EDG勵磁裝置的設計改進

錢厚軍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山核電廠一期工程是中國大陸自主設計、自主建造、自主運行管理的第一座原型核電站，是國內核電事業的里程碑。電廠自1991 年投入運行以來，取得了較好的運行業績和社會效益。

秦山一期3 臺應急柴油發電機組（以下簡稱EDG）全部選用國產設備配套組成。限于當時技術條件，電氣系統（包括勵磁裝置）在設計和制造上均有較多不完善。1991年投運后，根據實際運行情況持續進行設計上的改進，處于持續改進不斷完善過程中，因而狀態較差。電廠于2004年啟動了EDG 電氣及控制系統的改造，本文主要介紹勵磁裝置的設計改進。

1 EDG勵磁系統原理概述[1]

秦山一期EDG 勵磁方式采用了相復勵＋電壓校正器的方式，附加一個轉換裝置實現工作模式切換。相復勵主體為6300V 不可控自勵恒壓裝置，EDG 同步發電機主要由它供給勵磁。不可控相復勵裝置具有一定的調壓精度。電壓校正器實際上是一個可控硅分流器，用以進一步提高調壓精度。轉換裝置是用來投入或切除校正器的設備。因此，EDG 勵磁系統既具備不可控相復勵裝置的高可靠性，又具備可控相復勵裝置較高的電壓調整精度和動態響應性能。但是相復勵裝置體積較大，主要是因為發電機未配套勵磁機，靜止的功率整流器包含在相復勵裝置內，發電機屬于有刷勵磁方式。EDG 發電機的額定參數見表1。

表1 發電機額定參數Table 1 Nominal parameters of generator

圖1是EDG 勵磁系統簡圖，相復勵主體部分的工作原理簡述如下：同步發電機端電壓6300V 經并聯的勵磁變壓器（LCB）降壓到230V，通過三相線性電抗器（DK）的移相作用，使得繞組中的電流滯后于發電機端電壓90°，經三相橋式整流后提供發電機空載勵磁電流。當發電機帶載后，由串聯變壓器（CLB）提供與負載有關的電流分量，經橋式整流后提供復勵電流，進行電流補償，從而抵消發電機電樞反應的去磁作用，保持發電機電壓恒定。

圖1 EDG相復勵有刷勵磁系統簡圖Fig.1 The phase compound excitation system of EDG

電壓校正器（JZQ）的工作原理簡述如下：電壓校正器是一個利用可控硅開關特性進行工作的可控硅交流分流器，它并聯于相復勵三相整流橋的一個硅元件兩端，分流一部分勵磁電流。校正器根據發電機端電壓的變化，通過電壓測量，比較放大，移相觸發等回路的作用，相應地改變分流電流的大小，從而使發電機端電壓在負載變化時及時得到調節，使端電壓維持更高的精度。當發電機突加負載時，校正器能快速地調節分流的大小，因而它還具有改善動態電壓調整精度，提高動態響應特性的作用。

另外在發電機并網時，利用電壓校正器對發電機電壓進行調整，以滿足同期并網的條件。故電壓校正器的調節范圍確定為發電機額定電壓的±5%。

為了確保EDG 機組啟動成功，設計上還增加了外加啟勵電路，即在機組啟動第3s 通過蓄電池向發電機轉子提供外加的初始勵磁電流，確保發電機建立磁場并自勵成功，在機組達到額定轉速時，發電機也同時達到額定電壓。外加勵磁在第10s 斷開。

2 EDG勵磁裝置存在的問題及改進思路

2.1 存在的問題

秦山一期首次PSR（Periodic Safety Review，定期安全審查）報告中指出，EDG 電氣系統設備未經嚴格意義的1E 級鑒定，無法證明其壽命末期在經受設計基準的地震時是否能夠發揮設計賦予的安全功能。

除未經1E 級鑒定外，在設計上還存在以下問題：

1）選用了代表20 世紀70 年代水平的繼電器、晶體管等，元器件已被市場淘汰，采購合格產品較為困難。

2）電壓校正器由分立元件組成，調節原理較為原始落后，僅靠個別三極管組成放大電路，靠單結管構成脈沖觸發電路，而三極管和單結管的離散性非常大，選擇備件非常困難，調試難度非常大，實際運行中電壓校正器的故障率也最高。

3）在主控室和就地各設置一只調壓電位器，通過切換開關實現調壓地點的切換。兩地電位器設定位置不同，電纜引線電阻和切換開關觸點接觸電阻會導致兩地切換時，發電機電壓的較大波動。EDG 停機前，如果忘記將調壓電位器調回初始位置，下次EDG 啟動時發電機電壓將偏離額定電壓。

