大型电机试验站核能发电技术改造工程

熊 劲 杨 柳

（东方电机有限公司装备部 四川德阳）

一、概述

近年来，随着科学技术的快速发展和人类环保意识的增强，低碳排放的绿色能源进入了新的发展时期，核能发电将成为电力系统的主力。投身于核能发电设备制造先进行列，是东方电机的重要发展战略。目前公司正在制造的核能发电机的主力机型容量为1000 MW、1750 MW等级。发电机的型式试验是电机研发制造过程中必不可少的一个重要环节，公司原有的大电机试验站已运行多年，且原设计是以600 MW汽轮发电机型式试验为基本条件，已不能满足1750 MW核能发电机试验要求，因此，公司决定对大电机试验站进行技术改造。

大电机试验站改造的基本原则是充分考虑试验系统的可靠性、先进性、实用性、经济性，基本要求是该试验站进行核能发电技术数字化改造后，可承担1750 MW核能发电机及其他大型电机的型式试验任务，提高试验站的自动化程度及试验参数测试精度，并成为同行业中具有领先水平的大电机试验站。

二、试验站改造的基本目标

试验站改造以《大型试验站核电技术改造技术要求》为基本要求，主要涉及电源系统、控制系统、测量系统、显示系统、密封油系统、冷却水系统等几个方面，改造后的试验站可达到同行业先进水平，达到以下四项基本目标。

（1）满足1750 MW核能发电机、1400 MW（50 Hz）超超临界发电机、1000 MW（60 Hz）发电机厂内型式试验。

（2）提升变频电源容量，满足汽发试验区独立进行型式试验要求。

（3）采用计算机操控系统对试验站所有设备进行操控、监测，提供灵活方便的智能控制，为测试系统创造最佳的运行环境，确保试验站安全可靠运行。

（4）采用计算机及智能数字仪表对被试产品的各项参数进行测试，其中稳态数据通过高精度数字功率分析仪进行采集处理，瞬态数据用高速数字录波器并行同步采集处理。采集的数据经过高速工业以太网传输至数据服务器，并由计算机测试系统自动分析、计算、曲线拟合，生成试验报告并打印输出。

三、部分核心系统的基本参数和性能

1.大功率直流传动系统

本系统采用SIEMENS公司全数字直流调速装置为控制核心，其性能优异，质量可靠，通信接口（串口、Profibus-DP、Simolink等）丰富，在国内各行业得到了广泛的应用。

直流调速装置本身带有参数设定单元，不需要其他的任何附加设备即可完成参数的整定。所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现；给定值和反馈值可选择为数字量或模拟量，外部信号的连接（开关量、模拟量的输入/输出，脉冲编码器等）通过插接端子排实现。直流调速装置控制精度高、抗干扰性好、运行可靠、不受元器件老化和温度漂移的影响，能长期保持稳定的控制精度。它有很强的自诊断处理功能，工作时可同步观察、测定征兆性的参数，判定产生故障的部位和原因，预测预报硬件和软件劣化趋势，同期显示故障代码和故障值，逻辑清晰，分类清楚，便于及时处理故障，使用、调试、维护方便。

直流调速装置在控制中由DSP计算送出的宽脉冲信号，经光电隔离后，传送至脉冲放大板，输出形成高频脉冲系列，该脉冲系列经过脉冲变压器隔离后，送到晶闸管控制极：K极、G极。脉冲变压器铁心采用高磁密材料，输出脉冲无延时和无振荡现象。输出脉冲波形稳定，当晶闸管换相时，提供一定数值的反向电压，使晶闸管能可靠关断，抗干扰能力强。直流调速装置的功率单元采用ABB公司的晶闸管，采用三相全控桥四象限整流方式。以ABB公司的5STP38N4000型为例，其额定电流为3960 A，电压为4000 V，管芯直径为100 mm的晶闸管，可以组成单柜额定电压1200 V，电流3500 A，短时过载允许电流达7000 A的大功率晶闸管直流调速装置。

本次改造，大功率直流传动系统共有四套大功率晶闸管直流调速装置。每两套直流调速装置构成12脉波并联方式，向三电机组的直流电机供电。两个直流电机采用主从工作模式，一套为主机，另一套为从机。整个系统以24脉波四象限工作，减小了谐波的成分。

2.功率柜结构

功率柜设计与布置结构合理，可使晶闸管达到最大有效通风与散热，保证晶闸管的最大出力的同时，也保证了晶闸管的安全稳定运行。功率柜把晶闸管的热管散热器组件、连接铜排、快熔、RC阻容吸收回路、功率柜的电子电路板、风道等有机地组合在一起，构成直流传动的基本装置。

