1 000 MW核電機組發電機勵磁系統改進

余前軍

(中核核電運行管理有限公司， 浙江海鹽 314300)

發電機勵磁系統是一個實時控制系統，其安全性和可靠性關系到電力系統的安全與可靠，各項性能指標直接關系到電力系統的穩定。發電機勵磁系統的性能對于提高電網的輸送能力和穩定性等具有重要意義，尤其是大型發電機勵磁系統，其調節性能及安全性、可靠性是電網安全穩定的重要環節，是電網安全穩定的基礎。當電力系統負荷變化、擾動或系統條件改變引起電壓變化時，勵磁系統可以迅速改變發電機勵磁以維持電壓在一定的精度范圍內。實踐表明，改進發電機勵磁系統是提高電網穩定性最經濟、有效、直接的手段。

據統計，截止到2016年12月31日，我國已投入商業運行的核電機組共有35臺，運行裝機容量33 632.16 MW,占全國電力裝機約2.04%[1]，其中Alstom勵磁系統占比為52%。隨著核電機組在電網中占比的增加，電網對核電機組的要求也越來越高，所以無論從核電站安全運行角度考慮，還是從核電站對電網安全穩定支撐方面考慮，提高核電機組Alstom勵磁系統的可靠性都是非常重要的。

1　機組概況

某核電廠設計建設2臺1 000 MW 級核電機組，該項目2臺汽輪發電機為TA-1100-78型半速汽輪發電機，勵磁機為TKJ167-45型無刷旋轉勵磁機，勵磁變壓器為3臺18 kV·A的單相變壓器。發電機冷卻方式為水-氫-氫，勵磁方式為自勵旋轉無刷勵磁，其他主要參數見表1。

表1　發電機主要參數

經實測發電機空載額定工況下勵磁機勵磁電壓Ufex0=39.9 V，勵磁電流Ifex0=39.9 A，發電機額定負載工況下勵磁機勵磁電壓UfexN=87.7 V，勵磁電流IfexN=84.7 A。

勵磁變壓器參數見表2。

表2　勵磁變壓器主要參數

2臺汽輪發電機組的勵磁系統簡圖見圖1，勵磁調節器(AVR)采用Alstom公司P320系統。

從機械結構方面，雖然在機組勵磁系統中采用了無刷結構的主勵磁機，但是電氣方面，由于主勵磁機的勵磁功率取自接在發電機機端的勵磁變壓器，從勵磁系統電氣定義，此勵磁系統應屬于自勵勵磁系統[2]。

圖1　勵磁系統簡圖

2　問題及改進

2.1 發電機起勵失敗

發電機勵磁系統的起勵回路見圖1。采用直流起勵，由110 V直流電源經起勵接觸器202JA、止逆二極管202DY和2個阻值均為20 Ω的起勵電阻205RS1、205RS2供電。

1號機組在2014年11月30日發生起勵失敗故障，其波形見圖2。由圖2可以看出：發電機起勵初始階段，起勵電源由110 V直流電源供給，發電機建壓緩慢；當起勵到一定時間，為了迅速提高發電機電壓，可控硅控制角迅速增大，勵磁電流也迅速增大；當發電機電壓上升到一定值時，為了避免電壓超調，勵磁電流又迅速減小，觸發了勵磁調節器中設置勵磁電流低于2%跳滅磁開關的邏輯，滅磁開關跳閘，導致起勵失敗。

圖2　1號發電機起勵失敗波形圖

起勵電阻總阻值為40 Ω，如果忽略勵磁機勵磁繞組電阻，起勵回路能提供的最大勵磁電流僅為2.75 A。在初始勵磁電流較小的情況下，到起勵后期，主整流橋突然開放，勵磁電流在自動電壓調節的作用下出現快速上升，繼而迅速減小的調整過程。如果勵磁電流又減小到2%以下，則觸發跳滅磁開關的邏輯，可導致起勵失敗；或者勵磁電流繼續減小到可控硅維持電流以下，可控硅橋關斷。由于可控硅整流橋觸發脈沖過窄，無法在后續過程中建立起足以維持開通的擎住電流，造成起勵失敗。

在現場條件下，無法對勵磁調節器作出設計修改，只能立足實際情況加以改善。經過分析，如果能夠提供較大的初始勵磁電流，建立起較高的機端電壓，減少主整流橋導通瞬間機端電壓初始給定值和實際值的差別，則調節過程就會從一個大信號響應變成小信號響應，調節過程會趨于緩慢，減少超調，不產生嚴重的勵磁電流回調，從而避免觸發導致起勵失敗的硬件關閉條件。 將圖1中起勵回路中的兩個電阻由串聯改為并聯，可將起勵時的勵磁電流增加到原來的4倍左右，而該電阻的額定功率較大，又是短時工作，這種改進是可行的。改進方案首先在與1號機組完全等同的2號機組上實施。2015年1月12日，2號機組啟動，起勵波形見圖3。

圖3　2號發電機正常建壓波形圖

將圖3與圖2相比較，可以看出：起勵回路電阻由串聯改為并聯后，發電機起勵過程中發電機電壓、勵磁電壓、勵磁電流的波形均得到了很大改善，不再出現大幅度調整情況，避免了因勵磁電流在起勵過程中低于2%和過零造成的起勵失敗。后利用1號機組調停小修機會，對1號發電機的起勵回路進行了相同的改進。改進后1號機組的起勵波形與2號機一致，說明1號機組起勵失敗的問題已經得到解決。

