核電站應急電源切換超時原因分析

向紹斌

(廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538000)

0 引言

每個核電站都需要設置應急柴油發電機電源，柴油發電機屬于核安全設備，在核電站的安全運行中有著非常重要的地位，在廠外電源失去的情況下，柴油發電機為反應堆冷卻設備提供電源，保證反應堆安全停堆和余熱導出。每臺機組配置aa、bb兩列應急柴油機發電機，分別連接于AAA、BBB應急母線，分別為反應堆A、B兩列冷卻設備提供電源。每列應急柴油發電機在核電站運行期間處于熱備用狀態，通過定期試驗驗證柴油發電機可用[1]。

某核電站正常運行期間，每兩個月執行一次柴油發電機電源自動切換試驗，也稱06試驗，由主控室操作員按下AAA001KG選擇開關，aa柴油發電機自動啟動，待電壓、頻率建立之后發出啟動成功READY信號，自動斷開應急母線AAA001JA，經過1.5s延時后自動合上AAA002JA，AAA應急母線電壓恢復，AAA母線負載按照加載邏輯循序自動恢復供電，如圖1所示。根據《某核電廠機組安全相關系統和設備定期試驗監督要求》，試驗過程中應急母線AAA001JA斷開到AAA002JA合上的切換時間為1.5s±10%，AAA母線電壓恢復時間<13s[2]。

1 問題描述

2011年12月29日，aa柴油發電機按照計劃執行06試驗，試驗過程中柴油發電機正常啟動（READY信號正常發出），AAA001JA斷開后，經2.87s后AAA002JA合閘，開關切換時間不滿足試驗程序1.5s±10%的要求，但是AAA應急母線電壓恢復時間<13s，滿足監督大綱和試驗程序的要求。

圖1 應急母線一次接線圖Fig.1 Emergency bus wiring diagram at a time

2 原因分析

2.1 AAA001/002JA開關切換邏輯分析

柴油發電機06試驗過程中AAA001/002JA開關的切換邏輯，如圖2所示。正常情況下，READY信號觸發后001JA瞬時斷開，所以圖2中READY信號觸發后的延時0.9s應包含在001JA斷開后延時1.5s的時間中，從001JA斷開到002JA合閘時間一般為1.5s±10%。

圖2 柴油機06試驗中AAA001/002JA開關切換邏輯Fig.2 Diesel engine 6 trial AAA001/002 ja switch logic

此次aa柴油發電機06試驗過程中，柴油發電機啟動成功并正常發出READY信號后，AAA001JA斷開到AAA002JA合上的1.5s過程中，READY信號出現了0.593s的短暫消失，如圖3所示。

圖3 柴油發電機啟動過程信號記錄圖Fig.3 Diesel generator start-up process signal pattern

READY信號的短暫消失，導致READY信號為1后的0.9s延時需重新計算，從而增加了AAA001JA向AAA002JA的切換時間，所有AAA001JA向AAA002JA切換時間為：1.195+0.593+0.9=2.69s，與DCS中記錄的2.87s接近(DCS存在約200ms固有延時），如圖4所示。

READY信號的觸發受柴油機轉速和發電機機端電壓信號的控制，當滿足轉速超過動作值1470rpm（98%額定轉速),并且發電機機端電壓大于6.27kV（95%額定電壓）后，READY信號就為1。

圖4 AAA001/002JA開關切換超時示意圖Fig.4 AAA001/002 ja Switch schematic overtime

2.2 READY信號消失0.593s原因分析

查看aa柴油發電機電壓建立波形曲線，如圖5所示。雖然發現機機端電壓在AAA001JA開關斷開后1.195s后波谷下降至6.2kV（小于READY動作值6.27kV），0.593s后又調節至6.27kV以上，但是整個電壓調節過程是收斂的，沒有發散，第二個電壓下降波谷已經接近于6.6kV，曲線平滑，電壓建立時間也正常，表明aa柴油發電機勵磁調節器AVR器工作正常，電壓建立過程正常。并且滿足《同步電機勵磁系統GB T 7409》國標要求，端電壓超調量不超過額定值的15%，電壓擺動次數不超過3次，調節時間不超過10s。

