核電站勵磁變壓器設計選型及運行優化

劉 歡，陳啟豪，易非凡，陳富杰，錢厚軍

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠原本的勵磁系統配置的是日本三菱的AVR裝置及國產品牌的整流及滅磁裝置(水冷方式)，考慮到設備已經達到運行年限，設備內電子元器件老化，備品備件的供應成本增加，以及技術支持薄弱和不滿足相關網源協調新要求(如增加PSS功能等)等因素，導致勵磁系統潛在的運行風險加大，不利于機組的安全穩定運行。因此，在某次大修期間實行勵磁系統的改造工作，由自并勵靜止勵磁系統替代原本的三機有刷勵磁系統。在這一過程中有變壓器選型、勵磁變壓器運行條件優化等問題，本文將對以上幾個問題進行研究并提出有效解決方案。

1 勵磁系統改造意義

1.1 勵磁方式簡介

勵磁系統是發電機的核心控制系統，其主要作用是調節發電機的電壓和無功功率，在發電機故障時快速滅磁，保護發電機組。發電機的勵磁方式是隨著電力電子技術的進步而逐步發展的，早期同步電機一般采用同軸直流勵磁機的勵磁方式，20世紀60年代，隨著硅整流元件的出現以及機組容量的增大，同軸直流勵磁機已無法滿足要求，只能采用交流電源經硅整流后供給發電機勵磁繞組。根據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同軸的交流發電機，經整流后供給主機的勵磁繞組，此交流電源稱為交流勵磁機，這類勵磁方式通常稱為三機勵磁，三機勵磁按整流器是靜止還是隨發電機旋轉，又可分為靜止硅整流(有刷)和旋轉硅整流(無刷)，該核電機組原本的勵磁系統即是靜止硅整流系統，如圖1所示。

圖1 三機靜止硅整流勵磁系統原理圖示Fig.1 The schematic of three static silicon rectifier excitation system

第二類，交流電源來自接于發電機出口的勵磁變壓器，經可控硅整流后供給發電機勵磁繞組。對于勵磁變并聯在發電機出口的勵磁方式，稱為自并勵勵磁方式，也是本次改造后的勵磁方式，如圖2所示。

圖2 自并勵勵磁系統原理圖示Fig.2 The illustration of the principle of the self-shunt excitation system

1.2 兩種勵磁方式的對比

兩種勵磁方式在系統組成、響應速度、強勵能力、勵磁電源、滅磁方式和運行維護等方面存在著一定差異，具體差異內容見表1。

表1 發電機勵磁方式比較Table 1 Comparison of generator excitation modes

隨著大型機組勵磁技術的不斷發展，自并勵勵磁系統作為主流的、成熟的勵磁方式，以其優良特點在核電機組中得到廣泛應用和驗證。

1.3 項目改造意義

對于本項目而言，此次改造主要工作涉及發電機組勵磁機本體和勵磁系統控制部分，主要意義如下：

1)通過更新勵磁系統設備，完善勵磁系統硬件配置和功能，進一步滿足機組安全、穩定運行需要和網源協調新要求。

2)勵磁方式的變更，提高了發電機勵磁系統的響應速度和機組的實際強勵能力。

3)靜態勵磁系統是當前國內外最普遍的一種勵磁方式，經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組勵磁系統方面的技術交流和維護整改工作。

2 勵磁變壓器設計選型

在進行勵磁變壓器工程設計時，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短路電流的影響等因素。

1)勵磁變壓器二次側電流計算

國家或相關行業標準規定：勵磁系統輸出電流必須大于1.1倍發電機額定勵磁電流并可長期連續運行。

對于自并勵勵磁系統的全控可控硅整流橋，勵磁變壓器二次側電流與勵磁系統直流側輸出直流電流的關系滿足下式(勵磁系統直流輸出電流為1921 A):

(1)

式中：I2n：勵磁變壓器二次側線電流；

Id：勵磁系統輸出直流電流。

因此當Id輸出為額定電流的1.1倍時，對應的勵磁變壓器二次側線電流即為勵磁變二次側額定線電流，則有：

(2)

勵磁變二次側額定電流(I2n)應大于1728.9 A。

2)勵磁變壓器二次側電壓計算

國家或行業標準規定：當發電機機端電壓降至額定電壓的80%時，勵磁系統保證最大勵磁電壓不小于額定勵磁電壓的2倍。

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

(3)

考慮發電機極端電壓降至80%，則有：

(4)

式中，U2n：勵磁變壓器二次側空載額定線電壓；αmin：勵磁系統強勵時可控硅控制角，計算中取為10°；Ufmax：勵磁系統強勵電壓；Ifmax：勵磁系統強勵電流；K1取0.8；

∑ΔU：電壓降之和，包括導通兩臂的硅元件正向壓降，匯流導線電阻壓降及轉子滑環與炭刷間的壓降，計算中取10 V。

(5)

經核算，勵磁變壓器二次額定線電壓應不小于940 V，本項目勵磁變額定線電壓為970 V，滿足要求。

3)勵磁變壓器額定輸出電壓計算

基于上述勵磁變壓器二次側電壓、電流的計算，勵磁變壓器的容量按下列公式計算：

(6)

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

根據勵磁變壓器所帶可控硅整流橋負載特性，運行中的主要包括 5、7、11、13等奇次諧波，在考慮諧波電流分量裕度的基礎上，可簡化如下：

(7)

式中，k1為考慮勵磁變壓器運行中諧波電流分量的裕度系數，推薦范圍：1.05～1.1;為勵磁變壓器工程設計時的計算容量，在具體計算時，建議選取靠近計算容量值的上一級標準容量作為設計容量，且此值作為勵磁變壓器的銘牌容量；為勵磁變壓器的附加損耗(主要包括鐵耗、銅耗)，由勵磁變壓器供貨商根據勵磁變壓器的設計參數自行考慮及計算，且此值不計入勵磁變壓器的銘牌容量。

