UNITROL 6800 静态励磁系统在某核电厂的设计经验

姚铁兵， 李广治

（1.山东核电有限公司，山东 烟台 265116；2.国核电力规划设计研究院，北京 100095）

1 某核电厂的励磁系统简介

某核电厂采用ABB 公司生产的UNITROL 6800 静态励磁系统，发电机励磁电流由机端的励磁变压器降压后经可控硅整流后供给，自动励磁调节装置AVR（auto voltage regulator） 通过改变可控硅的导通角来进行调节，维持机端电压在给定值。与无刷励磁系统相比，静态励磁取消了励磁机，设备和接线简单，提高了响应速度和可靠性；缩短了机组轴系长度，降低了造价。励磁系统（ZVS） 与仪控系统（PLS） 的设计接口如下。

1.1 自动电压控制系统与PLS 接口

自动电压控制系统AVC（auto voltage control）配置1 台上位机，布置在升压站网控继电器室。每台机组配置1 台下位机，布置于主厂房电子间，通过光纤实现上位机与下位机的通信。AVC 下位机以脉冲方式输出调压指令至机组的PLS 控制系统，由PLS 系统控制各台机组，实现机组的机端电压调整控制，使电厂500 kV 母线达到目标控制电压值。

PLS 输出AVC 投入、退出指令给AVC 下位机。AVC 下位机输出增磁、减磁、超限指示、应答指示、PT 断线等信号作为PLS 的输入。

1.2 ZVS 与PLS 的接口

PLS 输出励磁投入/退出、增/减磁、灭磁开关分/合闸、PSS 投/退等指令作为ZVS 的输入。ZVS输出励磁投入/退出、过励限制、低励限制、励磁跳闸、励磁电流、励磁电压等信号至PLS。

2 ZVS 与PLS 之间通信设计的经验反馈

ZVS 系统有3 个控制通道，即通道1、通道2及备用通道BU。通道1、通道2 是相同的，任何一个通道都可以被选为活动通道，不活动通道自动跟踪活动通道。每个通道有自动模式（电压调节）、手动模式（电流调节）。当通道1、通道2 的自动、手动模式均出现故障时，自动切换到备用通道BU。备用通道功能是有限的，只提供励磁电流调节（手动模式）、励磁变过流监视，只用于临时事故工况。在ZVS 系统调试期间，调试人员发现PLS 与ZVS之间不能正常通信。经过分析，其主要原因如下。

2.1 ZVS 与PLS 的通信地址数量不一致影响调试

ZVS 系统为双通道调节器，其与PLS 通信需要2 个IP 地址，但PLS 只提供了1 个IP 地址，缺少1 个调节器通信配置。经组织ZVS 厂家、PLS设计方、调试人员共同讨论分析，原因是ZVS 厂家提交的励磁系统仪控提资接口文件未提出双通道通信要求。ZVS 厂家升版ZVS 系统接口文件，PLS设计方按照ZVS 接口要求，配置了2 个IP 地址，解决了该问题。

2.2 PLS 与ZVS 的主从通信问题

根据ZVS 仪控提资接口文件，ZVS 以从方式工作，PLS 为主。ZVS 包含冗余通道，主通道与PLS 通信，备用通道自动跟踪主通道。但是2 个通道都有独立的IP 地址，PLS 可以通过不同的IP 地址进入不同的通道。

在PLS 软件开发中，PLS 设计方提出，ZVS 接口规范关于PLS 与ZVS 控制器通信的信息不足，对ZVS 与PLS 间的Modbus 通信提出技术澄清。经过双方多次讨论，ZVS 厂家对澄清问题答复如下。

a） ZVS 通道即控制器，它控制励磁运行在不同工况。在励磁正常运行时，只有1 个通道是活动的，另1 个处于备用。Modbus 模件是加在控制器上的1 个模件，用于串行通信，每个通道都有1 个。

b） 关于串行通信运行模式：2 个Modbus 模件都处于从模式，PLS 处于主模式。正常运行时，当Modbus 模件收到PLS 的“ask”信号，它会应答PLS；没有PLS 的“ask”信号时，Modbus 模件永远不会自己发出信号。

c） 关于“dead”。当Modbus 模件死机后，它不会应答PLS 主的“ask”信号。这样，当PLS 发出“ask”信号几次后，如果PLS 不能得到Modbus模件的响应信号，就意味着Modbus 模件死机。如果ZVS 的1 个控制器出现故障，Modbus 模件一定会出现故障。但如果1 个Modbus 模件出现故障，有关的控制器仍然可以工作并继续运行ZVS。

d） 关于“channel is on”。通道工作意味着该通道是激活的，另外一个通道是备用模式，这是用于控制器的运行而不是用于Modbus 模件。从励磁角度建议，应使用来自激活通道的Modbus 模件信息。

