核电站应急电源切换超时原因分析

向绍斌

(广西防城港核电有限公司，广西 防城港 538000)

0 引言

每个核电站都需要设置应急柴油发电机电源，柴油发电机属于核安全设备，在核电站的安全运行中有着非常重要的地位，在厂外电源失去的情况下，柴油发电机为反应堆冷却设备提供电源，保证反应堆安全停堆和余热导出。每台机组配置aa、bb两列应急柴油机发电机，分别连接于AAA、BBB应急母线，分别为反应堆A、B两列冷却设备提供电源。每列应急柴油发电机在核电站运行期间处于热备用状态，通过定期试验验证柴油发电机可用[1]。

某核电站正常运行期间，每两个月执行一次柴油发电机电源自动切换试验，也称06试验，由主控室操作员按下AAA001KG选择开关，aa柴油发电机自动启动，待电压、频率建立之后发出启动成功READY信号，自动断开应急母线AAA001JA，经过1.5s延时后自动合上AAA002JA，AAA应急母线电压恢复，AAA母线负载按照加载逻辑循序自动恢复供电，如图1所示。根据《某核电厂机组安全相关系统和设备定期试验监督要求》，试验过程中应急母线AAA001JA断开到AAA002JA合上的切换时间为1.5s±10%，AAA母线电压恢复时间<13s[2]。

1 问题描述

2011年12月29日，aa柴油发电机按照计划执行06试验，试验过程中柴油发电机正常启动（READY信号正常发出），AAA001JA断开后，经2.87s后AAA002JA合闸，开关切换时间不满足试验程序1.5s±10%的要求，但是AAA应急母线电压恢复时间<13s，满足监督大纲和试验程序的要求。

图1 应急母线一次接线图Fig.1 Emergency bus wiring diagram at a time

2 原因分析

2.1 AAA001/002JA开关切换逻辑分析

柴油发电机06试验过程中AAA001/002JA开关的切换逻辑，如图2所示。正常情况下，READY信号触发后001JA瞬时断开，所以图2中READY信号触发后的延时0.9s应包含在001JA断开后延时1.5s的时间中，从001JA断开到002JA合闸时间一般为1.5s±10%。

图2 柴油机06试验中AAA001/002JA开关切换逻辑Fig.2 Diesel engine 6 trial AAA001/002 ja switch logic

此次aa柴油发电机06试验过程中，柴油发电机启动成功并正常发出READY信号后，AAA001JA断开到AAA002JA合上的1.5s过程中，READY信号出现了0.593s的短暂消失，如图3所示。

图3 柴油发电机启动过程信号记录图Fig.3 Diesel generator start-up process signal pattern

READY信号的短暂消失，导致READY信号为1后的0.9s延时需重新计算，从而增加了AAA001JA向AAA002JA的切换时间，所有AAA001JA向AAA002JA切换时间为：1.195+0.593+0.9=2.69s，与DCS中记录的2.87s接近(DCS存在约200ms固有延时），如图4所示。

READY信号的触发受柴油机转速和发电机机端电压信号的控制，当满足转速超过动作值1470rpm（98%额定转速),并且发电机机端电压大于6.27kV（95%额定电压）后，READY信号就为1。

图4 AAA001/002JA开关切换超时示意图Fig.4 AAA001/002 ja Switch schematic overtime

2.2 READY信号消失0.593s原因分析

查看aa柴油发电机电压建立波形曲线，如图5所示。虽然发现机机端电压在AAA001JA开关断开后1.195s后波谷下降至6.2kV（小于READY动作值6.27kV），0.593s后又调节至6.27kV以上，但是整个电压调节过程是收敛的，没有发散，第二个电压下降波谷已经接近于6.6kV，曲线平滑，电压建立时间也正常，表明aa柴油发电机励磁调节器AVR器工作正常，电压建立过程正常。并且满足《同步电机励磁系统GB T 7409》国标要求，端电压超调量不超过额定值的15%，电压摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。

当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，电压摆动次数不超过3次，调节时间不应超过10s[3]。

由于AVR自身电压调节特性所致，aa柴油发电机在启动建立电压阶段，电压回调下降后第一个波谷值一般在6.3kV～6.4kV之间，也偶而会略低于6.27kV，同时统计了该电站其他柴油发电机电压回调后的第一个波谷值一般在6.3kV～ 6.5kV之间，表明AVR调节正常，实际上从多次柴油发电机启动电压建立曲线统计，仅仅只有2次电压波谷值略低于6.27kV。

图5 aa柴油机启动和加载过程电压波形Fig.5 aa Diesel engine start process and load voltage waveform

图6 DCS中READY信号返回值设定Fig.6 In DCS READY Signal the return value is set

2.3 原因分析

根据以上记录和分析，此次aa柴油发电机06试验中AAA001/002JA开关切换超时的原因为：柴油发电机在正常的电压建立调节过程中，电压回调后的第一个波谷值6.2kV略低于READY信号的电压动作值6.27kV，而柴油发电机DCS逻辑中READY信号的电压动作值与返回值均为6.27kV（没有设置一定的回差），导致READY信号短暂消失0.593s，READY信号为1之后的0.9s延时重新计时，从而导致AAA001/002JA开关切换超时。

