EDG励磁装置的设计改进

钱厚军

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

秦山核电厂一期工程是中国大陆自主设计、自主建造、自主运行管理的第一座原型核电站，是国内核电事业的里程碑。电厂自1991 年投入运行以来，取得了较好的运行业绩和社会效益。

秦山一期3 台应急柴油发电机组（以下简称EDG）全部选用国产设备配套组成。限于当时技术条件，电气系统（包括励磁装置）在设计和制造上均有较多不完善。1991年投运后，根据实际运行情况持续进行设计上的改进，处于持续改进不断完善过程中，因而状态较差。电厂于2004年启动了EDG 电气及控制系统的改造，本文主要介绍励磁装置的设计改进。

1 EDG励磁系统原理概述[1]

秦山一期EDG 励磁方式采用了相复励＋电压校正器的方式，附加一个转换装置实现工作模式切换。相复励主体为6300V 不可控自励恒压装置，EDG 同步发电机主要由它供给励磁。不可控相复励装置具有一定的调压精度。电压校正器实际上是一个可控硅分流器，用以进一步提高调压精度。转换装置是用来投入或切除校正器的设备。因此，EDG 励磁系统既具备不可控相复励装置的高可靠性，又具备可控相复励装置较高的电压调整精度和动态响应性能。但是相复励装置体积较大，主要是因为发电机未配套励磁机，静止的功率整流器包含在相复励装置内，发电机属于有刷励磁方式。EDG 发电机的额定参数见表1。

表1 发电机额定参数Table 1 Nominal parameters of generator

图1是EDG 励磁系统简图，相复励主体部分的工作原理简述如下：同步发电机端电压6300V 经并联的励磁变压器（LCB）降压到230V，通过三相线性电抗器（DK）的移相作用，使得绕组中的电流滞后于发电机端电压90°，经三相桥式整流后提供发电机空载励磁电流。当发电机带载后，由串联变压器（CLB）提供与负载有关的电流分量，经桥式整流后提供复励电流，进行电流补偿，从而抵消发电机电枢反应的去磁作用，保持发电机电压恒定。

图1 EDG相复励有刷励磁系统简图Fig.1 The phase compound excitation system of EDG

电压校正器（JZQ）的工作原理简述如下：电压校正器是一个利用可控硅开关特性进行工作的可控硅交流分流器，它并联于相复励三相整流桥的一个硅元件两端，分流一部分励磁电流。校正器根据发电机端电压的变化，通过电压测量，比较放大，移相触发等回路的作用，相应地改变分流电流的大小，从而使发电机端电压在负载变化时及时得到调节，使端电压维持更高的精度。当发电机突加负载时，校正器能快速地调节分流的大小，因而它还具有改善动态电压调整精度，提高动态响应特性的作用。

另外在发电机并网时，利用电压校正器对发电机电压进行调整，以满足同期并网的条件。故电压校正器的调节范围确定为发电机额定电压的±5%。

为了确保EDG 机组启动成功，设计上还增加了外加启励电路，即在机组启动第3s 通过蓄电池向发电机转子提供外加的初始励磁电流，确保发电机建立磁场并自励成功，在机组达到额定转速时，发电机也同时达到额定电压。外加励磁在第10s 断开。

2 EDG励磁装置存在的问题及改进思路

2.1 存在的问题

秦山一期首次PSR（Periodic Safety Review，定期安全审查）报告中指出，EDG 电气系统设备未经严格意义的1E 级鉴定，无法证明其寿命末期在经受设计基准的地震时是否能够发挥设计赋予的安全功能。

除未经1E 级鉴定外，在设计上还存在以下问题：

1）选用了代表20 世纪70 年代水平的继电器、晶体管等，元器件已被市场淘汰，采购合格产品较为困难。

2）电压校正器由分立元件组成，调节原理较为原始落后，仅靠个别三极管组成放大电路，靠单结管构成脉冲触发电路，而三极管和单结管的离散性非常大，选择备件非常困难，调试难度非常大，实际运行中电压校正器的故障率也最高。

3）在主控室和就地各设置一只调压电位器，通过切换开关实现调压地点的切换。两地电位器设定位置不同，电缆引线电阻和切换开关触点接触电阻会导致两地切换时，发电机电压的较大波动。EDG 停机前，如果忘记将调压电位器调回初始位置，下次EDG 启动时发电机电压将偏离额定电压。