4）設計上未考慮并網運行模式，并網時發電機功率因數波動，難以控制在并網工況下的無功功率穩定，而恰恰并網運行是最經常的運行方式。

5）勵磁柜內部器件布局不合理，發熱器件過于靠近，不利于散熱，其他局部空間又過于空曠，柜體靠墻安裝沒有檢修空間，存在維修不到的死角。

2.2 勵磁系統改進思路

秦山一期于2004 年成立EDG 電氣系統改造項目組，項目組確定了勵磁系統的改進思路，簡述如下：

1）鑒于國內外EDG 大多采用相復勵這種高可靠性勵磁裝置，秦山一期EDG 勵磁裝置改造保持相復勵＋電壓校正器的成熟原理不變。

2）因原始設計資料不完整，且實際運行中部分設備溫升偏高，決定對相復勵主回路元器件參數進行重新核算，優化勵磁系統技術規格書。

3）重新設計電壓校正器，設計集成的數字電位器代替原先的模擬電位器，采用集成電路組成調節和觸發電路，增加無功功率閉環控制，實現并網運行時無功功率的穩定，改進調壓方式實現兩地切換無波動。

4）勵磁裝置采用緊湊式設計，縮小總體體積，同時為發熱器件充分留出散熱空間，整體留出檢修空間。

5）勵磁裝置選用主流產品標準元器件，不選用非主流、非標準元器件。

3 EDG勵磁裝置的設計改進與核級鑒定

3.1 對勵磁裝置主回路參數的重新核算[2]

圖2為EDG 勵磁裝置的設計簡圖。按上述思路，主回路原理不變，對主要器件勵磁變壓器LCB、線性電抗器DK、串聯變壓器CLB 的參數做重新核算如下。

圖2 EDG勵磁系統改進后簡圖Fig.2 The excitation system of EDG after redesigned

3.1.1 并聯勵磁變壓器LCB 的參數計算

已知發電機空載額定勵磁電壓Uf0=41.8V，空載勵磁電流If0=114.4A，考慮電壓校正器分流±5%。另從《半導體變流技術》已知，三相不可控整流橋交流側電流與直流側電流的比值KI為0.816，故在發電機空載時LCB 的交流側電流：

已確定勵磁變壓器LCB 低壓側額定電壓為230V，則LCB 低壓側容量輸出：

折算到高壓側并乘以1.15 倍的富余系數，LCB 額定計算容量：

取標準系列：50kVA，考慮與負載電流的相位復合，連接組別取：Y/Yn0。

最終確定：50kVA，6300V/230V，Y/Yn0。

3.1.2 電抗器DK的參數計算

空載狀態下，勵磁變壓器LCB 的總負載阻抗為：

式（4）中，ΔU 取3V，主要考慮整流橋壓降2V，回路壓降1V。

發電機轉子直流電阻：

則計算電抗值：

考慮電抗器的有效調節，保留+15%的電抗可調裕度，取X = Xj×1.15 = 1.29×1.15 = 1.48 (Ω)

電感值：

3.1.3 串聯變壓器CLB的參數計算

發電機額定狀態勵磁電流Ifn=187 A，則交流側復合電流為：

三相不可控整流橋直流側電壓與交流側電壓比Ku=1.35，勵磁電壓Ufn=89V，則：

整流橋負載為純阻性負載，考慮整流電路初級回路嚴重的電感性換相電路，換相重迭角30°以上，其等效負載功率因數角可按30°/2=15°考慮。等效阻抗為：

勵磁變壓器LCB 為等效電壓源， 相電壓為230/√3=132.8(V)；以LCB 為基準，額定功率因數cosφ 為滯后0.8，則φ=cos-1（0.8）=-36.8°，串聯變壓器CLB 為等效電流源I2∠-36.8°，與并聯勵磁變壓器LCB 及移相電抗器DK 電路復合后向整流負載供電，等效電路如圖3(a)所示。為了計算方便，將電壓源轉換為等效電流源，如圖3(b)所示，等效電流源電流為132.8/1.29 = 103(A)，電壓源轉換成等效電流源后移相了90°。

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit (voltage source)

等效負載的分流系數應為：j1.29/（j1.29+0.2373 ∠15°），電流源相量和為：103 ∠-90°+ I2∠-36.8°，因而有：可求得I2= 87.4 (A)。

前面已得額定狀態下二次電壓為66V，則CLB 額定容量應為：

串聯變壓器CLB 的額定容量可取：10kVA。考慮與電抗器移相電流的相位復合，連接組別取：Y/Yn0。

3.1.4 主回路參數核算結論

通過重新核算，各器件參數與原設計相差不大，主回路參數可以不變，原裝置溫度偏高問題可考慮制造工藝改進與安裝位置的合理調整。

3.2 勵磁裝置主回路的設計改進（重新選型）

按前述改進思路，對勵磁裝置主回路的設計改進主要體現在：在不降低額定參數情況下，以當前最成熟可靠的進口或合資品牌產品，或者國產優質產品取代原設計的各個器件，確保器件質量，提升主回路可靠性。

主回路主要元器件經參數核算確認后，勵磁變壓器LCB、串聯變壓器CLB、電抗器DK 需要按非標定制，對其余整流二極管、可控硅、接觸器、滅磁開關、電阻等，對照圖2 簡述如下：

