EDG勵磁裝置的設(shè)計改進(jìn)

錢厚軍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山核電廠一期工程是中國大陸自主設(shè)計、自主建造、自主運行管理的第一座原型核電站，是國內(nèi)核電事業(yè)的里程碑。電廠自1991 年投入運行以來，取得了較好的運行業(yè)績和社會效益。

秦山一期3 臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（以下簡稱EDG）全部選用國產(chǎn)設(shè)備配套組成。限于當(dāng)時技術(shù)條件，電氣系統(tǒng)（包括勵磁裝置）在設(shè)計和制造上均有較多不完善。1991年投運后，根據(jù)實際運行情況持續(xù)進(jìn)行設(shè)計上的改進(jìn)，處于持續(xù)改進(jìn)不斷完善過程中，因而狀態(tài)較差。電廠于2004年啟動了EDG 電氣及控制系統(tǒng)的改造，本文主要介紹勵磁裝置的設(shè)計改進(jìn)。

1 EDG勵磁系統(tǒng)原理概述[1]

秦山一期EDG 勵磁方式采用了相復(fù)勵＋電壓校正器的方式，附加一個轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)工作模式切換。相復(fù)勵主體為6300V 不可控自勵恒壓裝置，EDG 同步發(fā)電機(jī)主要由它供給勵磁。不可控相復(fù)勵裝置具有一定的調(diào)壓精度。電壓校正器實際上是一個可控硅分流器，用以進(jìn)一步提高調(diào)壓精度。轉(zhuǎn)換裝置是用來投入或切除校正器的設(shè)備。因此，EDG 勵磁系統(tǒng)既具備不可控相復(fù)勵裝置的高可靠性，又具備可控相復(fù)勵裝置較高的電壓調(diào)整精度和動態(tài)響應(yīng)性能。但是相復(fù)勵裝置體積較大，主要是因為發(fā)電機(jī)未配套勵磁機(jī)，靜止的功率整流器包含在相復(fù)勵裝置內(nèi)，發(fā)電機(jī)屬于有刷勵磁方式。EDG 發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)額定參數(shù)Table 1 Nominal parameters of generator

圖1是EDG 勵磁系統(tǒng)簡圖，相復(fù)勵主體部分的工作原理簡述如下：同步發(fā)電機(jī)端電壓6300V 經(jīng)并聯(lián)的勵磁變壓器（LCB）降壓到230V，通過三相線性電抗器（DK）的移相作用，使得繞組中的電流滯后于發(fā)電機(jī)端電壓90°，經(jīng)三相橋式整流后提供發(fā)電機(jī)空載勵磁電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶載后，由串聯(lián)變壓器（CLB）提供與負(fù)載有關(guān)的電流分量，經(jīng)橋式整流后提供復(fù)勵電流，進(jìn)行電流補(bǔ)償，從而抵消發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的去磁作用，保持發(fā)電機(jī)電壓恒定。

圖1 EDG相復(fù)勵有刷勵磁系統(tǒng)簡圖Fig.1 The phase compound excitation system of EDG

電壓校正器（JZQ）的工作原理簡述如下：電壓校正器是一個利用可控硅開關(guān)特性進(jìn)行工作的可控硅交流分流器，它并聯(lián)于相復(fù)勵三相整流橋的一個硅元件兩端，分流一部分勵磁電流。校正器根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓的變化，通過電壓測量，比較放大，移相觸發(fā)等回路的作用，相應(yīng)地改變分流電流的大小，從而使發(fā)電機(jī)端電壓在負(fù)載變化時及時得到調(diào)節(jié)，使端電壓維持更高的精度。當(dāng)發(fā)電機(jī)突加負(fù)載時，校正器能快速地調(diào)節(jié)分流的大小，因而它還具有改善動態(tài)電壓調(diào)整精度，提高動態(tài)響應(yīng)特性的作用。

另外在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時，利用電壓校正器對發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行調(diào)整，以滿足同期并網(wǎng)的條件。故電壓校正器的調(diào)節(jié)范圍確定為發(fā)電機(jī)額定電壓的±5%。

為了確保EDG 機(jī)組啟動成功，設(shè)計上還增加了外加啟勵電路，即在機(jī)組啟動第3s 通過蓄電池向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供外加的初始勵磁電流，確保發(fā)電機(jī)建立磁場并自勵成功，在機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)也同時達(dá)到額定電壓。外加勵磁在第10s 斷開。

2 EDG勵磁裝置存在的問題及改進(jìn)思路

2.1 存在的問題

秦山一期首次PSR（Periodic Safety Review，定期安全審查）報告中指出，EDG 電氣系統(tǒng)設(shè)備未經(jīng)嚴(yán)格意義的1E 級鑒定，無法證明其壽命末期在經(jīng)受設(shè)計基準(zhǔn)的地震時是否能夠發(fā)揮設(shè)計賦予的安全功能。