2.2 勵磁系統斷流跳滅磁開關的改進

1、2號機組勵磁系統調試期間，在對AVR進行-10%階躍響應試驗時，發生了滅磁開關跳閘現象。查看波形發現，負階躍試驗時, 勵磁機勵磁電流也存在深度調整和過零現象，與起勵失敗的原因類似。 在對勵磁機勵磁回路設計圖進一步檢查時，發現磁場繞組僅并聯有非線性滅磁電阻231RS和232RS，并無可控硅斷流保護回路。為防止可控硅斷流，采取在滅磁開關201JA斷口靠調節器一側并聯續流電阻的改進措施。為不影響控制及保護，續流電阻阻值要在勵磁機磁場繞組電阻的100倍以上，功率上要滿足正常運行時勵磁機磁場電壓高諧波分量和施加2倍額定勵磁電壓強勵10 s的要求。考慮到勵磁機額定勵磁電壓Uefn為129.9 V，磁場繞組電阻為1，最終確定續流電阻的阻值為360 Ω，額定功率為500 W。由于運行期間電阻發熱量較大，將續流電阻安裝在散熱條件較好的滅磁電阻旁邊。增加續流電阻后再進行-10%階躍響應，未再出現滅磁開關跳閘現象(見圖4)。

圖4　額定電壓下-10%階躍波形圖

2.3 勵磁調節器供電設計問題

Alstom P320 V2型勵磁調節器內部信號監測和跳閘回路原采用單電源卡供電，代號為215AL。一旦電源卡故障，將會導致勵磁調節器可控硅整流器交流側隔離開關231JS、241JS的位置信號的值由合閘狀態變為隔離狀態，導致勵磁調節器發出逆變和滅磁開關跳閘命令，發電機失磁保護動作跳機，不符合單一故障準則。消除該設計缺陷的方法是采用雙電源卡并聯供電。圖5虛線框內為新增加的同型號穩壓電源模塊216AL，其輸出與原卡件輸出通過二極管橋并聯，形成冗余，避免了電源卡件單一故障引起跳機。

圖5　供電電源設計改進設計圖

2.4 轉子接地測量舉刷裝置問題

發電機采用無刷勵磁方式。為了裝設轉子接地保護裝置，在轉子尾端單獨裝有一個小的滑環軸，由帶有舉刷機構的碳刷將轉子電壓引出(見圖6)。轉子接地保護裝置采用疊加交流電壓原理，注入40 V工頻交流電壓，當接地電阻低于4 kΩ時報警，低于2 kΩ時跳機。

圖6　舉刷裝置原理示意圖

當勵磁系統投入運行后，每隔24 h自動舉刷一次進行測量，也可以人工手動發出舉刷進行不定期測量。優點是不但可以減小滑環和電刷長期高速旋轉摩擦而造成的磨損，增長使用壽命，而且還可在發電機組運行參數異常時及時舉刷，監測轉子是否發生接地故障。轉子引出軸分為三極，分別為正、負、地，實際使用正對地或負對地構成測量回路。經驗反饋表明：由于安裝方式和安裝環境的影響，該舉刷裝置容易產生積灰，產生碳刷接觸不良、卡澀等故障，致使轉子接地測量裝置誤發報警甚至導致誤跳機。機組停機檢修期間，經現場調查，發現2臺機組的舉刷裝置確實存在積灰嚴重的問題[3]。

圖7為轉子接地報警和跳閘功能原設計的信號通道。原設計轉子接地保護2段跳閘功能分別由AVR發汽機，以及由AVR送發變組保護出口跳閘。

圖7　轉子接地保護的信號通道

解決方案：一是編寫轉子接地報警檢修預案，增加停機檢修時對舉刷裝置的檢查和清掃；二是鑒于同類型轉子接地測量裝置已出現多次故障，并有誤跳機事件發生，說明該保護功能的可靠性尚有不足，宜將轉子接地保護2段跳閘功能取消，僅保留2段報警功能。將接地保護裝置的2段信號從AVR上拆除，改為直接送發變組保護，同時打開該信號在發變組保護的跳閘功能壓板，就達到了在取消跳閘功能的同時保留2段報警功能的目的。

3　結語

經過改進，集中處理了勵磁系統的幾個問題，并對一些功能進行了優化。目前機組勵磁系統運行較穩定，從幾次機組啟動過程來看，起勵回路的變更大大優化了起勵特性。續流電阻的變更、供電電源改進及轉子接地測量回路變更，減小勵磁系統故障概率和誤動率，提升了勵磁系統運行穩定性。

參考文獻：

[1] 中國核能行業協會. 核能行業協會發布我國2016年核電運行報告[R]. 北京: 中國核能行業協會, 2017.

[2] 李基成. 現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M]. 3版. 北京: 中國電力出版社, 2017.

[3] 宋清松, 陳濤. 半轉速核能發電機轉子接地保護誤報警分析處理[J]. 東方電氣評論, 2014, 28(1): 55-59.