方家山1号发电机起励失败原因分析及改进措施

余前军

(中核核电运行管理有限公司，浙江 314300)

0 引言

秦山核电厂扩建项目(方家山核电工程，以下简称方家山)规划建设2×1 000 MW级核电机组，机组分别以发电机-主变压器单元接线升压至500 kV系统，发电机出口设断路器。该项目两台汽轮发电机均为东方电机有限公司生产的TA1100-78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3×18 kVA的三台单相变压器。发电机的主要参数见表1。

表1 方家山1号发电机主要参数

方家山两台汽轮发电机组的励磁方式均为自励旋转无刷励磁，其系统简图如图1所示，励磁调节器(AVR)采用阿尔斯通公司(ALSTOM)P320系统。

该系统的主要特点如下：

(1) 无刷励磁系统取消了集电环和碳刷，解决了环火问题，根除了碳刷碳粉的污染，省掉了更换碳刷的工作，减少了维护工作量，降低了噪声。

(2) 没有了因碳粉和铜沫引起的电机线圈污染，延长了电机绕组绝缘的寿命。

(3) 无刷励磁的控制功率大大减小，有效简化了控制、保护线路，减少了厂房场地的占用。

(4) 励磁系统采用机端变压器来代替永磁机，需外加励磁电源起励。

(5) 只能在主励磁机磁场回路中设置灭磁开关，发电机的励磁绕组只能靠自然衰减灭磁，因而发电机灭磁时间较长。

图1 自励旋转无刷励磁系统简图

(6) 发电机转子电压、电流不能直接测量。

(7) 强励电压倍数仅为1.8倍。

(8) 旋转整流元件和熔断器要承受较大离心力，对元器件的要求较高。

1 1号发电机起励失败

方家山1号发电机在起励过程中发生了起励失败现象。2014年11月30日上午9点36分，1号发电机已冲转至1 500 r/min，准备合灭磁开关，9∶36∶41.41s合上灭磁开关后发电机开始起励建压，9∶36∶52.63s励磁系统故障导致发电机灭磁跳闸，汽机关主汽门。故障时KDO事故波形如图2所示，9∶36∶41.41s灭磁开关合闸后发电机开始起励，至9∶36∶48.162s的过程中励磁电流由起励回路提供(大约2.87 A)，之后晶闸管控制角开始迅速减小，励磁电流迅速增大至120.5 A左右，此时发电机电压已大于35%额定定子电压(8.4 kV)，起励开关跳开，起励过程结束，此时晶闸管控制角迅速增大，励磁电流迅速减小，9∶36∶51.801s左右最低减小至0 A，触发了励磁电流低于2%的跳闸逻辑，于9∶36∶52.63s跳开灭磁开关，同时发励磁系统故障至发变组保护跳汽机。

图2 11月30日1号发电机起励失败波形

2 起励回路分析

励磁系统的起励回路如图3所示。

由图3可以看出，在起励回路中串有2个限流电阻，阻值都为20 Ω，串联电阻总阻值为40 Ω。起励磁时的等效电路如图4所示。

图3 起励回路

图4 起励时的等效电路

根据R-L串联电路的过程，励磁电流可用如下方程表示：

图5 不同R值时励磁电流曲线

根据厂家说明，当发电机机端电压大于额定电压的5%即1.2 kV时，整流桥开始工作，从图6可以看出，灭磁开关合闸开始，到发电机电压到达1.2 kV左右的时间大约为7 s。在此之前，励磁电流一直维持在2.83 A左右，发电机电压上升非常缓慢，当发电机电压到达1.2 kV左右时，整流桥开始工作。为了迅速提升发电机电压，导通角开得很大，励磁电压和励磁电流迅速提升，发电机电压也迅速上升。当发电机电压>8.4 kV后，起励开关跳开，起励结束。此时晶闸管导通角迅速减小，励磁电流也迅速减小低于2%的跳闸逻辑值，灭磁开关跳开，起励失败。由此可以判断，起励开关跳开后整流桥提供的励磁电流减小至最低值，与此刻整流桥的导通情况有较大关系，其数值具有随机性。若该时刻调节器所给的控制角有一点波动，都有可能导致励磁电流低于2.26 A或0 A(晶闸管关断)，从而导致起励失败。

图6 起励回路修改前1号发电机建压波形

根据以上分析，得出以下结论：1号发电机起励失败，原因是起励回路提供的初始励磁电流较小，到起励后期整流桥突然开放，励磁电流上升过快，当起励退出时，励磁电流迅速减小，在某些时候会减小到2%以下，触发跳灭磁开关的逻辑，导致起励失败。

3 改进措施及效果验证

根据第3节的分析结论，改变R值，即改变起励回路中串联电阻的阻值，可以改变起励时励磁电流的大小。与厂家调试人员讨论后决定将起励回路中的电阻由串联改为并联如图7所示。该改进首先在2号机组上进行了实施，待验证后再在1号机组上实施。2015年1月12日，方家山2号机组启动，对改进后的起励波形进行了录波，其波形如图8所示。

图7 改进后的起励回路

图8 起励回路修改后2号发电机正常建压波形

通过比较图8和图6的波形可以看出，起励回路电阻由串联改为并联后，发电机起励过程中的电压、励磁电压、励磁电流的波形均得到了很大的改善，没有出现起励过程中机端电压、励磁电压、励磁电流大起大落的情况，也没有出现励磁电流在起励过程中低于2%的情况，因此没有出现起励失败的现象。2015年春节期间，利用机组停机检修机会，对1号发电机的起励回路参照2号机的修改方案进行了相同的修改。修改完成后，1号机组再次启动时对发电机的起励过程进行了录波，结果1号机的建压过程得到了很好的改善，起励波形与2号机一致。

4 结语

ALSTOM P320 V2励磁系统起励回路和起励逻辑设计不合理，起励回路电阻过大，加之起励期间如果励磁电流低于2%额定励磁电流将直接跳灭磁开关，所以会偶发因起励时间过长导致起励失败。此问题在福清、宁德、岭澳、方家山均出现过，属于厂家设备共性缺陷。方家山1号机组出现此问题后，通过分析和与厂家的沟通，在2号机组上做了相应的改进并通过起机试验进行了验证，证明改进是成功的。该改进可以应用在方家山1号机组及国内使用相同的励磁系统的核电机组。