在此基础上，PLS 设计方清楚理解了PLS 与ZVS 的主从通信原理。

结论：通过ZVS 厂家升版仪控提资接口文件、澄清PLS 与ZVS 的主从通信问题，PLS 设计方完成了软件开发，现场调试得以顺利进行。核电工程仪控系统设计主要是根据仪控提资完成的，ZVS 厂家提交的仪控提资接口文件深度须满足仪控PLS开发设计需要。

3 PLS 侧的励磁变温度显示设计优化

励磁变为3 台单相干式变压器，最初PLS 侧只设计了A 相温度值显示，不能监视3 台变压器的温度。《防止电力生产事故的25 项重点要求》中第11.1.5 规定：“励磁变压器的绕组温度应具有有效的监视手段。”对照该要求，原设计不够完善。

经过协调，设计方发布设计变更，在PLS 侧设计了励磁变A、B、C 相温度值显示，可以监视各台励磁变的温度，满足了反事故措施要求。

4 ZVS 外部跳闸继电器重新选型

根据《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施（2018 修订版）》第15.6.7 规定：“外部开入直接启动，不经闭锁便可直接跳闸，或虽经有限闭锁条件限制，但一旦跳闸影响较大的重要回路，应在启动开入端采用动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器，并要求其动作功率不低于5 W”。检查发现，ZVS 外部跳闸继电器K291/K292 动作功率小于5 W，不满足该要求。继电器控制电源为DC 24 V，抗干扰能力不足。

经过协调，ZVS 厂家完成了K291/K292 继电器的重新选型及现场更换，继电器控制电源改为DC 220 V，动作功率不低于5 W，满足了反事故措施要求。

5 励磁小间通风系统设计优化

5.1 规范对励磁系统运行环境的规定

根据《同步电机励磁系统 大、中型同步发电机励磁系统技术要求》（GBT 7409.3—1997），励磁系统使用条件规定如下：最高环境温度不超过40 ℃，并且24 h 内的平均温度不超过35 ℃。运行地点的最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高于25 ℃。

根据《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》（DL/T 843—2010），励磁调节器一般应安装在空调室内。

5.2 励磁小间通风系统最初设计方案

励磁小间通过与汽机厂房相通的百叶窗进冷风，通过轴流风机向室外排热风，属于开式循环冷却方式。励磁小间设计2 台轴流风机，总通风量为2×7 655=15 310 m3/h。空调为辅助制冷，制冷能力为设备发热量的10%，仅起辅助冷却作用。按照通风系统设计说明，励磁小间进风为汽机房内空气，夏季环境温度按28 ℃计算，温度梯度约为4 ℃，即励磁小间进风温度为32 ℃。

5.3 励磁小间通风系统最初设计存在的不足

a） 在额定运行工况下，励磁系统最大功耗为90.294 kW，加上励磁盘柜的发热量，励磁小间在夏季的温度会高于32 ℃。根据计算，单台整流柜风机排风量为1 900 m3/h，6 台整流柜风机总排风量为11 400 m3/h。轴流风机排风量大于整流柜的排风量，但缺少冗余设计，当1 台风机出现故障，更换风机需要数小时，这种情况下，励磁小间内温度会很快上升，造成设备过热或机组降负荷事件。

b） 励磁小间的设计未考虑滨海核电夏季空气湿度大的特点，汽机房内的潮湿空气会进入励磁柜内部，降低元器件的绝缘，影响设备的安全运行。

c） 由于励磁柜进风只有简单的过滤，励磁柜内不可避免地会进入粉尘。该核电机组的大修周期为18 个月，长期运行后，励磁柜内可能会积累非常多的粉尘，影响励磁系统可靠运行。

5.4 励磁小间通风系统设计优化

考虑到励磁系统的重要性及核电机组检修周期长的特点，设计单位同意优化励磁小间通风系统设计。

设计优化方案：在励磁小间增加3 台柜式工业空调，由开式循环冷却改为闭式循环冷却，轴流风机仅作为空调的备用。

6 ZVS 限制功能定值与发变组保护定值的配合校验

6.1 配合原则及配合校验项目

根据国家能源局《防止电力生产事故的25 项重点要求》第11.3 条规定：“加强励磁系统的调整试验管理”，要求励磁系统的限制环节都应在发变组保护动作前进行限制。励磁限制环节与保护定值配合的校验包含以下项目：励磁系统V/Hz 限制特性与发电机过励磁保护的配合；励磁系统定子过压监视和发电机过压保护配合；励磁系统定子电流限制和发电机定子过流保护配合；励磁系统低励限制和发电机失磁保护配合；励磁系统过励限制和发电机转子过负荷配合；励磁变压器保护定值与励磁系统强励能力的配合。

