大型電機試驗站核能發電技術改造工程

熊 勁 楊 柳

（東方電機有限公司裝備部 四川德陽）

一、概述

近年來，隨著科學技術的快速發展和人類環保意識的增強，低碳排放的綠色能源進入了新的發展時期，核能發電將成為電力系統的主力。投身于核能發電設備制造先進行列，是東方電機的重要發展戰略。目前公司正在制造的核能發電機的主力機型容量為1000 MW、1750 MW等級。發電機的型式試驗是電機研發制造過程中必不可少的一個重要環節，公司原有的大電機試驗站已運行多年，且原設計是以600 MW汽輪發電機型式試驗為基本條件，已不能滿足1750 MW核能發電機試驗要求，因此，公司決定對大電機試驗站進行技術改造。

大電機試驗站改造的基本原則是充分考慮試驗系統的可靠性、先進性、實用性、經濟性，基本要求是該試驗站進行核能發電技術數字化改造后，可承擔1750 MW核能發電機及其他大型電機的型式試驗任務，提高試驗站的自動化程度及試驗參數測試精度，并成為同行業中具有領先水平的大電機試驗站。

二、試驗站改造的基本目標

試驗站改造以《大型試驗站核電技術改造技術要求》為基本要求，主要涉及電源系統、控制系統、測量系統、顯示系統、密封油系統、冷卻水系統等幾個方面，改造后的試驗站可達到同行業先進水平，達到以下四項基本目標。

（1）滿足1750 MW核能發電機、1400 MW（50 Hz）超超臨界發電機、1000 MW（60 Hz）發電機廠內型式試驗。

（2）提升變頻電源容量，滿足汽發試驗區獨立進行型式試驗要求。

（3）采用計算機操控系統對試驗站所有設備進行操控、監測，提供靈活方便的智能控制，為測試系統創造最佳的運行環境，確保試驗站安全可靠運行。

（4）采用計算機及智能數字儀表對被試產品的各項參數進行測試，其中穩態數據通過高精度數字功率分析儀進行采集處理，瞬態數據用高速數字錄波器并行同步采集處理。采集的數據經過高速工業以太網傳輸至數據服務器，并由計算機測試系統自動分析、計算、曲線擬合，生成試驗報告并打印輸出。

三、部分核心系統的基本參數和性能

1.大功率直流傳動系統

本系統采用SIEMENS公司全數字直流調速裝置為控制核心，其性能優異，質量可靠，通信接口（串口、Profibus-DP、Simolink等）豐富，在國內各行業得到了廣泛的應用。

直流調速裝置本身帶有參數設定單元，不需要其他的任何附加設備即可完成參數的整定。所有的控制、調節、監視及附加功能都由微處理器來實現；給定值和反饋值可選擇為數字量或模擬量，外部信號的連接（開關量、模擬量的輸入/輸出，脈沖編碼器等）通過插接端子排實現。直流調速裝置控制精度高、抗干擾性好、運行可靠、不受元器件老化和溫度漂移的影響，能長期保持穩定的控制精度。它有很強的自診斷處理功能，工作時可同步觀察、測定征兆性的參數，判定產生故障的部位和原因，預測預報硬件和軟件劣化趨勢，同期顯示故障代碼和故障值，邏輯清晰，分類清楚，便于及時處理故障，使用、調試、維護方便。

直流調速裝置在控制中由DSP計算送出的寬脈沖信號，經光電隔離后，傳送至脈沖放大板，輸出形成高頻脈沖系列，該脈沖系列經過脈沖變壓器隔離后，送到晶閘管控制極：K極、G極。脈沖變壓器鐵心采用高磁密材料，輸出脈沖無延時和無振蕩現象。輸出脈沖波形穩定，當晶閘管換相時，提供一定數值的反向電壓，使晶閘管能可靠關斷，抗干擾能力強。直流調速裝置的功率單元采用ABB公司的晶閘管，采用三相全控橋四象限整流方式。以ABB公司的5STP38N4000型為例，其額定電流為3960 A，電壓為4000 V，管芯直徑為100 mm的晶閘管，可以組成單柜額定電壓1200 V，電流3500 A，短時過載允許電流達7000 A的大功率晶閘管直流調速裝置。

本次改造，大功率直流傳動系統共有四套大功率晶閘管直流調速裝置。每兩套直流調速裝置構成12脈波并聯方式，向三電機組的直流電機供電。兩個直流電機采用主從工作模式，一套為主機，另一套為從機。整個系統以24脈波四象限工作，減小了諧波的成分。

2.功率柜結構

功率柜設計與布置結構合理，可使晶閘管達到最大有效通風與散熱，保證晶閘管的最大出力的同時，也保證了晶閘管的安全穩定運行。功率柜把晶閘管的熱管散熱器組件、連接銅排、快熔、RC阻容吸收回路、功率柜的電子電路板、風道等有機地組合在一起，構成直流傳動的基本裝置。