3.高压开关柜

（1）基本参数。额定运行电压10 kV；额定电流1600 A；额定频率50 Hz、60 Hz；额定短路开断电流31.5 kA；额定峰值耐受电流≥25 kA；热稳定电流20 kA；1 min工频耐压对地、相间42 kV；隔离断口：48 kV；雷电冲击耐压对地、相间75 kV；隔离断口85 kV；额定短时持续时间4 s；外壳防护等级IP2X。

（2）柜体。柜体采用封闭开关柜型式。柜体骨架由角钢焊接而成。柜体的安装和维护可在前面和背面进行。整个柜体由接地的金属隔板分隔成4个功能小室，即母线室、低压室、断路器室和电缆室，各功能小室有独立的压力释放通道和释放门。每个功能小室装有门，门上有锁和铰链，柜门的开启角度≥90°，且带有等地位连接线（接地线）。

柜面必须用≥2 mm的双面敷铝锌板，能承受设备工作时的冲击或运输和安装时的冲撞。柜面采用静电喷塑固化处理，无油污、耐酸、防锈、美观。

4.低压开关柜

（1）基本参数。额定电压0.4 kV、0.6 kV；额定绝缘电压660 V、1000 V；工作频率 50 Hz、60 Hz；主母线额定短时耐受电流50 kA/s；主母线额定峰值耐受电流105 kA；工频绝缘每米500 V；外壳防护等级IP30。

（2）SV（悬挂式结构）电气技术在电机试验站的应用。电机试验站具有母线系统容量大、设备分散、转换复杂、组合形式多等特点，因此采用传统的低压开关柜组屏方式有如下的不足：①由于母线采用打孔连接，导致母线载流量减少，母线容量需降容处理；②铜排尺寸大，排列不整齐，不便于布置；③屏柜中母线全裸露，安全性能大大降低，给操作和检修带来极大的不利；④各个厂家开关外形和安装尺寸不一，一旦选定便难以替代，更不便于扩展。

鉴于上述状况，目前国外广泛使用悬挂式结构形式，实现免打孔连接和密封安装。该结构有3种特殊母线：Mini-PLS，PLS，Maxi-PLS，载流量从250～3200 A不等（70℃时），这使柜体结构紧凑而安全，组装快速而完善，载流容量大而散热好，组屏方式灵活多样等特点，本次改造采用了特别适用于试验站的低压交流开关柜和直流开关柜，其优势体现在：①安全，母线系统采用全密闭方式，屏柜内无裸露铜排，安全性能大大提高。②可靠，采用免打孔连接，整个母线系统容量得到充分保证；分支连接母线直接压接至主母排，降低了接触电阻，减少了连接部分的发热量。③易扩展，屏柜内电气元件采用模数化密集安装方式，既减少了安装空间，又便于适应功能的增加和规模的扩充。④易维护，由于采用了适合多厂家开关器件的元件适配器安装形式，各种电气元件不是直接从母线上取电，而是安装至元件适配器上，因此维修更换十分方便。

5.全数字柔性操作台

改造前的试验站限于当时的技术发展条件和生产状况，其试验系统多采用传统的分立式、单台叠放、人工指挥、人工操作并记录读数方式，目前已远远不能满足当代电机试验高精度、高稳定性、高速扫描或巡回监测大量的测点数据并实时处理或后期处理、计算机网络控制多台微机可在不同地点监控试验过程参数变化情况等要求。

伴随着电子电器技术以及计算机技术日新月异发展，以电器元件为基础的传统模拟操作台系统已显得相当落后了，取而代之的是以计算机技术为基础的全数字柔性操作台系统。

全数字柔性操作台计算机测控系统实施方案和传统试验站有一个较大差异就是针对试验站测量控制点多而分散、距离远、工况复杂、信号切换频繁、易受干扰等状况，采用PC+PLC+智能仪器+现场总线构成测控系统，即中央计算机集中处理操作、PLC分散独立控制、智能仪器高速并行采样、现场总线实时传输数据，将高、低压供配电系统、交直流传输系统、电源拖动系统、励磁系统、辅助电气系统以及油水系统等联动起来，并将所有传输过程中存在长途衰减和干扰的模拟信号隔离转换成数字信号传送到测控系统，实时监视试验的进行状况，并实现试验数据的完全共享和分析处理，形成完整的试验图表和报告。

四、结语

本次大型电机试验站核能发电技术改造工程竣工后，公司在大型发电机、核能发电机试验能力方面将达到同行业先进水平。其试验能力将涵盖1750MW核能发电机，1400MW超超临界发电机、1000MW（60Hz）发电机的厂内型式试验。通过对测控系统进行的数字化改造，将使大型电机试验站全面实现全数字柔性操作台测控系统，实现了监视、控制、测试全计算机化。试验设备以及被试产品的安全、产品的测试精度都将达到一个全新的高度。