辅助给水系统发电机带载启动困难原因分析

刘争光，马永立

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

柴油机辅助给水系统发电机是核电厂在失去厂外电后的重要供电电源，一旦失去该电源将会直接影响辅助给水系统的相关功能。某核电厂的柴油机辅助给水系统发电机在带载试验的过程中，多次出现带载困难现象，给核电厂的安全运行带来一定风险。因此，找出发电机试验不理想的原因对维护柴油机辅助给水系统起着举足轻重的作用，对保证核电厂安全运行有积极意义。

1 柴油机辅助给水系统发电机带载困难

柴油机辅助给水系统发电机出口接触器的控制回路的电源取自柴油机辅助给水系统发电机的出口电压，要想使该发电机可靠带载，需要一定的条件：一方面控制回路要可靠配合使得发电机出口接触器能够吸合；另一方面发电机带载的瞬间电压降落要小，并能很快恢复。首先需要研究一下带载启动过程中发电机出口接触器的工作原理。

1.1 发电机出口接触器工作过程

发电机出口接触器正常吸合的过程：当发电机出口电压上升到时间继电器01TK 和02TK（01TK 和02TK 的线圈吸合电压接近）的线圈吸合的电压时，在发电机出口电压未达到额定电压380 V 之前，02TK 的线圈吸合，其断电延时触点02TK（4，5）瞬时闭合，当转速联锁信号IK2 为导通状态时，01TK 线圈得电，其延时闭合触点01TK（25，26）延时T01TK 闭合（图1）。此时，02TK 断电延时触点02TK（4，5）和01TK 延时闭合触点01TK（25，26）所在支路导通，接触器01KM 的线圈得电吸合（需要发电机出口电压上升到01KM 的线圈的工作电压），在自保持回路的作用下和发电机出口电压降落幅度满足要求的情况下，01KM可以可靠吸合，这样可以实现成功带载。

1.2 发电机带载困难原因分析

1.2.1 带载试车过程中出现的现象

（1）在发电机带上负荷后，时间继电器02TK（9 s）和01TK（5 s）连续发生吸合和断开现象，由于无法顺利带上需给柴油机本体冷却用的风扇，导致现场试验终止。因此怀疑，01TK 和02TK 的整定时间太短、发电机出口电压还没稳定。

（2）将02TK 整定为12 s、01TK 整定为8 s，再次启动验证。根据现场启动及录波情况，发现和前段时间的问题一样，接触器01KM 在4 s 左右即已开始动作，吸合约1 s，不成功（图2）。将01TK 拆下，用保伽玛校验，发现该时间继电器在电压约62 V时线圈得电灯已亮，本来延时8 s 闭合的触点已经导通。也就是说，在电压远小于220 V 时，该时间继电器起不到延时作用。

图1 发电机出口接触器吸合的时序图

图2 发电机出口接触器吸合不成功的时序图

（3）01TK 更换新的备件后，将01TK 整定为8 s、02TK 整定为12 s，再次启动验证。根据现场启动及录波情况，柴油机启动时01KM 未动作。根据现场视频，在柴油机启动后约3～5 s，01TK 的线圈灯亮、然后灯熄灭。分析认为，机械给的转速信号IK2 是脉冲信号，持续时间＜5 s，导致01TK 的线圈短时得电后又失电，使得延时闭合触点无法动作，进而导致01KM 的线圈不能吸合（图3）。这也印证了前几次启机时，01KM 不能反复吸合而只是在5 s 左右就不再吸合的现象。

1.2.2 排查试验失败原因的方法

经过上述历次试验失败，提出了如下来排查试验失败原因的方法。

（1）断开22 kW 风机电源开关02QF、2×4 kW风机03QF（这3 台风机为发电机的负载）。

（2）为控制回路提供220 V 交流恒压源，启动录波，待机组启动成功后，用恒压源使01KM吸合。

（3）手动合02QF，观察22 kW 风机启动情况和发电机电压波动情况。如果风机无法启动成功，手动断开02QF。

（4）如果22 kW 风机启动成功，电压恢复，再手动合上03QF，观察2×4 kW 风机启动情况。应能启动成功。

（5）再做一次，观察22 kW+2×4 kW 风机同时启动的情况，观察发电机电压下降及恢复的波形。

（6）将01TK 时间整定在4.5 s、02TK 整定为12 s，负载带载30 kW（3 台风机一起投）。待机组启动成功后，用外加220 V交流源给控制回路供电使01KM 自动吸合。观察发电机电压下降及恢复的波形。

上述步骤现场录波，可知空载启动稳定相电压的有效值为240.5 V（图4）。用市电使01KM 吸合，先带载22 kW 风机，相电压降低到约127 V，下降到空载启动稳定电压的52.8%，约6.09 s后电压恢复正常。待电压稳定后加上2×4 kW 风机（共计30 kW负载），电压稍有波动但很快恢复正常。断开22 kW 电机及2×4 kW 风机，将30 kW 一并投入，相电压降低到约99 V（下降到空载启动稳定电压的41.1%），约14.62 s 后电压恢复正常。

图3 发电机出口接触器不动作的时序图

图4 手动投负载接触器上端头电压

上述手动投入负载试验结束后，关闭柴油发电机，进行自动带载试验（图5）。将01TK 时间整定在4.5 s、02TK 整定为12 s，负载带载30 kW。待机组启动成功后，用外加220 V 交流源给控制回路供电使01KM 自动吸合，带载成功。最低相电压101.8 V，下降到空载启动稳定电压的42%，电压恢复时间14.5 s。

图5 自动投30 kW 负载接触器上端头电压

通过上述外加控制电压带载试验可知，发电机试验不成功的很大原因在于发电机的带载能力不足，导致突然加入30 kW的负载，发电机出口电压下降过大，再加上转速联锁信号IK2 是脉冲信号（持续时间将近5 s），使得01TK 和02TK 不能获得合适的供电电压，从而导致01TK 和02TK 重合的时间不足，最后导致主回路的接触器不能成功闭合，最终导致发电机试验失败。

2 发电机试验效果不理想的解决方案

通过上述试验的过程可知，柴油机辅助给水系统发电机的带载能力不足，因此考虑从发电机的励磁系统方面改进，优化发电机的带载特性。

一方面由于柴油机辅助给水系统发电机出口接触器01KM控制电源取自发电机出口的出口电压，而发电机的出口电压在发电机启动到发电机出口电压稳定建立这个过程中是发生变化的，另外一方面，01KM 的吸合还受到IK2（13，14）的约束。要使得01KM 可靠吸合，需要通过IK2（13，14）、01TK 和02TK 的有效配合。所以，也可以通过改变发电机出口01KM 控制电源（提供稳定直流电源）和控制逻辑等方面进行适当修改（图6）。

图6 的工作原理是：在发电机出口电压稳定之前，可以通过直流蓄电池给控制回路供电，发电机带载成功后，也可以用发电机出口电压整流变化成直流给控制器供电。这样可以使控制电源更加可靠，进而优化柴油机辅助给水系统发电机和控制系统，提升发电机的带载性能。

图6 发电机出口接触器控制电源供电示意

3 结论

由于带载能力不足，柴油机辅助给水系统发电机在带上负载的瞬间出口电压降落较大，导致发电机出口接触器无法成功吸合，致使得带载困难。据此，从发电机励磁和控制回路2 个方面给出优化建议，不仅对后续检修工作和改善柴油机辅助给水系统有一定指导意义，同时也有利于提高设备的可靠性、安全性和可维护性，保证核电厂的安全运行。