yīng)不小于940 V，本項(xiàng)目勵(lì)磁變額定線電壓為970 V，滿足要求。

3)勵(lì)磁變壓器額定輸出電壓計(jì)算

基于上述勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓、電流的計(jì)算，勵(lì)磁變壓器的容量按下列公式計(jì)算：

(6)

式中，ST：勵(lì)磁變壓器的容量；ΔS1：勵(lì)磁變壓器的附加損耗(主要包括鐵耗和銅耗)；ΔS2：勵(lì)磁變壓器的高次諧波損耗。

根據(jù)勵(lì)磁變壓器所帶可控硅整流橋負(fù)載特性，運(yùn)行中的主要包括 5、7、11、13等奇次諧波，在考慮諧波電流分量裕度的基礎(chǔ)上，可簡化如下：

(7)

式中，k1為考慮勵(lì)磁變壓器運(yùn)行中諧波電流分量的裕度系數(shù)，推薦范圍：1.05～1.1;為勵(lì)磁變壓器工程設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算容量，在具體計(jì)算時(shí)，建議選取靠近計(jì)算容量值的上一級標(biāo)準(zhǔn)容量作為設(shè)計(jì)容量，且此值作為勵(lì)磁變壓器的銘牌容量；為勵(lì)磁變壓器的附加損耗(主要包括鐵耗、銅耗)，由勵(lì)磁變壓器供貨商根據(jù)勵(lì)磁變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)自行考慮及計(jì)算，且此值不計(jì)入勵(lì)磁變壓器的銘牌容量。

經(jīng)計(jì)算，勵(lì)磁變壓器額定容量應(yīng)在在3050～3195 kVA范圍內(nèi)，本項(xiàng)目勵(lì)磁變壓器容量為3150 kVA，滿足要求。

4)各工況勵(lì)磁觸發(fā)角計(jì)算

發(fā)電機(jī)額定空載勵(lì)磁電流為Ifo=632 A,空載勵(lì)磁電壓為Ufo=130 V，則勵(lì)磁變阻抗值為：

(8)

空載觸發(fā)角度計(jì)算：

1.35·U2n·cosα0=

(9)

α0≈83.307°

發(fā)電機(jī)額定負(fù)載電流為Ifn=1921 A，勵(lì)磁電壓為Ufn=457 V，則額定負(fù)載觸發(fā)角計(jì)算：

1.35·U2n·cosαn=

(10)

α0≈58.699°

發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電流為Ifmax=3842 A，勵(lì)磁電壓為Ufmax=914 V，則觸發(fā)角度計(jì)算為：

1.35·U2n·cosαcoil=

(11)

α0≈40.167°

如果強(qiáng)勵(lì)時(shí)機(jī)端電壓降至80%，則：

(12)

α0≈17.213°

5)發(fā)變組短路試驗(yàn)核算

根據(jù)發(fā)電機(jī)電流特性曲線，額定短路試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁電流If約1540 A，對應(yīng)勵(lì)磁電壓Uf則為366 V。

短路試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)接6.3 kV三相電源，則有勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓線電壓為：

(13)

按最小觸發(fā)角為10°計(jì)算，其輸出電壓為：

(14)

由上式可知?jiǎng)?lì)磁變壓器一次側(cè)接廠用6.3 kV電源即可滿足發(fā)變組短路試驗(yàn)要求，無需額外設(shè)置抽頭。

6)發(fā)變組空載試驗(yàn)130%試驗(yàn)核算

根據(jù)發(fā)電機(jī)空載特性曲線，130%空載試驗(yàn)勵(lì)磁電流約為1830 A,則勵(lì)磁電壓Uf=448 V>410 V，故勵(lì)磁變壓器一次側(cè)接6.3 kV廠用電源不能滿足發(fā)電機(jī)做130%空載試驗(yàn)，需要額外設(shè)置抽頭，現(xiàn)場工作中將試驗(yàn)抽頭設(shè)置在勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)15 kV位置以滿足現(xiàn)場試驗(yàn)需要。

3 勵(lì)磁變壓器運(yùn)行工況優(yōu)化

在本項(xiàng)目勵(lì)磁變壓器完成安裝后，運(yùn)行過程中出現(xiàn)溫度偏高的情況，在設(shè)備本身狀態(tài)良好的情況下考慮是因?yàn)檫\(yùn)行空間散熱能力不夠造成，改造設(shè)備位于勵(lì)磁小室和PT小室，因此對兩個(gè)房間的發(fā)熱量和散熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，制定方案優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行條件。

3.1 新增設(shè)備及發(fā)熱量統(tǒng)計(jì)

