800kW應急柴油發電機組整流裝置濾波器高溫故障分析

李銀　李加剛　彭軍　唐遠輝　汪可　鄭建軍

【摘 要】較詳實的介紹了應急柴油發電機組在核電廠的重要作用以及關于應急電源失靈的事故。應急柴油發電機為反應堆安全穩定運行提供了基礎，但是在某反應堆應急柴油發電機與整流裝置聯調期間發生了濾波器高溫故障。從故障問題的出現、電氣原理圖分析、設計整改方案、試驗方案論證等方面詳細闡述了事故處理過程，為以后應急柴油發電機組的運行維修提供了可行性建議。

【關鍵詞】柴油發電機組;高溫故障;核電廠

中圖分類號： TM623文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.057

0 前言

核電是全世界都公認的清潔能源，其安全性、經濟性、環保性已經得到全世界的認可。而應急柴油發電機組是核電廠電力系統的備用電源，作為全廠應急安全電源與核安全直接相關，目的是為了在核電站的廠用工作電源和輔助電源都發生故障時，確保機組安全停堆和防止關鍵設備損壞。由此可見應急柴油發電機在保護反應堆安全中起到至關重要的作用。

1 歷史上的核電事故

1986年4月26日，切爾諾貝利核電站重大核泄漏污染的主要原因是應急柴油發電機組沒有發動起來，核反應堆沒有來得及及時關閉，造成核堆燒損泄露。切爾諾貝利核電站至今還是讓人毛骨悚然的地方，僅僅用大量的水泥蓋在下面，對生態環境造成了巨大的破壞。

2011年3月12，日本福島發生核泄漏事故，主要原因是地震、海嘯嚴重破壞了核電廠交、直流電以及應急柴油發電機，從而導致反應堆儀控系統以及廠內外的通訊系統失靈。主控室沒有操控手段，沒有電廠狀態顯示，在未知位置發生氫氣爆炸，發生核泄漏。

應急電源不能按照設計程序正常啟動，那么反應堆就變成了不可控的危險品，一旦反應堆內部核反應劇烈，溫度和壓力持續上升，反應堆就變成了一個炸彈，隨時都有炸毀核島的可能。應急柴油發電機組的可靠性關系到整個核電廠的安全性。

2 某反應堆應急柴油發電機組功能介紹

2.1 交流柴油發電機組

交流柴油發電機組屬于某反應堆的應急電力系統部分，由兩組柴油發電機組組成。其功能包括用于失去外電的情況下為允許短時供電中斷的負荷供電，同時作為不允許供電中斷負荷的后備電源;柴油發電機組能在反應堆故障或失效時向電站其他必需設備和輔機供電，并同時給全部蓄電池組進行充電;柴油發電機組可在120s內自動啟動運行，也可以手動啟動運行。

2.2 整流裝置

如圖1所示，整流裝置將交流電（AC）轉換成直流電（DC）的裝置。整流裝置置于整流電路中，整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉換成單向脈動性直流電。整流電路通常由主電路、整流二極管、濾波器組成，經過整流后的電流不再是交流電，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，需要經過濾波器濾除諧波后得到較為純凈的直流電。

圖1 橋式整流電路圖

圖2 某反應堆交流柴油發電機整流裝置系統框圖

2.3 濾波器

濾波器的是對信號有處理作用的器件，就是在電路允許一部分頻率的信號（基波）順利通過，而另外一部分頻率的信號（諧波）則受到很大的抑制，實質上是一個選頻電路。

2.4 整流電路系統框圖（見上圖2）

3 應急柴油發電機組濾波器高溫故障描述

某反應堆1號800kW柴油發電機整流裝置在配合進行1號柴油機組單機連續運行考核試驗過程中，出現了濾波器過熱損壞現象。具體故障情況如下：

2018年4月21日，1號柴油機組進行連續運行考核試驗，整流裝置配合試驗，裝置輸出DC1000V，帶800kW阻性負載。從21日上午9：30開始運行到下午13：10（共3h40min），整流裝置保護停機、并分斷柴油機輸出開關。

檢查后發現，整流裝置內部濾波器元件（設備廠家為常州市多極電磁環境技術有限公司）出現鼓包，元件表面噴有少量黑粉。在無測溫儀器的情況下，用手試探元件溫度，表面燙手，溫度較高。

4 濾波器高溫故障分析

4.1 濾波器電路圖

某反應堆濾波器的電路圖如圖3所示，為整流過后的直流電濾除掉多余的諧波信號，提供給用戶更穩定的直流電。

諧波的危害有：會使變壓器、電纜和其它電力元件產生附加熱損耗;造成控制、保護和測量系統的功能異常等。

圖3 濾波器電路圖

4.2 空載試驗

2018年4月23日，測量1號柴油發電機整流裝置對地絕緣電阻為500MΩ（正常）。在確認柴油發電機組各設備供電正常后，啟動柴油發電機組以及整流裝置輸出為DC1000V，空載試驗了兩次，一次15分鐘一次20分鐘，設備運作正常，輸出正常。