3 处理方案

针对原因分析，经过电站技术部门分析和讨论后制定了以下两个处理方案：

方案1：进一步优化aa柴油发电机励磁调节器AVR参数，使柴油发电机在建压过程中电压回调的波谷值不低于6.27kV，READY信号不消失。

方案2：适当降低READY信号电压返回值，即与动作值之间设置一定的回差，该返回值略小于柴油发电机电压回调的波谷值，使READY信号不消失。

3.1 方案1可行性分析

针对方案1，多次与厂家人员沟通交流，厂家人员到现场检查了相关波形和AVR参数后，认为AVR运行良好，电压建立过程正常。柴油发电机建压受多种因素影响，其中受转速影响较为明显。在保证柴油机启动时间的要求下，目前AVR的参数是在考虑多种启动压力方式下的优化结果，没有进一步优化的空间和必要性，而且优化参数后，需要经过多次柴油发电机的启动调试试验，可能会引入新的风险，如柴油发电机过电压，启动时间不合格等，风险不可控。

进一步查看《同步电机励磁系统GB T 7409》国标要求，当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证端电压超调量不得超过额定值的15%，电压摆动次数不超过3次，调节时间不应超过10s。对比LHP柴油发电机建压曲线，完全满足国标要求。

综合以上信息，方案1可能很难达到更优的效果，因此不建议采用方案1。

3.2 方案2可行性分析

3.2.1 READY返回值的设定

如果采用方案2，需要解决一个问题：READY返回值设定为多少比较合适？

对比国内核电站柴油发电机，电压READY信号有通过静态型继电器实现的，也有通过DCS逻辑实现的，但无论是通过继电器还是DCS实现的，电压READY信号动作值与返回值之间均有一定的回差，继电器的返回系数（返回值/动作值）为0.98~0.99（继电器的固有特性，不能调整，只能通过更换继电器型号实现），其他电站DCS中设置的电压READY返回系数为0.97~0.98。

查找法国EDF反馈的技术标准要求，并没有对柴油机电压READY信号的返回值设定给出标准和依据，只是要求柴油发电机在加载时电压不低于4.95kV，加载后2s后恢复到5.94kV，带载后的稳态电压为6.2kV~7.0kV。

厂家人员也表示READY信号不涉及到柴油发电机安全功能，只是表示柴油发电机启动正常，允许带载，同时作为启动时间的停止信号。READY信号消失问题可以通过设置一定的回差来避免，并建议将电压READY返回值设为5.5kV。

图7 突加负载电压下降曲线Fig.7 Sudden load voltage decline curve

图8 机端电压和负载电压仿真波形Fig.8 Voltage of the machine and the load voltage simulation waveform

进一步收集该电站所有柴油发电机不同时期、不同工况下启动的电压建立波形曲线，发现因启动条件不同，转速变化特性的略有不同，不同柴油发电机AVR之间的细微差异，电压峰、谷值略有不同，电压回调值一般稳定在6.3kV~6.5kV之间。

以上综合考虑，考虑到不同柴油发电机之间的细微差异，同时考虑一定的裕度，偏保守将READY信号的电压返回值改为6.0kV，返回系数为6.0/6.27=0.96。

3.2.2 修改READY返回值的操作性研究

由于READY通过DCS设定，经过与厂家人员讨论研究，设置READY返回值，只需要在READY逻辑中增加即可，简单易行，而且不影响柴油发电机的其他控制逻辑，如图6所示。

3.2.3 READY返回值设为6.0 kV的风险分析

如果修改READY信号返回值为6.0kV，考虑最严重情况：柴油发电机机端电压下降波谷值接近6.0kV时，柴油机带载第一批负荷为1.4MW，此时应急母线LHA的电压会降低到多少？是否满足监督大纲和试验程序的要求？

根据柴油发电机出厂试验报告中突加负载过程中的压降试验，按功率因数0.8计算，在额定电压时突加负载1，4MW时，电压下降至6.27kV，下降幅度为5%Un，如图7所示。类推到6.0kV时加载，应急母线电压最低下降至6.0-6.0×5.0%=5.7kV，类推至5.5kV时加载，应急母线最低下降5.5-5.5×5.0%=5.2kV。

根据中国电科院的仿真计算分析表明[4]，在柴油机发电机电压建立调节过程中，当电压回调至6.0kV时突加负载1.5MW（大于柴油机按序加载的最大负载），按照恒阻抗、恒功率和感应电机负载3种方式考虑，最严重情况，机端电压最低降至5.49kV；当电压回调至5.5kV时突加负载1.5MW，机端电压最低降至5.06kV，远大于监督大纲中4.95kV的要求，如图8所示。

综合以上分析，修改READY返回值为6.0kV,不会影响到各种工况下的柴油发电机的应急性能和带载能力，而且简单易操作。因此，采用方案2来解决LHP柴油发电机自动切换试验中AAA001/002JA开关切换超时的问题。

4 结束语

aa柴油发电机在大修中将READY信号电压返回值修改为6.0kV，为了统一，其他柴油发电机的READY信号电压返回值也修改为6.0kV，并经过多次的柴油发电机启动试验验证，应急母线开关AAA001/002JA的切换时间均满足1.5s±10%。理论上分析：通过优化AVR参数，可以略微改变柴油发电机建压过程中的峰谷值，来满足电压READY信号的触发条件，但由于目前AVR的参数进一步优化的空间已经很小，而且修改参数后，可能会引入新的风险，如过电压，启动时间不合格等。因此，通过修改READY信号电压返回值为6.0kV，既不会影响到各种工况下的柴油发电机的应急性能和带载能力，也有效的解决了柴油发电机自动切换试验中001/002JA开关切换超时的问题。

[1]某核电厂6.6kV交流应急电源系统手册[Z].2013,3.

[2]某核电厂安全相关系统和设备定期试验监督要求[Z].2013,3.

[3]同步电机励磁系统GB T 7409[Z].中华人民共和国国家标准,1997.

[4]何凤军.柴油发电机组带载电压仿真分析[J].中国电力科学研究院,2013,1.