4）设计上未考虑并网运行模式，并网时发电机功率因数波动，难以控制在并网工况下的无功功率稳定，而恰恰并网运行是最经常的运行方式。

5）励磁柜内部器件布局不合理，发热器件过于靠近，不利于散热，其他局部空间又过于空旷，柜体靠墙安装没有检修空间，存在维修不到的死角。

2.2 励磁系统改进思路

秦山一期于2004 年成立EDG 电气系统改造项目组，项目组确定了励磁系统的改进思路，简述如下：

1）鉴于国内外EDG 大多采用相复励这种高可靠性励磁装置，秦山一期EDG 励磁装置改造保持相复励＋电压校正器的成熟原理不变。

2）因原始设计资料不完整，且实际运行中部分设备温升偏高，决定对相复励主回路元器件参数进行重新核算，优化励磁系统技术规格书。

3）重新设计电压校正器，设计集成的数字电位器代替原先的模拟电位器，采用集成电路组成调节和触发电路，增加无功功率闭环控制，实现并网运行时无功功率的稳定，改进调压方式实现两地切换无波动。

4）励磁装置采用紧凑式设计，缩小总体体积，同时为发热器件充分留出散热空间，整体留出检修空间。

5）励磁装置选用主流产品标准元器件，不选用非主流、非标准元器件。

3 EDG励磁装置的设计改进与核级鉴定

3.1 对励磁装置主回路参数的重新核算[2]

图2为EDG 励磁装置的设计简图。按上述思路，主回路原理不变，对主要器件励磁变压器LCB、线性电抗器DK、串联变压器CLB 的参数做重新核算如下。

图2 EDG励磁系统改进后简图Fig.2 The excitation system of EDG after redesigned

3.1.1 并联励磁变压器LCB 的参数计算

已知发电机空载额定励磁电压Uf0=41.8V，空载励磁电流If0=114.4A，考虑电压校正器分流±5%。另从《半导体变流技术》已知，三相不可控整流桥交流侧电流与直流侧电流的比值KI为0.816，故在发电机空载时LCB 的交流侧电流：

已确定励磁变压器LCB 低压侧额定电压为230V，则LCB 低压侧容量输出：

折算到高压侧并乘以1.15 倍的富余系数，LCB 额定计算容量：

取标准系列：50kVA，考虑与负载电流的相位复合，连接组别取：Y/Yn0。

最终确定：50kVA，6300V/230V，Y/Yn0。

3.1.2 电抗器DK的参数计算

空载状态下，励磁变压器LCB 的总负载阻抗为：

式（4）中，ΔU 取3V，主要考虑整流桥压降2V，回路压降1V。

发电机转子直流电阻：

则计算电抗值：

考虑电抗器的有效调节，保留+15%的电抗可调裕度，取X = Xj×1.15 = 1.29×1.15 = 1.48 (Ω)

电感值：

3.1.3 串联变压器CLB的参数计算

发电机额定状态励磁电流Ifn=187 A，则交流侧复合电流为：

三相不可控整流桥直流侧电压与交流侧电压比Ku=1.35，励磁电压Ufn=89V，则：

整流桥负载为纯阻性负载，考虑整流电路初级回路严重的电感性换相电路，换相重迭角30°以上，其等效负载功率因数角可按30°/2=15°考虑。等效阻抗为：

励磁变压器LCB 为等效电压源， 相电压为230/√3=132.8(V)；以LCB 为基准，额定功率因数cosφ 为滞后0.8，则φ=cos-1（0.8）=-36.8°，串联变压器CLB 为等效电流源I2∠-36.8°，与并联励磁变压器LCB 及移相电抗器DK 电路复合后向整流负载供电，等效电路如图3(a)所示。为了计算方便，将电压源转换为等效电流源，如图3(b)所示，等效电流源电流为132.8/1.29 = 103(A)，电压源转换成等效电流源后移相了90°。

图3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit (voltage source)

等效负载的分流系数应为：j1.29/（j1.29+0.2373 ∠15°），电流源相量和为：103 ∠-90°+ I2∠-36.8°，因而有：可求得I2= 87.4 (A)。

前面已得额定状态下二次电压为66V，则CLB 额定容量应为：

串联变压器CLB 的额定容量可取：10kVA。考虑与电抗器移相电流的相位复合，连接组别取：Y/Yn0。

3.1.4 主回路参数核算结论

通过重新核算，各器件参数与原设计相差不大，主回路参数可以不变，原装置温度偏高问题可考虑制造工艺改进与安装位置的合理调整。

3.2 励磁装置主回路的设计改进（重新选型）

按前述改进思路，对励磁装置主回路的设计改进主要体现在：在不降低额定参数情况下，以当前最成熟可靠的进口或合资品牌产品，或者国产优质产品取代原设计的各个器件，确保器件质量，提升主回路可靠性。

主回路主要元器件经参数核算确认后，励磁变压器LCB、串联变压器CLB、电抗器DK 需要按非标定制，对其余整流二极管、可控硅、接触器、灭磁开关、电阻等，对照图2 简述如下：

