沈曉暉

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的核心控制設(shè)備，其主要作用是產(chǎn)生可以任意控制其大小的直流電流，并向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸送。某650 MW核電機(jī)組采用三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，由副勵(lì)磁機(jī)(永磁機(jī))、轉(zhuǎn)樞式主勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器及微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等組成。永磁副勵(lì)磁機(jī)定子經(jīng)永磁機(jī)交流開(kāi)關(guān)后輸出400 Hz的三相交流電，在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator，AVR)的控制下經(jīng)四橋并聯(lián)方式運(yùn)行的三相橋式可控硅整流，其并聯(lián)直流輸出經(jīng)過(guò)滅磁開(kāi)關(guān)后供給主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組；主勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞輸出的200 Hz交流電再經(jīng)旋轉(zhuǎn)二極管整流后，作為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源，建立三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。AVR根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器(potential transformer，PT)、電流互感器(current transformer，CT)取得的電壓、電流和其他狀態(tài)量調(diào)節(jié)信號(hào)，閉環(huán)控制回路改變整流器的控制角，以此相應(yīng)改變勵(lì)磁電流，從而維持發(fā)電機(jī)恒定的機(jī)端電壓，同時(shí)還對(duì)發(fā)電機(jī)和主勵(lì)磁機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行接地監(jiān)測(cè)，限制轉(zhuǎn)子、定子電流以保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和防止其過(guò)熱，從而確保發(fā)電機(jī)組的安全和輸出電能的質(zhì)量。

勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，其中，功率單元是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著將交流電壓變換為直流電壓，向發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流的重要任務(wù)[1-2]。功率單元主回路一般由6只晶閘管三相橋式全控整流電路及阻容吸收回路等附屬設(shè)備組成。功率單元在運(yùn)行過(guò)程中，晶閘管和阻容吸收的電阻會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，如果熱量不能及時(shí)排除，將導(dǎo)致元器件過(guò)熱而損壞，因此功率柜需配置冷卻系統(tǒng)降溫。常用的冷卻方式是由冷卻風(fēng)機(jī)通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)散熱。冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)散熱、保證容量等方面起著十分重要的作用，冷卻系統(tǒng)喪失將造成功率柜溫度異常升高，限制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器強(qiáng)勵(lì)能力，影響到勵(lì)磁系統(tǒng)的出力和機(jī)組的正常運(yùn)行，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)停止工作時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)需可靠發(fā)出報(bào)警信號(hào)[3-9]。

下面分析了一起功率整流柜風(fēng)機(jī)停運(yùn)事件的原因，闡述了勵(lì)磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)回路存在的問(wèn)題，并針對(duì)此問(wèn)題提出了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施，有效杜絕因勵(lì)磁系統(tǒng)故障引起的機(jī)組非停，供相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參考。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)回路基本配置

勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅整流橋采用四橋并聯(lián)運(yùn)行方式，共同提供主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電源。每套勵(lì)磁系統(tǒng)配置2臺(tái)功率整流柜，每臺(tái)整流柜配置2個(gè)完全獨(dú)立的整流橋，采用鋁散熱器、配風(fēng)機(jī)冷卻，同時(shí)具備溫顯測(cè)溫功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柜內(nèi)溫度，確?？煽毓枵鞴耧L(fēng)溫維持在正常工作范圍內(nèi)。如果功率柜發(fā)生故障，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器報(bào)“硅柜限制”，并執(zhí)行限制程序，軟件邏輯如圖1所示。當(dāng)任意1個(gè)整流橋退出運(yùn)行后，剩余支路仍能滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)所有運(yùn)行工況要求(包括強(qiáng)勵(lì))；當(dāng)退出2個(gè)整流橋后，仍能夠保證1.1倍額定出力。

圖1 硅柜限制邏輯

散熱風(fēng)機(jī)采用兩路獨(dú)立的不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)供電，回路接線如圖2所示，風(fēng)機(jī)I路電源帶1，3號(hào)整流橋風(fēng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)II路電源帶2，4號(hào)整流橋風(fēng)機(jī)運(yùn)行，每組整流橋均配置2臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)4組整流橋并列運(yùn)行，8臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)均投入運(yùn)行。其中風(fēng)機(jī)II路電源與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的舉刷電源共用一路UPS電源。

