核電廠應急柴油發電機組1E級勵磁系統設計探究

黃鵬 周園 張峰

摘 要：核電廠應急柴油發電機組可在核電廠失去廠外電源的情況下，提供充足、可靠的電力。在設計基準事件出現以后，應急柴油發電機組也可以在保證核反應堆安全停堆的基礎上，減輕事故后果。現階段核電站應急交流電源系統為1E級系統。該文對核電廠應急柴油發電機組勵磁系統的設計總體要求與具體設計措施進行了探究。

關鍵詞：核電廠 應急柴油發電機 勵磁系統

中圖分類號：TM623.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0094-02

核電應急柴油發電機組是核電站獨立運行與安全運行的保障因素。一般情況下，核電應急柴油發電機組主要由柴油機、發電機、機械輔助系統、電氣輔助系統、監測系統和控制和保護系統等多種系統構成。核電廠應急柴油發電機組可以有效地避免核反應堆反射性物質泄漏及環境污染等重大安全事故的出現。隨著新能源技術的不斷發展，核電廠柴油發電機組勵磁系統設計問題也得到了人們的關注。對核電廠應急柴油發電機組勵磁系統進行研究，可以為核電廠的正常運轉提供保障。

1 核電廠應急柴油發電機組勵磁系統設計的總體要求

1.1 應急柴油發電機勵磁系統的性能要求

現階段核電廠每一個核反應堆都應用有2套獨立的應急柴油發電機組。機組中的關鍵控制系統和關鍵儀器儀表都備有2套以上[1]。核電廠應急柴油發電機組的冗余設計可以被看作是核反應堆的安全性的保障因素。根據核反應堆的實際情況，不同核電站柴油發電機組的技術要求存在一定差異，但是不同機組的事故工況運行參數與極限工況運行參數具有一致性。為保證應急柴油發電機組的實際應用效果，機組及與之相關的勵磁系統均要具有良好的起動性能。在接收到應急啟動信號以后，應急柴油發電機組需要在12s以內達到額定轉速與額定電壓。在自動啟動以后，應急柴油發電機組也需要按照既定帶載順序，自動帶上各個負荷組。在自動帶載結束以后，值班室值班人員可以根據機組的實際情況，手動接入一些非緊要的負載。在發電機組加載運行期間，勵磁系統負載短電壓需要達到額定電壓的80%以上，在階躍負載時間間隔的60%以內，母線電壓需要恢復到額定電壓的90%。

1.2 應急柴油發電機勵磁系統的設計要求與鑒定要求

現階段核電站應急交流電源系統為1E級系統。此種系統不僅需要滿足常規電氣穩態參數與瞬態性能參數，也需要滿足單一故障準則與獨立性準則。就勵磁系統的設計情況而言，勵磁系統設計過程需要注意以下內容：一是不同序列的安全級設備與電路之間的隔離要求；二是安全級設備、安全級設備電路、非安全級設備及非安全級設備線路之間的隔離要求。在勵磁系統設計過程中注重實體分隔與電氣隔離，可以為安全級電氣設備與電路的獨立性提供保障。勵磁系統的鑒定要求與運行老化鑒定試驗、抗震試驗等鑒定試驗有關，讓勵磁系統設備滿足1E級設備的鑒定要求，可以為該系統在實際應用環境下的安全功能提供保障。

1.3 三代核電技術下的新要求

隨著核電技術的不斷發展，三代核電技術下的新要求也開始得到了人們的關注。根據三代核電的新要求，全面故障模式開始應用于設備可利用率預估。設備可利用率的估算值可以被看作是核電站可用率的計算依據。電廠設計的經濟性的分析評估，有助于后續設備檢查與維護工作的開展。隨著數字技術的不斷發展，數字化控制設計系統也開始應用于應急柴油發電機組勵磁設計。數字化控制模塊的應用，有助于豐富勵磁系統的調節功能與保護功能，進而在對系統的可用性進行強化的基礎上，降低人為失誤發生率。在數字化技術應用以后，EMC試驗考核也成為了較為重要的考核方式。根據核反應堆的實際運行情況，EMC試驗主要包含有抗擾度試驗與發射試驗等內容[2]。

2 核電廠應急柴油發電機組1E級勵磁系統的設計措施

2.1 1E級勵磁系統的系統功能分析

1E級勵磁系統的系統功能可以分為1E級系統功能與非1E級系統功能。1E級系統功能可以為核反應堆在失去廠外電的工況下的停堆功能提供保障。電壓調節功能與程序帶載功能可以被看作是1E級系統功能的主要組成部分。非1E級功能為與核電廠安全停堆無關的功能，功率因數調節功能、無功調節功能與勵磁保護功能是非1E級功能的主要內容。

2.2 1E級勵磁系統的系統架構

勵磁系統的系統架構是核電廠應急柴油發電機組勵磁系統的使用功能與性能要求的重要影響因素。根據核電廠的應急柴油發電機組的實際情況，勵磁系統中需要包含有發電機無刷勵磁系統，繼電器控制系統及對外信號系統等內容。

2.3 1E級勵磁系統的整體設計方案

發電機勵磁系統為無刷勵磁，永磁機（PMG）為自動電壓調節器提供勵磁電源。自動電壓調節器通過采集發電機電壓互感器、電流互感器的電氣信號，控制輸出至發電機主勵磁機定子的勵磁電流。

2.4 自動電壓調節器的設計

自動電壓調節系統的應用，可以為勵磁系統設計的實效性提供保障。自動電壓調節器在應急工況下可以在勵磁系統中發揮電壓自動調節功能。自動電壓調節器所采用的控制方式以發電機端電壓閉環控制為主。此種控制方式可以借助PID調節，調整勵磁回路輸出的勵磁電流。閉環控制方案在勵磁系統設計中的應用，可以為核電廠應急運行是的電壓精度提供保障，閉環控制的精度誤差在±0.5%以內。根據核電站安全級設備電路的設計要求，在自動電壓調節器應用于勵磁系統設計以后，設計人員也需要在輔助調節器與自動電壓調節器之間安裝隔離器件。AVR板在勵磁調節中發揮著較為重要的作用。AVR板所產生的輸出信號可以為極端電壓的穩定性提供保障，與之相關的功率整流功能離不開二極管整流橋、IGBT驅動板等設備的共同作用。

3 結語

冗余系統設計是勵磁系統設計中的重要內容。雙通道冗余系統的應用，可以為不同通道之間的自動無擾動切換提供保障，也可以讓勵磁系統滿足隔離準則的要求。在勵磁系統設計方面，電壓調節、復合加載、同期并網與無功分配等功能在應急柴油發電系統中的作用也需要得到設計者的關注。勵磁系統系統結構的合理設計，可以為整個勵磁系統的可靠性提供保障。系統性能參數的優化，也有助于系統可用性的提升。數字技術在勵磁系統中的應用，也有助于勵磁系統自身性能的提升。

參考文獻

[1] 李彬，陳仕明，劉云峰.核電廠應急柴油發電機組某雙穩態繼電器失效分析及改進研究[J].內燃機與配件，2018（20）：210-212.

[2] 張憲超.應急柴油發電機組的運行方式探析[J].科技經濟導刊，2017（23）：65.