1 000 MW核电机组发电机励磁系统改进

余前军

(中核核电运行管理有限公司， 浙江海盐 314300)

发电机励磁系统是一个实时控制系统，其安全性和可靠性关系到电力系统的安全与可靠，各项性能指标直接关系到电力系统的稳定。发电机励磁系统的性能对于提高电网的输送能力和稳定性等具有重要意义，尤其是大型发电机励磁系统，其调节性能及安全性、可靠性是电网安全稳定的重要环节，是电网安全稳定的基础。当电力系统负荷变化、扰动或系统条件改变引起电压变化时，励磁系统可以迅速改变发电机励磁以维持电压在一定的精度范围内。实践表明，改进发电机励磁系统是提高电网稳定性最经济、有效、直接的手段。

据统计，截止到2016年12月31日，我国已投入商业运行的核电机组共有35台，运行装机容量33 632.16 MW,占全国电力装机约2.04%[1]，其中Alstom励磁系统占比为52%。随着核电机组在电网中占比的增加，电网对核电机组的要求也越来越高，所以无论从核电站安全运行角度考虑，还是从核电站对电网安全稳定支撑方面考虑，提高核电机组Alstom励磁系统的可靠性都是非常重要的。

1　机组概况

某核电厂设计建设2台1 000 MW 级核电机组，该项目2台汽轮发电机为TA-1100-78型半速汽轮发电机，励磁机为TKJ167-45型无刷旋转励磁机，励磁变压器为3台18 kV·A的单相变压器。发电机冷却方式为水-氢-氢，励磁方式为自励旋转无刷励磁，其他主要参数见表1。

表1　发电机主要参数

经实测发电机空载额定工况下励磁机励磁电压Ufex0=39.9 V，励磁电流Ifex0=39.9 A，发电机额定负载工况下励磁机励磁电压UfexN=87.7 V，励磁电流IfexN=84.7 A。

励磁变压器参数见表2。

表2　励磁变压器主要参数

2台汽轮发电机组的励磁系统简图见图1，励磁调节器(AVR)采用Alstom公司P320系统。

从机械结构方面，虽然在机组励磁系统中采用了无刷结构的主励磁机，但是电气方面，由于主励磁机的励磁功率取自接在发电机机端的励磁变压器，从励磁系统电气定义，此励磁系统应属于自励励磁系统[2]。

图1　励磁系统简图

2　问题及改进

2.1 发电机起励失败

发电机励磁系统的起励回路见图1。采用直流起励，由110 V直流电源经起励接触器202JA、止逆二极管202DY和2个阻值均为20 Ω的起励电阻205RS1、205RS2供电。

1号机组在2014年11月30日发生起励失败故障，其波形见图2。由图2可以看出：发电机起励初始阶段，起励电源由110 V直流电源供给，发电机建压缓慢；当起励到一定时间，为了迅速提高发电机电压，可控硅控制角迅速增大，励磁电流也迅速增大；当发电机电压上升到一定值时，为了避免电压超调，励磁电流又迅速减小，触发了励磁调节器中设置励磁电流低于2%跳灭磁开关的逻辑，灭磁开关跳闸，导致起励失败。

图2　1号发电机起励失败波形图

起励电阻总阻值为40 Ω，如果忽略励磁机励磁绕组电阻，起励回路能提供的最大励磁电流仅为2.75 A。在初始励磁电流较小的情况下，到起励后期，主整流桥突然开放，励磁电流在自动电压调节的作用下出现快速上升，继而迅速减小的调整过程。如果励磁电流又减小到2%以下，则触发跳灭磁开关的逻辑，可导致起励失败；或者励磁电流继续减小到可控硅维持电流以下，可控硅桥关断。由于可控硅整流桥触发脉冲过窄，无法在后续过程中建立起足以维持开通的擎住电流，造成起励失败。

在现场条件下，无法对励磁调节器作出设计修改，只能立足实际情况加以改善。经过分析，如果能够提供较大的初始励磁电流，建立起较高的机端电压，减少主整流桥导通瞬间机端电压初始给定值和实际值的差别，则调节过程就会从一个大信号响应变成小信号响应，调节过程会趋于缓慢，减少超调，不产生严重的励磁电流回调，从而避免触发导致起励失败的硬件关闭条件。 将图1中起励回路中的两个电阻由串联改为并联，可将起励时的励磁电流增加到原来的4倍左右，而该电阻的额定功率较大，又是短时工作，这种改进是可行的。改进方案首先在与1号机组完全等同的2号机组上实施。2015年1月12日，2号机组启动，起励波形见图3。

图3　2号发电机正常建压波形图

将图3与图2相比较，可以看出：起励回路电阻由串联改为并联后，发电机起励过程中发电机电压、励磁电压、励磁电流的波形均得到了很大改善，不再出现大幅度调整情况，避免了因励磁电流在起励过程中低于2%和过零造成的起励失败。后利用1号机组调停小修机会，对1号发电机的起励回路进行了相同的改进。改进后1号机组的起励波形与2号机一致，说明1号机组起励失败的问题已经得到解决。