1）6 只整流二极管换型为额定电流更大，耐压值更高的国产ZP900-2200 二极管，分流可控硅换型为KP200-1800。由于整流器件制造工艺的不断进步，大幅提高器件额定参数而体积却减小很多，节省了空间，同时减少了发热量。

2）电压校正器投入退出的切换接触器K1/K2，以及启励回路接触器K3，采用合资品牌的3TF45 接触器代替原先的CZ0-40 接触器。

3）灭磁开关EFS，以合资品牌NS400 塑壳断路器配电操机构代替原先的CZ0-200 接触器，灭磁电阻重新选配国产高能氧化锌非线性灭磁电阻。

4）电阻器件R1/R2/R3选配国产优质电阻器件。

3.3 电压校正器的重新设计

针对EDG 运行10 多年来的运行维修经验，以及原先电压校正器存在的问题，对电压校正器的改进设计简述如下：

1）设计重新启动时能够自复位的数字式电位器取代原先的模拟电位器，采用调压开关进行调压，解决原先不能自复位的问题；数字电位器的自复位功能使机组每次启动时，发电机电压都处于相同的位置（额定电压）。

2）数字电位器采用增减按钮操作，可实现不同地点的调节且能自动同步。

3）电压校正器增加无功功率闭环控制功能，EDG 空载或应急带载时按机端电压闭环调节，并网运行时自动切换到无功功率闭环模式，使得并网运行情况下电压校正器按无功功率调节，保证机组运行的稳定性。

4）采用集成运算放大器代替原先的三极管，电压校正器增加抗干扰设计，输入输出经变压器做强弱电隔离，确保弱电回路器件的安全，也确保电压校正器能够通过电磁兼容试验。

3.4 EDG励磁装置核级鉴定[3-5]

EDG 励磁装置的核级鉴定如下：

1）参照IEEE 相关标准编制鉴定大纲，确定了需要老化试验的器件为励磁变压器、串联变压器和电抗器，其余器件选用的均是已经过老化试验的产品。

2）制造了励磁变压器、串联变压器和电抗器的样机，制定预期寿命为40 年，并按照老化试验细则实施加速老化试验，完成加速老化试验后检查测试其电气性能合格。

3）对新设计的电压校正器实施了电磁兼容试验，试验结果合格。

4）对励磁装置样机实施模拟地震试验，试验完成后对样机实施静态检查和电气性能测试合格。

4 EDG励磁装置现场调试和试验

EDG 励磁装置通过核级鉴定之后，正式制造了3 套，于2007 年10 月秦山核电厂第10 次换料大修期间实施改造。

EDG 励磁装置现场安装接线完成后，即开始调试。调试内容结合控制系统及EDG 机组一起实施。经调试合格的励磁装置，结合机组实施了以下试验：

1）机组启动、并网、带载、甩负荷试验，考核励磁装置快速建立发电机电压的性能，并网转无功闭环控制功能，无功稳定性能，以及甩额定无功负荷时发电机电压快速恢复性能，试验结果合格。

2）突加负载试验，考核发电机空载情况下突加300kW 电动水泵时，电压快速恢复性能，试验结果合格。

3）程序带载试验，模拟失去厂外电且反应堆需要安注时考核EDG（含励磁装置）按程序加载性能，图4 为#1EDG 按程序加载试验录波图，试验结果合格。

图4 1#EDG程序带载录波图Fig.4 Emergency loading in sequence of 1# EDG

4）EDG 发电机稳态电压调整率测定试验；实测#1EDG 稳态电压调整率为-0.44%，优于技术规范书要求（≤±1%）。

5）EDG 发电机冷热态的电压变化率测定试验；实测#1EDG 冷热态的电压变化率为-0.56%，优于技术规范书要求（≤±2%）。

5 结束语

秦山核电厂3 台应急柴油发电机励磁装置于2007 年11 月～2008 年1 月期间实施了改造。改造工作是在国家核安全局（NNSA）的监督之下实施的，经过精心的调试和完备的试验，对改造设备的功能和性能进行了全面验证，确认全部符合设计要求，改造获得成功。EDG 电气系统其他设备亦于同期实施了改造，关闭了这一PSR 弱项。改造后EDG 电气系统设备焕然一新，功能、性能都得到了提升，更便于运行操作和检修试验。设备投运13 年以来，总体运行稳定，故障较少。

鉴于目前国内新建核电站全面实现自主化的要求，首当其冲的是核电站设备国产化。本次励磁装置的改进，为核电站应急柴油发电机励磁装置的国产化做了一次非常有参考意义的积极尝试，本文改造经验可供同行参考。