當同步發電機突然零起升壓時，自動電壓調節器應保證其端電壓超調量不得超過額定值的15%，電壓擺動次數不超過3次，調節時間不應超過10s[3]。

由于AVR自身電壓調節特性所致，aa柴油發電機在啟動建立電壓階段，電壓回調下降后第一個波谷值一般在6.3kV～6.4kV之間，也偶而會略低于6.27kV，同時統計了該電站其他柴油發電機電壓回調后的第一個波谷值一般在6.3kV～ 6.5kV之間，表明AVR調節正常，實際上從多次柴油發電機啟動電壓建立曲線統計，僅僅只有2次電壓波谷值略低于6.27kV。

圖5 aa柴油機啟動和加載過程電壓波形Fig.5 aa Diesel engine start process and load voltage waveform

圖6 DCS中READY信號返回值設定Fig.6 In DCS READY Signal the return value is set

2.3 原因分析

根據以上記錄和分析，此次aa柴油發電機06試驗中AAA001/002JA開關切換超時的原因為：柴油發電機在正常的電壓建立調節過程中，電壓回調后的第一個波谷值6.2kV略低于READY信號的電壓動作值6.27kV，而柴油發電機DCS邏輯中READY信號的電壓動作值與返回值均為6.27kV（沒有設置一定的回差），導致READY信號短暫消失0.593s，READY信號為1之后的0.9s延時重新計時，從而導致AAA001/002JA開關切換超時。

3 處理方案

針對原因分析，經過電站技術部門分析和討論后制定了以下兩個處理方案：

方案1：進一步優化aa柴油發電機勵磁調節器AVR參數，使柴油發電機在建壓過程中電壓回調的波谷值不低于6.27kV，READY信號不消失。

方案2：適當降低READY信號電壓返回值，即與動作值之間設置一定的回差，該返回值略小于柴油發電機電壓回調的波谷值，使READY信號不消失。

3.1 方案1可行性分析

針對方案1，多次與廠家人員溝通交流，廠家人員到現場檢查了相關波形和AVR參數后，認為AVR運行良好，電壓建立過程正常。柴油發電機建壓受多種因素影響，其中受轉速影響較為明顯。在保證柴油機啟動時間的要求下，目前AVR的參數是在考慮多種啟動壓力方式下的優化結果，沒有進一步優化的空間和必要性，而且優化參數后，需要經過多次柴油發電機的啟動調試試驗，可能會引入新的風險，如柴油發電機過電壓，啟動時間不合格等，風險不可控。

進一步查看《同步電機勵磁系統GB T 7409》國標要求，當同步發電機突然零起升壓時，自動電壓調節器應保證端電壓超調量不得超過額定值的15%，電壓擺動次數不超過3次，調節時間不應超過10s。對比LHP柴油發電機建壓曲線，完全滿足國標要求。

綜合以上信息，方案1可能很難達到更優的效果，因此不建議采用方案1。

3.2 方案2可行性分析

3.2.1 READY返回值的設定

如果采用方案2，需要解決一個問題：READY返回值設定為多少比較合適？

對比國內核電站柴油發電機，電壓READY信號有通過靜態型繼電器實現的，也有通過DCS邏輯實現的，但無論是通過繼電器還是DCS實現的，電壓READY信號動作值與返回值之間均有一定的回差，繼電器的返回系數（返回值/動作值）為0.98~0.99（繼電器的固有特性，不能調整，只能通過更換繼電器型號實現），其他電站DCS中設置的電壓READY返回系數為0.97~0.98。

查找法國EDF反饋的技術標準要求，并沒有對柴油機電壓READY信號的返回值設定給出標準和依據，只是要求柴油發電機在加載時電壓不低于4.95kV，加載后2s后恢復到5.94kV，帶載后的穩態電壓為6.2kV~7.0kV。