圖2 整流柜風(fēng)機(jī)電源回路接線

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)選用疊加直流電壓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，探測(cè)回路裝有用來(lái)探測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路絕緣的碳刷，碳刷安裝在大軸和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組(直流側(cè))之間，由交流220 V轉(zhuǎn)換成交流120 V電源控制的電磁線圈驅(qū)動(dòng)舉刷進(jìn)行探測(cè)。裝置具有定時(shí)舉刷功能，可通過(guò)整定舉刷周期和舉刷時(shí)間定時(shí)輸出一副舉刷接點(diǎn)，從而接通探測(cè)回路，監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作僅發(fā)信號(hào)，而不動(dòng)作跳閘。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

2020-12-17，主控室觸發(fā)2GEX007AA (勵(lì)磁告警)，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置報(bào)“綜合告警板3開(kāi)入7 (工作電源掉電)”、報(bào)警指示器報(bào)“勵(lì)磁告警”、上游UPS供電電源2LNQ211JS (風(fēng)機(jī)II路電源)紅色指示燈熄滅、勵(lì)磁系統(tǒng)2，4號(hào)功率單元風(fēng)扇運(yùn)行指示消失，由于喪失冷卻風(fēng)扇，2，4號(hào)功率單元溫度20 min內(nèi)上升30 ℃，最高至84 ℃，由于溫度過(guò)高觸發(fā)“硅柜限制”。

2.2 故障處理

為避免功率單元故障引起功率瞬態(tài)甚至停機(jī)，運(yùn)維人員立即采取緊急措施：打開(kāi)勵(lì)磁功率柜前后柜門(mén)散熱、降低繼保間空調(diào)溫度，同時(shí)降低機(jī)組無(wú)功出力并切除2號(hào)和4號(hào)功率單元脈沖信號(hào)。之后2，4號(hào)功率單元溫度逐漸下降。后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)上游熔斷器2LNQ211JS熔絲熔斷，對(duì)其進(jìn)行了更換，在確認(rèn)負(fù)荷無(wú)異常后重新投運(yùn)開(kāi)關(guān)，勵(lì)磁系統(tǒng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 原因分析

2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)于2020年10月完成技術(shù)改造，根據(jù)原設(shè)備廠家設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)接地探測(cè)舉刷回路配置的變壓器為500 VA，熔絲額定電流為16 A。為更好地為下游負(fù)荷提供保護(hù)，設(shè)計(jì)院在改造設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)2LNQ211JS下游負(fù)荷(500 VA變壓器、4臺(tái)64 W風(fēng)機(jī))將其熔絲選定為6 A，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和運(yùn)行考驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常。但此次熔絲在下游負(fù)荷未發(fā)生異常的情況下熔斷，可能有兩個(gè)原因：一是熔絲質(zhì)量缺陷；二是熔絲額定電流選取得過(guò)于貼近負(fù)荷額定電流。

2LNQ211JS為風(fēng)機(jī)II路電源/舉刷電源開(kāi)關(guān)，取自UPS電源，電壓等級(jí)220 V，負(fù)載有勵(lì)磁功率單元4臺(tái)64 W風(fēng)扇和1個(gè)接地探測(cè)舉刷電磁鐵，電磁鐵每24 h舉刷一次，持續(xù)30 s，4臺(tái)風(fēng)扇長(zhǎng)期運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)舉刷時(shí)，變壓器原邊最大電流約為7.7 A，加上風(fēng)機(jī)電流1.2 A，超過(guò)熔絲額定電流。因此故障原因判斷為：由于2LNQ211JS熔斷器選型6 A，每天舉刷時(shí)的30 s該熔斷器會(huì)短時(shí)過(guò)載，長(zhǎng)期積累效應(yīng)造成熔斷器老化熔斷。

2.4 解決方法

鑒于負(fù)荷有很大改變，按照500 VA選擇的6 A額定電流熔斷器已不再適用于7.7+1.2=8.9 A的實(shí)際約2 kVA負(fù)荷(1.2 A風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷和7.7 A舉刷短時(shí)斷續(xù)負(fù)荷)。根據(jù)熔斷器配置標(biāo)準(zhǔn)，熔斷器一般不小于1.5倍負(fù)載額定電流，2LNQ211JS應(yīng)選13.5 A以上熔斷器，現(xiàn)場(chǎng)緊急改用16 A額定電流的熔斷器以滿(mǎn)足實(shí)際負(fù)荷電流的要求。