6.2 配合校验的主要流程及注意事项

定值配合校验的主要流程：将保护的动作方程、励磁限制特性尽可能转换为动作曲线。校验励磁限制、保护定值与发电机的耐受能力配合关系，以及转化为校验曲线间是否配合。只要曲线间没有交叉，配合校验即合格。相比通过选点校验，这种校验方法最大的特点是清晰直观。另外，对于保护的动作特性、励磁限制特性，一般是以函数方程形式给出的。在工程实践中，可以通过Excel 软件在函数方程上取一些点，通过Excel 软件的插入图表（X、Y散点图） 功能将这些点生成动作曲线，然后将需要校验的2 个动作方程对应的动作曲线放在一个坐标图上即可直观地完成校验。

在定值校验过程中，我们发现ZVS 系统内部整定值项目很多，人机接口为英文界面，且整定值名称采用英文缩略语，只有厂家调试人员熟悉每项定值的意义、定值之间的关系。为了高效完成定值配合校验，建议联系厂家调试人员提供技术支持。定值配合校验举例如下。

6.3 励磁系统过励限制和发电机转子过负荷配合校验

6.3.1 发电机转子过负荷保护

励磁变低压侧CT：准确级5P20，变比10 000/1 。

a） 定时限部分：Ipickup=0.84（标幺值），延时12 s 动作于信号。

b） 反时限部分：选用反时限特性为IEEE Extremely Inverse，其计算公式如下

反时限保护动作于全停1，不同转子电流下动作时间如表1 所示。

表1 发电机转子反时限过负荷保护在不同电流下的动作时间

6.3.2 励磁系统过励限制（In.Reg_Field_Cur_Max_Lim） 定值

标幺值以励磁额定电流9 265 A 为基准。

Delay Func Select：3（Extremely inverse），

Max Field Current：2（标幺值）

Max Thermal Field Current：1.05（标幺值），

No Limit Delay：0.2 s

Thermal Down Time：150 s，Time Max Field Current：20 s

Min Field Current：0.1（标幺值），

Max Thermal Field Current：1.05（标幺值）

反时限公式为

将Iequivalent=2、t=20 s 代入上式，可得k=0.657。在不同电流下，励磁系统反时限过励限制的动作时间如表2 所示。

6.3.3 第一次配合校验

发电机厂商提供的转子过负荷耐受能力曲线见图1，发电机在不同转子电流下的可耐受时间如表3 所示。

按照6.3.1 和6.3.2 反时限特性绘制曲线，并将转子过负荷耐受能力曲线一并绘制在一个坐标系下进行动作配合校验，详情见图2。

由图2 可以看出，励磁系统转子电流限制不能与发电机转子过负荷保护配合，并且两者都未能保护到转子绕组，需要重新整定。6.3.4 纠正措施

表2 励磁系统反时限过励限制在不同电流下的动作时间

图1 发电机厂商提供的转子过负荷耐受能力曲线图

表3 发电机在不同转子电流下的耐受时间

发电机转子过负荷保护反时限特性重新选择如下。

选用IEC Curve A 标准反时限曲线

图2 发电机转子反时限过负荷保护、励磁系统反时限过励限制、发电机转子过负荷耐受能力配合校验图

按照Ip.u.=2，t=10.33 s，推算出TDM=0.95。

励磁系统转子电流限制反时限特性重新选择如下。选用IEC Curve A 标准反时限曲线

取Iequivalent= 2（标幺值），Tequivalent=8 s 代入反时限公式，推算出TDM=0.742，反时限特性如表4 所示。

表4 励磁系统反时限过励限制在不同电流下的动作时间

修改后的发电机转子过负荷保护和励磁系统转子限制反时限特性曲线见图3。

图3 修改后的发电机转子反时限过负荷保护、励磁系统反时限过励限制、发电机转子过负荷耐受能力配合校验图

结论：通过重新选择转子过负荷保护、过励限制动作曲线，过励限制、转子过负荷保护和转子耐受曲线之间不再有重叠交叉，配合校验合格。

7 结束语

在设计阶段，核电厂技术人员对照设计标准、《防止电力生产事故的25 项重点要求》等规定，消化厂家、设计院图纸，识别发现不满足设计标准的问题，协调厂家、设计院完成设计变更及实施。在调试阶段，协调励磁厂家、PLS 厂家解决了不同系统间的接口问题。电气设备厂家应熟悉仪控提资形式，确保提资深度满足仪控系统设计开发需要。

通过总结UNITROL 6800 静态励磁系统在某核电厂的设计经验反馈，为后续同类型机组设计提供了参考，具有一定的借鉴意义。