1）6 只整流二極管換型為額定電流更大，耐壓值更高的國產ZP900-2200 二極管，分流可控硅換型為KP200-1800。由于整流器件制造工藝的不斷進步，大幅提高器件額定參數而體積卻減小很多，節省了空間，同時減少了發熱量。

2）電壓校正器投入退出的切換接觸器K1/K2，以及啟勵回路接觸器K3，采用合資品牌的3TF45 接觸器代替原先的CZ0-40 接觸器。

3）滅磁開關EFS，以合資品牌NS400 塑殼斷路器配電操機構代替原先的CZ0-200 接觸器，滅磁電阻重新選配國產高能氧化鋅非線性滅磁電阻。

4）電阻器件R1/R2/R3選配國產優質電阻器件。

3.3 電壓校正器的重新設計

針對EDG 運行10 多年來的運行維修經驗，以及原先電壓校正器存在的問題，對電壓校正器的改進設計簡述如下：

1）設計重新啟動時能夠自復位的數字式電位器取代原先的模擬電位器，采用調壓開關進行調壓，解決原先不能自復位的問題；數字電位器的自復位功能使機組每次啟動時，發電機電壓都處于相同的位置（額定電壓）。

2）數字電位器采用增減按鈕操作，可實現不同地點的調節且能自動同步。

3）電壓校正器增加無功功率閉環控制功能，EDG 空載或應急帶載時按機端電壓閉環調節，并網運行時自動切換到無功功率閉環模式，使得并網運行情況下電壓校正器按無功功率調節，保證機組運行的穩定性。

4）采用集成運算放大器代替原先的三極管，電壓校正器增加抗干擾設計，輸入輸出經變壓器做強弱電隔離，確保弱電回路器件的安全，也確保電壓校正器能夠通過電磁兼容試驗。

3.4 EDG勵磁裝置核級鑒定[3-5]

EDG 勵磁裝置的核級鑒定如下：

1）參照IEEE 相關標準編制鑒定大綱，確定了需要老化試驗的器件為勵磁變壓器、串聯變壓器和電抗器，其余器件選用的均是已經過老化試驗的產品。

2）制造了勵磁變壓器、串聯變壓器和電抗器的樣機，制定預期壽命為40 年，并按照老化試驗細則實施加速老化試驗，完成加速老化試驗后檢查測試其電氣性能合格。

3）對新設計的電壓校正器實施了電磁兼容試驗，試驗結果合格。

4）對勵磁裝置樣機實施模擬地震試驗，試驗完成后對樣機實施靜態檢查和電氣性能測試合格。

4 EDG勵磁裝置現場調試和試驗

EDG 勵磁裝置通過核級鑒定之后，正式制造了3 套，于2007 年10 月秦山核電廠第10 次換料大修期間實施改造。

EDG 勵磁裝置現場安裝接線完成后，即開始調試。調試內容結合控制系統及EDG 機組一起實施。經調試合格的勵磁裝置，結合機組實施了以下試驗：

1）機組啟動、并網、帶載、甩負荷試驗，考核勵磁裝置快速建立發電機電壓的性能，并網轉無功閉環控制功能，無功穩定性能，以及甩額定無功負荷時發電機電壓快速恢復性能，試驗結果合格。

2）突加負載試驗，考核發電機空載情況下突加300kW 電動水泵時，電壓快速恢復性能，試驗結果合格。

3）程序帶載試驗，模擬失去廠外電且反應堆需要安注時考核EDG（含勵磁裝置）按程序加載性能，圖4 為#1EDG 按程序加載試驗錄波圖，試驗結果合格。

圖4 1#EDG程序帶載錄波圖Fig.4 Emergency loading in sequence of 1# EDG

4）EDG 發電機穩態電壓調整率測定試驗；實測#1EDG 穩態電壓調整率為-0.44%，優于技術規范書要求（≤±1%）。

5）EDG 發電機冷熱態的電壓變化率測定試驗；實測#1EDG 冷熱態的電壓變化率為-0.56%，優于技術規范書要求（≤±2%）。

5 結束語

秦山核電廠3 臺應急柴油發電機勵磁裝置于2007 年11 月～2008 年1 月期間實施了改造。改造工作是在國家核安全局（NNSA）的監督之下實施的，經過精心的調試和完備的試驗，對改造設備的功能和性能進行了全面驗證，確認全部符合設計要求，改造獲得成功。EDG 電氣系統其他設備亦于同期實施了改造，關閉了這一PSR 弱項。改造后EDG 電氣系統設備煥然一新，功能、性能都得到了提升，更便于運行操作和檢修試驗。設備投運13 年以來，總體運行穩定，故障較少。

鑒于目前國內新建核電站全面實現自主化的要求，首當其沖的是核電站設備國產化。本次勵磁裝置的改進，為核電站應急柴油發電機勵磁裝置的國產化做了一次非常有參考意義的積極嘗試，本文改造經驗可供同行參考。