1)勵(lì)磁小室

勵(lì)磁小室現(xiàn)為封閉式結(jié)構(gòu)，室內(nèi)面積約為83 m2。室內(nèi)現(xiàn)放一臺整流滅磁裝置，發(fā)熱量約為20 kW。封閉母線干燥裝置柜一臺發(fā)熱量約為300 W。小室現(xiàn)配置3臺10 HP空調(diào)，1臺10 HP柜機(jī)制冷量為25 000 W(額定工況)。

2)PT小室

PT小室一側(cè)為樓梯，是半封閉結(jié)構(gòu)，室內(nèi)面積約為92 m2。室內(nèi)現(xiàn)有PT柜一臺，發(fā)熱量約為500 W。小室未配空調(diào)，僅安裝一個(gè)排風(fēng)扇。

3)勵(lì)磁小室將原整流滅磁裝置拆除，更換成新的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，發(fā)熱量約為30 kW。

4)PT小室新增一臺3150 kVA勵(lì)磁變壓器(干式變)，發(fā)熱量約為30 kW。

勵(lì)磁小室與PT小室發(fā)熱量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 勵(lì)磁小室與PT小室發(fā)熱量統(tǒng)計(jì)Table 2 Heat output statistics of excitation chamber and PT chamber

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

勵(lì)磁設(shè)備間宜設(shè)置機(jī)械通風(fēng)裝置，當(dāng)機(jī)械通風(fēng)不能滿足設(shè)備要求時(shí)，可設(shè)置空氣調(diào)節(jié)裝置。出線小室內(nèi)有勵(lì)磁變壓器時(shí)，通風(fēng)量應(yīng)按排除室內(nèi)余熱所需的風(fēng)量來確定且保證換氣次數(shù)不少于每小時(shí)10次。

PT小室通風(fēng)宜采用自然通風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)按照夏季排風(fēng)溫度不超過40 ℃設(shè)計(jì)。廠用配電裝置室負(fù)荷計(jì)算時(shí)，可不計(jì)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)和人體的散熱量等，僅計(jì)算室內(nèi)電氣設(shè)備的額散熱量。

1)勵(lì)磁設(shè)備間暖通計(jì)算

勵(lì)磁小室目前配有3臺10 HP空調(diào)，制冷量為：3×25 000=75 000(W)

空調(diào)制冷量大于室內(nèi)設(shè)備和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷之和，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)PT小室暖通計(jì)算

PT小室采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的方式排出室內(nèi)余熱，通風(fēng)計(jì)算時(shí)不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷，只需考慮發(fā)熱設(shè)備的發(fā)熱量即可。通風(fēng)量為：

(1)

式中，p：室內(nèi)空氣平均密度，kg/m3；

c：空氣的比熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；

ρ：空氣密度；

tp：變配電室的排風(fēng)溫度，℃；

tj：變配電室的進(jìn)風(fēng)溫度，室外夏季通風(fēng)計(jì)算溫度(℃)，溫度梯度難以確定時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度可以按照比夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度高2～3 ℃選?。幌募就L(fēng)室外計(jì)算溫度嘉興地區(qū)取值為：30.7 ℃，室內(nèi)溫度按38 ℃進(jìn)行計(jì)算。

3.3 設(shè)計(jì)輸出

勵(lì)磁設(shè)備間現(xiàn)有空調(diào)滿足設(shè)計(jì)要求。

PT小室采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)方式排除室內(nèi)余熱；選取兩臺T35-NO5.6的軸流風(fēng)機(jī)，進(jìn)行機(jī)械排風(fēng)，進(jìn)風(fēng)為百葉窗自然進(jìn)風(fēng)，百葉窗面積為2000 mm×1000 mm。

3.4 簡要安全控制措施

PT小室加裝軸流風(fēng)機(jī)對房間進(jìn)行排風(fēng)散熱后，安排每周2次的人員巡檢，關(guān)注勵(lì)磁變壓器的運(yùn)行溫度，以保證設(shè)備的運(yùn)行安全和驗(yàn)證運(yùn)行工況優(yōu)化的效果。巡檢結(jié)果表明上述的優(yōu)化措施對降低勵(lì)磁變壓器的運(yùn)行溫度有效果，設(shè)備的運(yùn)行安全得到有效保障。

4 總 結(jié)

此次變更降低了勵(lì)磁系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了設(shè)備的維護(hù)。由于其自身優(yōu)越性實(shí)現(xiàn)了主發(fā)電機(jī)的擴(kuò)容，在保證發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行可靠性的前提下提高發(fā)電機(jī)額定出力，持續(xù)提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。本次改造對勵(lì)磁變壓器選型的計(jì)算以及運(yùn)行后對勵(lì)磁變壓器運(yùn)行條件的優(yōu)化等對后續(xù)后續(xù)類似工程改造項(xiàng)目具有良好的示范作用和推廣價(jià)值。