4.3 故障位置判定試驗

經過分析，我們計劃將2號整流裝置的濾波器拆卸到1號整流裝置的濾波器后面，以此來驗證是否是濾波器的原因造成了故障。

組裝完成后，啟動柴油發電機組以及整流裝置輸出為DC1000V，帶800kW阻性負載。運行了兩個小時（16：50～18：50）并使用點溫槍觀察1號濾波器溫度變化，發現濾波器在柴油發電機運行過程中溫度最高達到60.2℃，其附近設備（導線、銅排）最高溫度為51.0℃。溫差相差較大，由此可初步得出過熱的設備元件是濾波器。

2018年4月24日，觀察1號濾波器內部后發現，設備散發著糊臭味，部分電容破損并噴出了黑粉，包裹著銅排的油性漆綢布已經被烤黑。由此得出，1號濾波器存在高溫受損。

1號濾波器觀察結束后，打開2號濾波器外蓋，放置好熱成像儀以便觀察濾波器內部溫度變化情況，啟動柴油發電機組以及整流裝置輸出為DC1000V，帶500kW負載。

運行一段時間，從熱成像儀中發現，濾波器中L1電感線圈溫度達到了107℃，同時L2線圈、電容、電阻等元件溫度均不超過20℃。

4.4 試驗結果分析

濾波器的損壞或者失效的原因有：電感因為電源電壓超過額定電壓20%而飽和失效，也可能造成電容的擊穿;長期使用，電容處在不斷的充放電過程中，電容達到充放電次數而失效。濾波器使用次數少，所以是電感飽和或者電容擊穿失效，實驗過程中電容溫度正常，所以電容沒有擊穿，因此是由于電感飽和導致濾波器失效。

柴油發電機組與整流裝置進行的工程聯調階段試驗中，整流裝置的輸入端是由柴油發電機組進行供電。在整流裝置廠家生產調試期間，對濾波器的輸入電路也加入了諧波干擾試驗，如圖4所示，柴油發電機產生的諧波大于廠家調試的諧波，形成的共模電流也會隨著增大。

圖4 諧波對比圖

超過了濾波器電感設計的額定電壓20%，從而導致電感線圈達到飽和狀態，繼續通電的情況下電感持續發熱，溫度升高。帶動了濾波器元件的溫度升高，最終導致電感前后的X、Y電容過熱損壞。

5 整改方案

5.1 電路設計

電感因為過電壓而飽和失效，說明電感選取參數過小，因此選用了更適合大電流場合的差模電感，原有的共模電感L1換為兩個差模電感L1、L3，電感量為1μH。前端電感兩極電容均改為Y電容，電容量9μH。

圖5 方案設計電路圖

5.2 現場施工

（1）將濾波器中受損的元器件拆除取下，同時對有可能存在缺陷的元件也進行電氣檢查，無法正常使用的元件也進行拆除，避免影響后續設備使用。處理雜物，保持設備清潔。

（2）根據新設計的參數要求選擇相應元件，并將元件安裝在了濾波器上，安裝完成后將濾波器裝于整流裝置上，檢查設備元件安裝已牢固。

（3）對新設計的整流裝置進行基本電氣線路檢查，線路正常。

6 試驗驗證

設備依照設計方案安裝完備，通過如下試驗：

（1）通電試驗：檢測整個整流電路是否是通路。經檢測線路連接良好，通電正常。

（2）點動試機：將柴油機控制屏AC380V供電線路接入到1號整流裝置輸入端，點動測試裝置能否承受高電壓。經測試，點動正常，裝置無異常。

（3）空載試驗：不接負載，柴油發電機組連接整流裝置空載運行15min。整流裝置運行正常。

（4）帶載試驗：帶800kW阻性負載運行4h。柴油機、整流裝置、濾波器運行正常。

因此，整改方案合理有效，解決了濾波器過電壓飽和的問題。

7 結論

通過對本次柴油發電機組與整流裝置聯調試驗出現的濾波器高溫故障的處理，得出了如下：第一，應急柴油發電機組對于反應堆的安全穩定運行起著至關重要的作用;第二，設備聯調試驗相比單機運行存在更多可能出現的問題。這次故障處理的成功，確保了調試按照原計劃完成，同時為以后的柴油發電機調試運行檢修提供了寶貴的經驗。

【參考文獻】

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].機械工業出版社，2000.