除未經(jīng)1E 級鑒定外，在設(shè)計上還存在以下問題：

1）選用了代表20 世紀(jì)70 年代水平的繼電器、晶體管等，元器件已被市場淘汰，采購合格產(chǎn)品較為困難。

2）電壓校正器由分立元件組成，調(diào)節(jié)原理較為原始落后，僅靠個別三極管組成放大電路，靠單結(jié)管構(gòu)成脈沖觸發(fā)電路，而三極管和單結(jié)管的離散性非常大，選擇備件非常困難，調(diào)試難度非常大，實際運行中電壓校正器的故障率也最高。

3）在主控室和就地各設(shè)置一只調(diào)壓電位器，通過切換開關(guān)實現(xiàn)調(diào)壓地點的切換。兩地電位器設(shè)定位置不同，電纜引線電阻和切換開關(guān)觸點接觸電阻會導(dǎo)致兩地切換時，發(fā)電機(jī)電壓的較大波動。EDG 停機(jī)前，如果忘記將調(diào)壓電位器調(diào)回初始位置，下次EDG 啟動時發(fā)電機(jī)電壓將偏離額定電壓。

4）設(shè)計上未考慮并網(wǎng)運行模式，并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)功率因數(shù)波動，難以控制在并網(wǎng)工況下的無功功率穩(wěn)定，而恰恰并網(wǎng)運行是最經(jīng)常的運行方式。

5）勵磁柜內(nèi)部器件布局不合理，發(fā)熱器件過于靠近，不利于散熱，其他局部空間又過于空曠，柜體靠墻安裝沒有檢修空間，存在維修不到的死角。

2.2 勵磁系統(tǒng)改進(jìn)思路

秦山一期于2004 年成立EDG 電氣系統(tǒng)改造項目組，項目組確定了勵磁系統(tǒng)的改進(jìn)思路，簡述如下：

1）鑒于國內(nèi)外EDG 大多采用相復(fù)勵這種高可靠性勵磁裝置，秦山一期EDG 勵磁裝置改造保持相復(fù)勵＋電壓校正器的成熟原理不變。

2）因原始設(shè)計資料不完整，且實際運行中部分設(shè)備溫升偏高，決定對相復(fù)勵主回路元器件參數(shù)進(jìn)行重新核算，優(yōu)化勵磁系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書。

3）重新設(shè)計電壓校正器，設(shè)計集成的數(shù)字電位器代替原先的模擬電位器，采用集成電路組成調(diào)節(jié)和觸發(fā)電路，增加無功功率閉環(huán)控制，實現(xiàn)并網(wǎng)運行時無功功率的穩(wěn)定，改進(jìn)調(diào)壓方式實現(xiàn)兩地切換無波動。

4）勵磁裝置采用緊湊式設(shè)計，縮小總體體積，同時為發(fā)熱器件充分留出散熱空間，整體留出檢修空間。

5）勵磁裝置選用主流產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)元器件，不選用非主流、非標(biāo)準(zhǔn)元器件。

3 EDG勵磁裝置的設(shè)計改進(jìn)與核級鑒定

3.1 對勵磁裝置主回路參數(shù)的重新核算[2]

圖2為EDG 勵磁裝置的設(shè)計簡圖。按上述思路，主回路原理不變，對主要器件勵磁變壓器LCB、線性電抗器DK、串聯(lián)變壓器CLB 的參數(shù)做重新核算如下。

圖2 EDG勵磁系統(tǒng)改進(jìn)后簡圖Fig.2 The excitation system of EDG after redesigned

3.1.1 并聯(lián)勵磁變壓器LCB 的參數(shù)計算

已知發(fā)電機(jī)空載額定勵磁電壓Uf0=41.8V，空載勵磁電流If0=114.4A，考慮電壓校正器分流±5%。另從《半導(dǎo)體變流技術(shù)》已知，三相不可控整流橋交流側(cè)電流與直流側(cè)電流的比值KI為0.816，故在發(fā)電機(jī)空載時LCB 的交流側(cè)電流：

已確定勵磁變壓器LCB 低壓側(cè)額定電壓為230V，則LCB 低壓側(cè)容量輸出：

折算到高壓側(cè)并乘以1.15 倍的富余系數(shù)，LCB 額定計算容量：

取標(biāo)準(zhǔn)系列：50kVA，考慮與負(fù)載電流的相位復(fù)合，連接組別取：Y/Yn0。

最終確定：50kVA，6300V/230V，Y/Yn0。

3.1.2 電抗器DK的參數(shù)計算

空載狀態(tài)下，勵磁變壓器LCB 的總負(fù)載阻抗為：

式（4）中，ΔU 取3V，主要考慮整流橋壓降2V，回路壓降1V。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直流電阻：

