輔助給水系統發電機帶載啟動困難原因分析

劉爭光，馬永立

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

柴油機輔助給水系統發電機是核電廠在失去廠外電后的重要供電電源，一旦失去該電源將會直接影響輔助給水系統的相關功能。某核電廠的柴油機輔助給水系統發電機在帶載試驗的過程中，多次出現帶載困難現象，給核電廠的安全運行帶來一定風險。因此，找出發電機試驗不理想的原因對維護柴油機輔助給水系統起著舉足輕重的作用，對保證核電廠安全運行有積極意義。

1 柴油機輔助給水系統發電機帶載困難

柴油機輔助給水系統發電機出口接觸器的控制回路的電源取自柴油機輔助給水系統發電機的出口電壓，要想使該發電機可靠帶載，需要一定的條件:一方面控制回路要可靠配合使得發電機出口接觸器能夠吸合；另一方面發電機帶載的瞬間電壓降落要小，并能很快恢復。首先需要研究一下帶載啟動過程中發電機出口接觸器的工作原理。

1.1 發電機出口接觸器工作過程

發電機出口接觸器正常吸合的過程:當發電機出口電壓上升到時間繼電器01TK和02TK（01TK和02TK的線圈吸合電壓接近）的線圈吸合的電壓時，在發電機出口電壓未達到額定電壓380 V之前，02TK的線圈吸合，其斷電延時觸點02TK（4，5）瞬時閉合，當轉速聯鎖信號IK2為導通狀態時，01TK線圈得電，其延時閉合觸點01TK（25，26）延時T01TK閉合（圖1）。此時，02TK斷電延時觸點02TK（4，5）和01TK延時閉合觸點01TK（25，26）所在支路導通，接觸器01KM的線圈得電吸合（需要發電機出口電壓上升到01KM的線圈的工作電壓），在自保持回路的作用下和發電機出口電壓降落幅度滿足要求的情況下，01KM可以可靠吸合，這樣可以實現成功帶載。

1.2 發電機帶載困難原因分析

1.2.1 帶載試車過程中出現的現象

（1）在發電機帶上負荷后，時間繼電器02TK（9 s）和01TK（5 s）連續發生吸合和斷開現象，由于無法順利帶上需給柴油機本體冷卻用的風扇，導致現場試驗終止。因此懷疑，01TK和02TK的整定時間太短、發電機出口電壓還沒穩定。

（2）將02TK整定為12 s、01TK整定為8 s，再次啟動驗證。根據現場啟動及錄波情況，發現和前段時間的問題一樣，接觸器01KM在4 s左右即已開始動作，吸合約1 s，不成功（圖2）。將01TK拆下，用保伽瑪校驗，發現該時間繼電器在電壓約62 V時線圈得電燈已亮，本來延時8 s閉合的觸點已經導通。也就是說，在電壓遠小于220 V時，該時間繼電器起不到延時作用。

圖1發電機出口接觸器吸合的時序圖

圖2 發電機出口接觸器吸合不成功的時序圖

（3）01TK更換新的備件后，將01TK整定為8 s、02TK整定為12 s，再次啟動驗證。根據現場啟動及錄波情況，柴油機啟動時01KM未動作。根據現場視頻，在柴油機啟動后約3～5 s，01TK的線圈燈亮、然后燈熄滅。分析認為，機械給的轉速信號IK2是脈沖信號，持續時間＜5 s，導致01TK的線圈短時得電后又失電，使得延時閉合觸點無法動作，進而導致01KM的線圈不能吸合（圖3）。這也印證了前幾次啟機時，01KM不能反復吸合而只是在5 s左右就不再吸合的現象。