2.2 励磁系统断流跳灭磁开关的改进

1、2号机组励磁系统调试期间，在对AVR进行-10%阶跃响应试验时，发生了灭磁开关跳闸现象。查看波形发现，负阶跃试验时, 励磁机励磁电流也存在深度调整和过零现象，与起励失败的原因类似。 在对励磁机励磁回路设计图进一步检查时，发现磁场绕组仅并联有非线性灭磁电阻231RS和232RS，并无可控硅断流保护回路。为防止可控硅断流，采取在灭磁开关201JA断口靠调节器一侧并联续流电阻的改进措施。为不影响控制及保护，续流电阻阻值要在励磁机磁场绕组电阻的100倍以上，功率上要满足正常运行时励磁机磁场电压高谐波分量和施加2倍额定励磁电压强励10 s的要求。考虑到励磁机额定励磁电压Uefn为129.9 V，磁场绕组电阻为1，最终确定续流电阻的阻值为360 Ω，额定功率为500 W。由于运行期间电阻发热量较大，将续流电阻安装在散热条件较好的灭磁电阻旁边。增加续流电阻后再进行-10%阶跃响应，未再出现灭磁开关跳闸现象(见图4)。

图4　额定电压下-10%阶跃波形图

2.3 励磁调节器供电设计问题

Alstom P320 V2型励磁调节器内部信号监测和跳闸回路原采用单电源卡供电，代号为215AL。一旦电源卡故障，将会导致励磁调节器可控硅整流器交流侧隔离开关231JS、241JS的位置信号的值由合闸状态变为隔离状态，导致励磁调节器发出逆变和灭磁开关跳闸命令，发电机失磁保护动作跳机，不符合单一故障准则。消除该设计缺陷的方法是采用双电源卡并联供电。图5虚线框内为新增加的同型号稳压电源模块216AL，其输出与原卡件输出通过二极管桥并联，形成冗余，避免了电源卡件单一故障引起跳机。

图5　供电电源设计改进设计图

2.4 转子接地测量举刷装置问题

发电机采用无刷励磁方式。为了装设转子接地保护装置，在转子尾端单独装有一个小的滑环轴，由带有举刷机构的碳刷将转子电压引出(见图6)。转子接地保护装置采用叠加交流电压原理，注入40 V工频交流电压，当接地电阻低于4 kΩ时报警，低于2 kΩ时跳机。

图6　举刷装置原理示意图

当励磁系统投入运行后，每隔24 h自动举刷一次进行测量，也可以人工手动发出举刷进行不定期测量。优点是不但可以减小滑环和电刷长期高速旋转摩擦而造成的磨损，增长使用寿命，而且还可在发电机组运行参数异常时及时举刷，监测转子是否发生接地故障。转子引出轴分为三极，分别为正、负、地，实际使用正对地或负对地构成测量回路。经验反馈表明：由于安装方式和安装环境的影响，该举刷装置容易产生积灰，产生碳刷接触不良、卡涩等故障，致使转子接地测量装置误发报警甚至导致误跳机。机组停机检修期间，经现场调查，发现2台机组的举刷装置确实存在积灰严重的问题[3]。

图7为转子接地报警和跳闸功能原设计的信号通道。原设计转子接地保护2段跳闸功能分别由AVR发汽机，以及由AVR送发变组保护出口跳闸。

图7　转子接地保护的信号通道

解决方案：一是编写转子接地报警检修预案，增加停机检修时对举刷装置的检查和清扫；二是鉴于同类型转子接地测量装置已出现多次故障，并有误跳机事件发生，说明该保护功能的可靠性尚有不足，宜将转子接地保护2段跳闸功能取消，仅保留2段报警功能。将接地保护装置的2段信号从AVR上拆除，改为直接送发变组保护，同时打开该信号在发变组保护的跳闸功能压板，就达到了在取消跳闸功能的同时保留2段报警功能的目的。

3　结语

经过改进，集中处理了励磁系统的几个问题，并对一些功能进行了优化。目前机组励磁系统运行较稳定，从几次机组启动过程来看，起励回路的变更大大优化了起励特性。续流电阻的变更、供电电源改进及转子接地测量回路变更，减小励磁系统故障概率和误动率，提升了励磁系统运行稳定性。

参考文献：

[1] 中国核能行业协会. 核能行业协会发布我国2016年核电运行报告[R]. 北京: 中国核能行业协会, 2017.

[2] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用[M]. 3版. 北京: 中国电力出版社, 2017.

[3] 宋清松, 陈涛. 半转速核能发电机转子接地保护误报警分析处理[J]. 东方电气评论, 2014, 28(1): 55-59.