則計算電抗值：

考慮電抗器的有效調(diào)節(jié)，保留+15%的電抗可調(diào)裕度，取X = Xj×1.15 = 1.29×1.15 = 1.48 (Ω)

電感值：

3.1.3 串聯(lián)變壓器CLB的參數(shù)計算

發(fā)電機(jī)額定狀態(tài)勵磁電流Ifn=187 A，則交流側(cè)復(fù)合電流為：

三相不可控整流橋直流側(cè)電壓與交流側(cè)電壓比Ku=1.35，勵磁電壓Ufn=89V，則：

整流橋負(fù)載為純阻性負(fù)載，考慮整流電路初級回路嚴(yán)重的電感性換相電路，換相重迭角30°以上，其等效負(fù)載功率因數(shù)角可按30°/2=15°考慮。等效阻抗為：

勵磁變壓器LCB 為等效電壓源， 相電壓為230/√3=132.8(V)；以LCB 為基準(zhǔn)，額定功率因數(shù)cosφ 為滯后0.8，則φ=cos-1（0.8）=-36.8°，串聯(lián)變壓器CLB 為等效電流源I2∠-36.8°，與并聯(lián)勵磁變壓器LCB 及移相電抗器DK 電路復(fù)合后向整流負(fù)載供電，等效電路如圖3(a)所示。為了計算方便，將電壓源轉(zhuǎn)換為等效電流源，如圖3(b)所示，等效電流源電流為132.8/1.29 = 103(A)，電壓源轉(zhuǎn)換成等效電流源后移相了90°。

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit (voltage source)

等效負(fù)載的分流系數(shù)應(yīng)為：j1.29/（j1.29+0.2373 ∠15°），電流源相量和為：103 ∠-90°+ I2∠-36.8°，因而有：可求得I2= 87.4 (A)。

前面已得額定狀態(tài)下二次電壓為66V，則CLB 額定容量應(yīng)為：

串聯(lián)變壓器CLB 的額定容量可?。?0kVA?？紤]與電抗器移相電流的相位復(fù)合，連接組別取：Y/Yn0。

3.1.4 主回路參數(shù)核算結(jié)論

通過重新核算，各器件參數(shù)與原設(shè)計相差不大，主回路參數(shù)可以不變，原裝置溫度偏高問題可考慮制造工藝改進(jìn)與安裝位置的合理調(diào)整。

3.2 勵磁裝置主回路的設(shè)計改進(jìn)（重新選型）

按前述改進(jìn)思路，對勵磁裝置主回路的設(shè)計改進(jìn)主要體現(xiàn)在：在不降低額定參數(shù)情況下，以當(dāng)前最成熟可靠的進(jìn)口或合資品牌產(chǎn)品，或者國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品取代原設(shè)計的各個器件，確保器件質(zhì)量，提升主回路可靠性。

主回路主要元器件經(jīng)參數(shù)核算確認(rèn)后，勵磁變壓器LCB、串聯(lián)變壓器CLB、電抗器DK 需要按非標(biāo)定制，對其余整流二極管、可控硅、接觸器、滅磁開關(guān)、電阻等，對照圖2 簡述如下：

1）6 只整流二極管換型為額定電流更大，耐壓值更高的國產(chǎn)ZP900-2200 二極管，分流可控硅換型為KP200-1800。由于整流器件制造工藝的不斷進(jìn)步，大幅提高器件額定參數(shù)而體積卻減小很多，節(jié)省了空間，同時減少了發(fā)熱量。

2）電壓校正器投入退出的切換接觸器K1/K2，以及啟勵回路接觸器K3，采用合資品牌的3TF45 接觸器代替原先的CZ0-40 接觸器。

3）滅磁開關(guān)EFS，以合資品牌NS400 塑殼斷路器配電操機(jī)構(gòu)代替原先的CZ0-200 接觸器，滅磁電阻重新選配國產(chǎn)高能氧化鋅非線性滅磁電阻。

4）電阻器件R1/R2/R3選配國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)電阻器件。

3.3 電壓校正器的重新設(shè)計

針對EDG 運行10 多年來的運行維修經(jīng)驗，以及原先電壓校正器存在的問題，對電壓校正器的改進(jìn)設(shè)計簡述如下：

1）設(shè)計重新啟動時能夠自復(fù)位的數(shù)字式電位器取代原先的模擬電位器，采用調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行調(diào)壓，解決原先不能自復(fù)位的問題；數(shù)字電位器的自復(fù)位功能使機(jī)組每次啟動時，發(fā)電機(jī)電壓都處于相同的位置（額定電壓）。