1.2.2 排查試驗失敗原因的方法

經過上述歷次試驗失敗，提出了如下來排查試驗失敗原因的方法。

（1）斷開22 kW風機電源開關02QF、2×4 kW風機03QF（這3臺風機為發電機的負載）。

（2）為控制回路提供220 V交流恒壓源，啟動錄波，待機組啟動成功后，用恒壓源使01KM吸合。

（3）手動合02QF，觀察22 kW風機啟動情況和發電機電壓波動情況。如果風機無法啟動成功，手動斷開02QF。

（4）如果22 kW風機啟動成功，電壓恢復，再手動合上03QF，觀察2×4 kW風機啟動情況。應能啟動成功。

（5）再做一次，觀察22 kW+2×4 kW風機同時啟動的情況，觀察發電機電壓下降及恢復的波形。

（6）將01TK時間整定在4.5 s、02TK整定為12 s，負載帶載30 kW（3臺風機一起投）。待機組啟動成功后，用外加220 V交流源給控制回路供電使01KM自動吸合。觀察發電機電壓下降及恢復的波形。

上述步驟現場錄波，可知空載啟動穩定相電壓的有效值為240.5 V（圖4）。用市電使01KM吸合，先帶載22 kW風機，相電壓降低到約127 V，下降到空載啟動穩定電壓的52.8%，約6.09 s后電壓恢復正常。待電壓穩定后加上2×4 kW風機（共計30 kW負載），電壓稍有波動但很快恢復正常。斷開22 kW電機及2×4 kW風機，將30 kW一并投入，相電壓降低到約99 V（下降到空載啟動穩定電壓的41.1%），約14.62 s后電壓恢復正常。

圖3 發電機出口接觸器不動作的時序圖

圖4 手動投負載接觸器上端頭電壓

上述手動投入負載試驗結束后，關閉柴油發電機，進行自動帶載試驗（圖5）。將01TK時間整定在4.5 s、02TK整定為12 s，負載帶載30 kW。待機組啟動成功后，用外加220 V交流源給控制回路供電使01KM自動吸合，帶載成功。最低相電壓101.8 V，下降到空載啟動穩定電壓的42%，電壓恢復時間14.5 s。

圖5 自動投30 kW負載接觸器上端頭電壓

通過上述外加控制電壓帶載試驗可知，發電機試驗不成功的很大原因在于發電機的帶載能力不足，導致突然加入30 kW的負載，發電機出口電壓下降過大，再加上轉速聯鎖信號IK2是脈沖信號（持續時間將近5 s），使得01TK和02TK不能獲得合適的供電電壓，從而導致01TK和02TK重合的時間不足，最后導致主回路的接觸器不能成功閉合，最終導致發電機試驗失敗。

2 發電機試驗效果不理想的解決方案

通過上述試驗的過程可知，柴油機輔助給水系統發電機的帶載能力不足，因此考慮從發電機的勵磁系統方面改進，優化發電機的帶載特性。

一方面由于柴油機輔助給水系統發電機出口接觸器01KM控制電源取自發電機出口的出口電壓，而發電機的出口電壓在發電機啟動到發電機出口電壓穩定建立這個過程中是發生變化的，另外一方面，01KM的吸合還受到IK2（13，14）的約束。要使得01KM可靠吸合，需要通過IK2（13，14）、01TK和02TK的有效配合。所以，也可以通過改變發電機出口01KM控制電源（提供穩定直流電源）和控制邏輯等方面進行適當修改（圖6）。

圖6的工作原理是:在發電機出口電壓穩定之前，可以通過直流蓄電池給控制回路供電，發電機帶載成功后，也可以用發電機出口電壓整流變化成直流給控制器供電。這樣可以使控制電源更加可靠，進而優化柴油機輔助給水系統發電機和控制系統，提升發電機的帶載性能。

圖6 發電機出口接觸器控制電源供電示意

3 結論

由于帶載能力不足，柴油機輔助給水系統發電機在帶上負載的瞬間出口電壓降落較大，導致發電機出口接觸器無法成功吸合，致使得帶載困難。據此，從發電機勵磁和控制回路2個方面給出優化建議，不僅對后續檢修工作和改善柴油機輔助給水系統有一定指導意義，同時也有利于提高設備的可靠性、安全性和可維護性，保證核電廠的安全運行。