3 回路優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)上述發(fā)生的勵(lì)磁系統(tǒng)故障，為避免類(lèi)似情況的出現(xiàn)，需對(duì)風(fēng)機(jī)和舉刷回路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高其可靠性，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

3.1 風(fēng)機(jī)回路改進(jìn)

本勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅整流橋采用四橋并聯(lián)方式運(yùn)行，原設(shè)計(jì)為風(fēng)機(jī)I路電源帶1，3號(hào)整流橋風(fēng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)II路電源帶2，4號(hào)整流橋風(fēng)機(jī)運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)的弊端在于：當(dāng)某一路風(fēng)機(jī)電源喪失后，下游所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)整流橋中的風(fēng)機(jī)將全部停運(yùn)，導(dǎo)致相應(yīng)整流橋溫度迅速上升，當(dāng)超過(guò)溫度報(bào)警值后，將觸發(fā)“硅柜限制”，限制勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)能力。因此有必要合理使用外部引入的2路風(fēng)機(jī)電源，以保證失去一路電源時(shí)，還可通過(guò)另一路電源維持勵(lì)磁各個(gè)分支整流橋不超溫，保證風(fēng)機(jī)的可靠供電。

經(jīng)與廠家討論后決定優(yōu)化風(fēng)機(jī)回路，將每組整流橋的風(fēng)機(jī)改成用不同的電源供電，風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)的檢測(cè)電源交叉配置，保證即使喪失一路風(fēng)機(jī)電源，每組整流橋中仍有1臺(tái)風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行，使整流橋溫度不至于過(guò)高，且保證風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)信號(hào)能可靠送出。改進(jìn)后回路接線如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后整流柜風(fēng)機(jī)電源回路接線

3.2 舉刷回路改進(jìn)

(1) 舉刷變壓器選擇。實(shí)測(cè)舉刷動(dòng)作時(shí)500 VA變壓器數(shù)據(jù)：變壓器副邊電壓86.6 V、電流為19 A、原邊電壓214.6 V。

據(jù)此計(jì)算舉刷時(shí)容量：

根據(jù)干式變壓器的過(guò)載能力曲線在起始負(fù)載為0時(shí)，變壓器具有約2.1倍過(guò)載持續(xù)運(yùn)行15 min的能力。

為減小舉刷時(shí)變壓器過(guò)載量，調(diào)整變壓器設(shè)計(jì)容量為1 000 VA，變比維持220 V/120 V不變。

(2) 舉刷時(shí)間設(shè)置。根據(jù)實(shí)測(cè)舉刷時(shí)副邊電流19 A，數(shù)值較大，需要綜合考慮變壓器容量、舉刷電磁鐵工作能力、電纜載流量等情況設(shè)定舉刷時(shí)間。舉刷設(shè)定維持不變，仍設(shè)置為每24 h舉刷30 s。

(3) 舉刷電源空開(kāi)選擇?？臻_(kāi)位于變壓器原邊，計(jì)算舉刷時(shí)原邊電流：

選配空開(kāi)額定電流比較6 A，10 A兩個(gè)方案：對(duì)于6 A空開(kāi)，根據(jù)脫扣曲線，流過(guò)7.7 A電流時(shí)脫扣時(shí)間約為200 s；對(duì)于10 A空開(kāi)，不會(huì)脫扣。經(jīng)過(guò)比較，選擇10 A空開(kāi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

功率整流柜的冷卻風(fēng)機(jī)是保障勵(lì)磁系統(tǒng)散熱、保證容量等方面的重要設(shè)備。以上介紹了某核電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的基本配置和工作原理，并結(jié)合一起功率整流柜風(fēng)機(jī)停運(yùn)事件的原因分析和故障處理，闡述了勵(lì)磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)回路存在的問(wèn)題，并針對(duì)性地提出了合理的優(yōu)化改進(jìn)措施，有效避免機(jī)組非停，為防范發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)類(lèi)似故障提供了借鑒。