大型核电机组SiC灭磁电阻容量的选择

2018-02-01吴方元

发电设备 2018年1期

王帅，吴方元

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

目前国内已投运的大型核电机组多采用无刷励磁系统，因为核电机组额定励磁电流大，采用无刷励磁系统可以不用滑环、碳刷等转动元件，但存在灭磁时间长、旋转部件多、检修工作量大、检修及故障后修复困难等情况。随着元器件可靠性的提高及发电机技术的发展，在建或拟建的大型核电站逐步采用自并励励磁系统。自并励励磁系统灭磁时间缩短，取消了主励磁机和副励磁机，减少了轴系长度，降低励磁系统的复杂程度，方便检修维护，对系统的长期运行更有利。

大型发电机组自并励励磁系统灭磁电阻多采用非线性电阻[1]。SiC非线性电阻具有灭磁速度较快、结构紧凑体积小、安装方便、能容大、不易老化等优点，目前国外各励磁系统制造商对SiC电阻均有丰富的工程经验[2]。笔者将重点探讨大型核电机组自并励励磁系统SiC灭磁电阻耗能及容量选择。

1 算法描述

1.1 灭磁时间

在灭磁状态下，非线性电阻灭磁系统简化线路见图1。

图1 非线性电阻灭磁系统

由发电机励磁绕组回路可列出电压微分方程式(忽略发电机阻尼绕组作用，灭磁开关视为理想开关)：

(1)

(2)

上式建立了灭磁过程中励磁电流与灭磁时间的函数关系。

对于函数f(x)=xa，x>0且a为大于0的数，有limx→0+xa=0。设灭磁时间为tm，对式(2)求极限limt→tmif(t)=0，可求得灭磁时间：

(3)

1.2 灭磁耗能

灭磁电阻耗能表达式为：

(4)

(5)

则

WR=F(T2)-F(T1)

(6)

1.3 转子磁通饱和对灭磁的影响

在发电机的灭磁过程中，除在转子电流小于额定空载电流或发电机机端三相短路时(定子短路电流的去磁作用使转子处于非饱和状态)，可以认为发电机转子的电感是常数外，其他灭磁工况的灭磁过程均需考虑转子的饱和及转子电感随转子电流的变化[1]。可将转子电感随转子电流变化的特性分段线性化，再分别计算各段的灭磁电阻耗能。

转子电感Lf与空载特性曲线正切值成正比[2](见图2)。

图2 发电机空载特性曲线

根据假定线性化条件，灭磁回路中电流的衰减可分为Ifb至Ifa和Ifa至0两步。总灭磁时间为两过程时间之和。

(1)OA段灭磁过程。

根据式(3)，该过程灭磁时间为：

(7)

WRoa=F(T2a)-F(T1a)

(8)

(2)AB段灭磁过程。

该过程灭磁时间为：

(9)

灭磁电阻耗能为：

WRab=F(T2b)-F(T1b)

(10)

综合上述两个过程，总灭磁时间为：

(11)

灭磁电阻总耗能为：

WR=WRoa+WRab=F(T2a)+

F(T2b)-F(T1a)-F(T1b)

(12)

2 工况分析

所谓灭磁电阻容量，是指在灭磁时，由灭磁电阻所吸收的磁场能量，并继而转化为热能的容量。上述磁场能量的大小决定于发电机的运行工作状态，一般按下列较严重的故障情况来考虑。包括[3]：

(1) 励磁系统故障引起的误强励，特别严重的情况是有发电机空载并网前引起的误强励。

(2) 发电机机端三相短路。

2.1 空载误强励灭磁电阻耗能

根据空载特性曲线，设发变组保护过电压保护定值设为1.3倍额定机端电压，考虑到保护继电器动作延时及磁场断路器主触头分断延时等因素，灭磁开始时机端电压已上升至1.5倍额定电压。根据1.5倍额定电压值确定相对应的励磁电流Ifb，并根据空载特性曲线确定Ifa、La和Lb，代入上式可求得灭磁电阻耗能。

2.2 机端三相短路灭磁电阻耗能

(13)

设直流磁场断路器的主触头在短路发生后的0.1 s时开始分离，并假定短路发生前转子电流为1.1倍额定励磁电流、机端电压为额定。此时的转子电流If(0)可计算为(周期分量按峰值考虑、忽略发电机阻尼绕组、不计机端电压滞后Eq的角度)：

(14)

灭磁过程中转子电流的变化可表示为：

(15)

(16)

转子电流降至If(0)/N可认为灭磁结束[2]，此时Ifs(n)=If(0)/N，通常取N=100。

灭磁电阻总耗能表达式为：

(17)

3 工程实例

主机厂提供的发电机空载与短路特性曲线见图3。

图3 某核电站机组空载与短路特性曲线

3.1 空载误强励灭磁

当发电机空载误强励时，机端电压保护定值一般设为1.3倍，考虑到相关延时因素，发电机电压升至1.43倍时，灭磁回路导通。根据图3的空载特性曲线，查得对应的励磁电流值约为10 250 A。将励磁电流0～10 250 A对应的空载特性曲线近似等效为OA、AB和BC三个线性段组成。OA对应的励磁电流为0～3 070 A，Ia=3 070 A；AB对应的励磁电流为3 070～5 900 A，Ib=5 900 A；BC对应的励磁电流为5 900～10 250 A。OA线段上线性化较好，对应电感值取转子自感值La=0.365 H。根据AB和BC线段斜率可求得Lb=0.092 H，Lc=0.042 9 H。

发生空载误强励情况下，灭磁回路中励磁电流衰减及灭磁电阻耗能见图4。

图4 空载误强励工况灭磁曲线

假设该项目灭磁电阻采用Metrosil spec.6298 600A/us16/p型SiC电阻，每个组件的容量为1 MJ。制造厂提供的单组件位形系数C值为35[5]。

根据式(7)和式(9)可求得每段过程的灭磁时间ta=1.995 s，tb=0.211 s，tc=0.109 s。总灭磁时间为tm=ta+tb+tc=2.317 s。

求得每段过程SiC电阻耗能：WRoa=1.482 MJ,WRab=0.914 MJ，WRbc=1.072 MJ。灭磁电阻总耗能WR=3.468 MJ。

3.2 机端三相短路灭磁

设直流磁场短路器的主触头在短路发生后的0.1 s时开始分离，并假定短路发生前转子电流为1.1倍额定励磁电流(If(0)-=1.1×8 199≈9 019 A)，机端电压为额定电压。根据式(14)，此时的转子电流If(0)可计算得If(0)=23 804 A(周期分量按峰值考虑、忽略发电机阻尼绕组、不计机端电压滞后Eq的角度)。

灭磁过程中每次迭代的励磁电流和SiC电阻耗能可根据式(15)和式(16)计算。