2）數(shù)字電位器采用增減按鈕操作，可實現(xiàn)不同地點的調(diào)節(jié)且能自動同步。

3）電壓校正器增加無功功率閉環(huán)控制功能，EDG 空載或應(yīng)急帶載時按機(jī)端電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，并網(wǎng)運行時自動切換到無功功率閉環(huán)模式，使得并網(wǎng)運行情況下電壓校正器按無功功率調(diào)節(jié)，保證機(jī)組運行的穩(wěn)定性。

4）采用集成運算放大器代替原先的三極管，電壓校正器增加抗干擾設(shè)計，輸入輸出經(jīng)變壓器做強(qiáng)弱電隔離，確保弱電回路器件的安全，也確保電壓校正器能夠通過電磁兼容試驗。

3.4 EDG勵磁裝置核級鑒定[3-5]

EDG 勵磁裝置的核級鑒定如下：

1）參照IEEE 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制鑒定大綱，確定了需要老化試驗的器件為勵磁變壓器、串聯(lián)變壓器和電抗器，其余器件選用的均是已經(jīng)過老化試驗的產(chǎn)品。

2）制造了勵磁變壓器、串聯(lián)變壓器和電抗器的樣機(jī)，制定預(yù)期壽命為40 年，并按照老化試驗細(xì)則實施加速老化試驗，完成加速老化試驗后檢查測試其電氣性能合格。

3）對新設(shè)計的電壓校正器實施了電磁兼容試驗，試驗結(jié)果合格。

4）對勵磁裝置樣機(jī)實施模擬地震試驗，試驗完成后對樣機(jī)實施靜態(tài)檢查和電氣性能測試合格。

4 EDG勵磁裝置現(xiàn)場調(diào)試和試驗

EDG 勵磁裝置通過核級鑒定之后，正式制造了3 套，于2007 年10 月秦山核電廠第10 次換料大修期間實施改造。

EDG 勵磁裝置現(xiàn)場安裝接線完成后，即開始調(diào)試。調(diào)試內(nèi)容結(jié)合控制系統(tǒng)及EDG 機(jī)組一起實施。經(jīng)調(diào)試合格的勵磁裝置，結(jié)合機(jī)組實施了以下試驗：

1）機(jī)組啟動、并網(wǎng)、帶載、甩負(fù)荷試驗，考核勵磁裝置快速建立發(fā)電機(jī)電壓的性能，并網(wǎng)轉(zhuǎn)無功閉環(huán)控制功能，無功穩(wěn)定性能，以及甩額定無功負(fù)荷時發(fā)電機(jī)電壓快速恢復(fù)性能，試驗結(jié)果合格。

2）突加負(fù)載試驗，考核發(fā)電機(jī)空載情況下突加300kW 電動水泵時，電壓快速恢復(fù)性能，試驗結(jié)果合格。

3）程序帶載試驗，模擬失去廠外電且反應(yīng)堆需要安注時考核EDG（含勵磁裝置）按程序加載性能，圖4 為#1EDG 按程序加載試驗錄波圖，試驗結(jié)果合格。

圖4 1#EDG程序帶載錄波圖Fig.4 Emergency loading in sequence of 1# EDG

4）EDG 發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率測定試驗；實測#1EDG 穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為-0.44%，優(yōu)于技術(shù)規(guī)范書要求（≤±1%）。

5）EDG 發(fā)電機(jī)冷熱態(tài)的電壓變化率測定試驗；實測#1EDG 冷熱態(tài)的電壓變化率為-0.56%，優(yōu)于技術(shù)規(guī)范書要求（≤±2%）。

5 結(jié)束語

秦山核電廠3 臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)勵磁裝置于2007 年11 月～2008 年1 月期間實施了改造。改造工作是在國家核安全局（NNSA）的監(jiān)督之下實施的，經(jīng)過精心的調(diào)試和完備的試驗，對改造設(shè)備的功能和性能進(jìn)行了全面驗證，確認(rèn)全部符合設(shè)計要求，改造獲得成功。EDG 電氣系統(tǒng)其他設(shè)備亦于同期實施了改造，關(guān)閉了這一PSR 弱項。改造后EDG 電氣系統(tǒng)設(shè)備煥然一新，功能、性能都得到了提升，更便于運行操作和檢修試驗。設(shè)備投運13 年以來，總體運行穩(wěn)定，故障較少。

鑒于目前國內(nèi)新建核電站全面實現(xiàn)自主化的要求，首當(dāng)其沖的是核電站設(shè)備國產(chǎn)化。本次勵磁裝置的改進(jìn)，為核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)勵磁裝置的國產(chǎn)化做了一次非常有參考意義的積極嘗試，本文改造經(jīng)驗可供同行參考。