經計算，勵磁變壓器額定容量應在在3050～3195 kVA范圍內，本項目勵磁變壓器容量為3150 kVA，滿足要求。

4)各工況勵磁觸發角計算

發電機額定空載勵磁電流為Ifo=632 A,空載勵磁電壓為Ufo=130 V，則勵磁變阻抗值為：

(8)

空載觸發角度計算：

1.35·U2n·cosα0=

(9)

α0≈83.307°

發電機額定負載電流為Ifn=1921 A，勵磁電壓為Ufn=457 V，則額定負載觸發角計算：

1.35·U2n·cosαn=

(10)

α0≈58.699°

發電機強勵時勵磁電流為Ifmax=3842 A，勵磁電壓為Ufmax=914 V，則觸發角度計算為：

1.35·U2n·cosαcoil=

(11)

α0≈40.167°

如果強勵時機端電壓降至80%，則：

(12)

α0≈17.213°

5)發變組短路試驗核算

根據發電機電流特性曲線，額定短路試驗時勵磁電流If約1540 A，對應勵磁電壓Uf則為366 V。

短路試驗時，勵磁變壓器高壓側接6.3 kV三相電源，則有勵磁變低壓側電壓線電壓為：

(13)

按最小觸發角為10°計算，其輸出電壓為：

(14)

由上式可知勵磁變壓器一次側接廠用6.3 kV電源即可滿足發變組短路試驗要求，無需額外設置抽頭。

6)發變組空載試驗130%試驗核算

根據發電機空載特性曲線，130%空載試驗勵磁電流約為1830 A,則勵磁電壓Uf=448 V>410 V，故勵磁變壓器一次側接6.3 kV廠用電源不能滿足發電機做130%空載試驗，需要額外設置抽頭，現場工作中將試驗抽頭設置在勵磁變壓器高壓側15 kV位置以滿足現場試驗需要。

3 勵磁變壓器運行工況優化

在本項目勵磁變壓器完成安裝后，運行過程中出現溫度偏高的情況，在設備本身狀態良好的情況下考慮是因為運行空間散熱能力不夠造成，改造設備位于勵磁小室和PT小室，因此對兩個房間的發熱量和散熱量進行統計，制定方案優化設備的運行條件。

3.1 新增設備及發熱量統計

1)勵磁小室

勵磁小室現為封閉式結構，室內面積約為83 m2。室內現放一臺整流滅磁裝置，發熱量約為20 kW。封閉母線干燥裝置柜一臺發熱量約為300 W。小室現配置3臺10 HP空調，1臺10 HP柜機制冷量為25 000 W(額定工況)。

2)PT小室

PT小室一側為樓梯，是半封閉結構，室內面積約為92 m2。室內現有PT柜一臺，發熱量約為500 W。小室未配空調，僅安裝一個排風扇。

3)勵磁小室將原整流滅磁裝置拆除，更換成新的勵磁調節器，發熱量約為30 kW。

4)PT小室新增一臺3150 kVA勵磁變壓器(干式變)，發熱量約為30 kW。

勵磁小室與PT小室發熱量統計見表2。

表2 勵磁小室與PT小室發熱量統計Table 2 Heat output statistics of excitation chamber and PT chamber

3.2 設計計算

勵磁設備間宜設置機械通風裝置，當機械通風不能滿足設備要求時，可設置空氣調節裝置。出線小室內有勵磁變壓器時，通風量應按排除室內余熱所需的風量來確定且保證換氣次數不少于每小時10次。

PT小室通風宜采用自然通風、機械排風系統，通風系統按照夏季排風溫度不超過40 ℃設計。廠用配電裝置室負荷計算時，可不計入圍護結構和人體的散熱量等，僅計算室內電氣設備的額散熱量。

1)勵磁設備間暖通計算

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

空調制冷量大于室內設備和圍護結構熱負荷之和，滿足設計要求。

2)PT小室暖通計算

PT小室采用自然進風、機械排風的方式排出室內余熱，通風計算時不考慮圍護結構的冷負荷，只需考慮發熱設備的發熱量即可。通風量為：

(1)

式中，p：室內空氣平均密度，kg/m3；

c：空氣的比熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；

ρ：空氣密度；

tp：變配電室的排風溫度，℃；

tj：變配電室的進風溫度，室外夏季通風計算溫度(℃)，溫度梯度難以確定時，進風溫度可以按照比夏季通風室外計算溫度高2～3 ℃選取；夏季通風室外計算溫度嘉興地區取值為：30.7 ℃，室內溫度按38 ℃進行計算。

3.3 設計輸出

勵磁設備間現有空調滿足設計要求。

PT小室采用自然進風、機械排風的通風方式排除室內余熱；選取兩臺T35-NO5.6的軸流風機，進行機械排風，進風為百葉窗自然進風，百葉窗面積為2000 mm×1000 mm。

3.4 簡要安全控制措施

PT小室加裝軸流風機對房間進行排風散熱后，安排每周2次的人員巡檢，關注勵磁變壓器的運行溫度，以保證設備的運行安全和驗證運行工況優化的效果。巡檢結果表明上述的優化措施對降低勵磁變壓器的運行溫度有效果，設備的運行安全得到有效保障。

4 總 結

此次變更降低了勵磁系統的復雜性，減少了設備的維護。由于其自身優越性實現了主發電機的擴容，在保證發電機機組運行可靠性的前提下提高發電機額定出力，持續提高了機組的經濟效益。本次改造對勵磁變壓器選型的計算以及運行后對勵磁變壓器運行條件的優化等對后續后續類似工程改造項目具有良好的示范作用和推廣價值。