廠家人員也表示READY信號不涉及到柴油發電機安全功能，只是表示柴油發電機啟動正常，允許帶載，同時作為啟動時間的停止信號。READY信號消失問題可以通過設置一定的回差來避免，并建議將電壓READY返回值設為5.5kV。

圖7 突加負載電壓下降曲線Fig.7 Sudden load voltage decline curve

圖8 機端電壓和負載電壓仿真波形Fig.8 Voltage of the machine and the load voltage simulation waveform

進一步收集該電站所有柴油發電機不同時期、不同工況下啟動的電壓建立波形曲線，發現因啟動條件不同，轉速變化特性的略有不同，不同柴油發電機AVR之間的細微差異，電壓峰、谷值略有不同，電壓回調值一般穩定在6.3kV~6.5kV之間。

以上綜合考慮，考慮到不同柴油發電機之間的細微差異，同時考慮一定的裕度，偏保守將READY信號的電壓返回值改為6.0kV，返回系數為6.0/6.27=0.96。

3.2.2 修改READY返回值的操作性研究

由于READY通過DCS設定，經過與廠家人員討論研究，設置READY返回值，只需要在READY邏輯中增加即可，簡單易行，而且不影響柴油發電機的其他控制邏輯，如圖6所示。

3.2.3 READY返回值設為6.0 kV的風險分析

如果修改READY信號返回值為6.0kV，考慮最嚴重情況：柴油發電機機端電壓下降波谷值接近6.0kV時，柴油機帶載第一批負荷為1.4MW，此時應急母線LHA的電壓會降低到多少？是否滿足監督大綱和試驗程序的要求？

根據柴油發電機出廠試驗報告中突加負載過程中的壓降試驗，按功率因數0.8計算，在額定電壓時突加負載1，4MW時，電壓下降至6.27kV，下降幅度為5%Un，如圖7所示。類推到6.0kV時加載，應急母線電壓最低下降至6.0-6.0×5.0%=5.7kV，類推至5.5kV時加載，應急母線最低下降5.5-5.5×5.0%=5.2kV。

根據中國電科院的仿真計算分析表明[4]，在柴油機發電機電壓建立調節過程中，當電壓回調至6.0kV時突加負載1.5MW（大于柴油機按序加載的最大負載），按照恒阻抗、恒功率和感應電機負載3種方式考慮，最嚴重情況，機端電壓最低降至5.49kV；當電壓回調至5.5kV時突加負載1.5MW，機端電壓最低降至5.06kV，遠大于監督大綱中4.95kV的要求，如圖8所示。

綜合以上分析，修改READY返回值為6.0kV,不會影響到各種工況下的柴油發電機的應急性能和帶載能力，而且簡單易操作。因此，采用方案2來解決LHP柴油發電機自動切換試驗中AAA001/002JA開關切換超時的問題。

4 結束語

aa柴油發電機在大修中將READY信號電壓返回值修改為6.0kV，為了統一，其他柴油發電機的READY信號電壓返回值也修改為6.0kV，并經過多次的柴油發電機啟動試驗驗證，應急母線開關AAA001/002JA的切換時間均滿足1.5s±10%。理論上分析：通過優化AVR參數，可以略微改變柴油發電機建壓過程中的峰谷值，來滿足電壓READY信號的觸發條件，但由于目前AVR的參數進一步優化的空間已經很小，而且修改參數后，可能會引入新的風險，如過電壓，啟動時間不合格等。因此，通過修改READY信號電壓返回值為6.0kV，既不會影響到各種工況下的柴油發電機的應急性能和帶載能力，也有效的解決了柴油發電機自動切換試驗中001/002JA開關切換超時的問題。

[1]某核電廠6.6kV交流應急電源系統手冊[Z].2013,3.

[2]某核電廠安全相關系統和設備定期試驗監督要求[Z].2013,3.

[3]同步電機勵磁系統GB T 7409[Z].中華人民共和國國家標準,1997.

[4]何鳳軍.柴油發電機組帶載電壓仿真分析[J].中國電力科學研究院,2013,1.