3.高壓開關柜

（1）基本參數。額定運行電壓10 kV；額定電流1600 A；額定頻率50 Hz、60 Hz；額定短路開斷電流31.5 kA；額定峰值耐受電流≥25 kA；熱穩定電流20 kA；1 min工頻耐壓對地、相間42 kV；隔離斷口：48 kV；雷電沖擊耐壓對地、相間75 kV；隔離斷口85 kV；額定短時持續時間4 s；外殼防護等級IP2X。

（2）柜體。柜體采用封閉開關柜型式。柜體骨架由角鋼焊接而成。柜體的安裝和維護可在前面和背面進行。整個柜體由接地的金屬隔板分隔成4個功能小室，即母線室、低壓室、斷路器室和電纜室，各功能小室有獨立的壓力釋放通道和釋放門。每個功能小室裝有門，門上有鎖和鉸鏈，柜門的開啟角度≥90°，且帶有等地位連接線（接地線）。

柜面必須用≥2 mm的雙面敷鋁鋅板，能承受設備工作時的沖擊或運輸和安裝時的沖撞。柜面采用靜電噴塑固化處理，無油污、耐酸、防銹、美觀。

4.低壓開關柜

（1）基本參數。額定電壓0.4 kV、0.6 kV；額定絕緣電壓660 V、1000 V；工作頻率 50 Hz、60 Hz；主母線額定短時耐受電流50 kA/s；主母線額定峰值耐受電流105 kA；工頻絕緣每米500 V；外殼防護等級IP30。

（2）SV（懸掛式結構）電氣技術在電機試驗站的應用。電機試驗站具有母線系統容量大、設備分散、轉換復雜、組合形式多等特點，因此采用傳統的低壓開關柜組屏方式有如下的不足：①由于母線采用打孔連接，導致母線載流量減少，母線容量需降容處理；②銅排尺寸大，排列不整齊，不便于布置；③屏柜中母線全裸露，安全性能大大降低，給操作和檢修帶來極大的不利；④各個廠家開關外形和安裝尺寸不一，一旦選定便難以替代，更不便于擴展。

鑒于上述狀況，目前國外廣泛使用懸掛式結構形式，實現免打孔連接和密封安裝。該結構有3種特殊母線：Mini-PLS，PLS，Maxi-PLS，載流量從250～3200 A不等（70℃時），這使柜體結構緊湊而安全，組裝快速而完善，載流容量大而散熱好，組屏方式靈活多樣等特點，本次改造采用了特別適用于試驗站的低壓交流開關柜和直流開關柜，其優勢體現在：①安全，母線系統采用全密閉方式，屏柜內無裸露銅排，安全性能大大提高。②可靠，采用免打孔連接，整個母線系統容量得到充分保證；分支連接母線直接壓接至主母排，降低了接觸電阻，減少了連接部分的發熱量。③易擴展，屏柜內電氣元件采用模數化密集安裝方式，既減少了安裝空間，又便于適應功能的增加和規模的擴充。④易維護，由于采用了適合多廠家開關器件的元件適配器安裝形式，各種電氣元件不是直接從母線上取電，而是安裝至元件適配器上，因此維修更換十分方便。

5.全數字柔性操作臺

改造前的試驗站限于當時的技術發展條件和生產狀況，其試驗系統多采用傳統的分立式、單臺疊放、人工指揮、人工操作并記錄讀數方式，目前已遠遠不能滿足當代電機試驗高精度、高穩定性、高速掃描或巡回監測大量的測點數據并實時處理或后期處理、計算機網絡控制多臺微機可在不同地點監控試驗過程參數變化情況等要求。

伴隨著電子電器技術以及計算機技術日新月異發展，以電器元件為基礎的傳統模擬操作臺系統已顯得相當落后了，取而代之的是以計算機技術為基礎的全數字柔性操作臺系統。

全數字柔性操作臺計算機測控系統實施方案和傳統試驗站有一個較大差異就是針對試驗站測量控制點多而分散、距離遠、工況復雜、信號切換頻繁、易受干擾等狀況，采用PC+PLC+智能儀器+現場總線構成測控系統，即中央計算機集中處理操作、PLC分散獨立控制、智能儀器高速并行采樣、現場總線實時傳輸數據，將高、低壓供配電系統、交直流傳輸系統、電源拖動系統、勵磁系統、輔助電氣系統以及油水系統等聯動起來，并將所有傳輸過程中存在長途衰減和干擾的模擬信號隔離轉換成數字信號傳送到測控系統，實時監視試驗的進行狀況，并實現試驗數據的完全共享和分析處理，形成完整的試驗圖表和報告。

四、結語

本次大型電機試驗站核能發電技術改造工程竣工后，公司在大型發電機、核能發電機試驗能力方面將達到同行業先進水平。其試驗能力將涵蓋1750MW核能發電機，1400MW超超臨界發電機、1000MW（60Hz）發電機的廠內型式試驗。通過對測控系統進行的數字化改造，將使大型電機試驗站全面實現全數字柔性操作臺測控系統，實現了監視、控制、測試全計算機化。試驗設備以及被試產品的安全、產品的測試精度都將達到一個全新的高度。