核电站励磁变压器设计选型及运行优化

刘 欢，陈啟豪，易非凡，陈富杰，钱厚军

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

秦一厂原本的励磁系统配置的是日本三菱的AVR装置及国产品牌的整流及灭磁装置(水冷方式)，考虑到设备已经达到运行年限，设备内电子元器件老化，备品备件的供应成本增加，以及技术支持薄弱和不满足相关网源协调新要求(如增加PSS功能等)等因素，导致励磁系统潜在的运行风险加大，不利于机组的安全稳定运行。因此，在某次大修期间实行励磁系统的改造工作，由自并励静止励磁系统替代原本的三机有刷励磁系统。在这一过程中有变压器选型、励磁变压器运行条件优化等问题，本文将对以上几个问题进行研究并提出有效解决方案。

1 励磁系统改造意义

1.1 励磁方式简介

励磁系统是发电机的核心控制系统，其主要作用是调节发电机的电压和无功功率，在发电机故障时快速灭磁，保护发电机组。发电机的励磁方式是随着电力电子技术的进步而逐步发展的，早期同步电机一般采用同轴直流励磁机的励磁方式，20世纪60年代，随着硅整流元件的出现以及机组容量的增大，同轴直流励磁机已无法满足要求，只能采用交流电源经硅整流后供给发电机励磁绕组。根据交流电源的来源不同，大约分为两大类：

第一类，交流电源来自与主机同轴的交流发电机，经整流后供给主机的励磁绕组，此交流电源称为交流励磁机，这类励磁方式通常称为三机励磁，三机励磁按整流器是静止还是随发电机旋转，又可分为静止硅整流(有刷)和旋转硅整流(无刷)，该核电机组原本的励磁系统即是静止硅整流系统，如图1所示。

图1 三机静止硅整流励磁系统原理图示Fig.1 The schematic of three static silicon rectifier excitation system

第二类，交流电源来自接于发电机出口的励磁变压器，经可控硅整流后供给发电机励磁绕组。对于励磁变并联在发电机出口的励磁方式，称为自并励励磁方式，也是本次改造后的励磁方式，如图2所示。

图2 自并励励磁系统原理图示Fig.2 The illustration of the principle of the self-shunt excitation system

1.2 两种励磁方式的对比

两种励磁方式在系统组成、响应速度、强励能力、励磁电源、灭磁方式和运行维护等方面存在着一定差异，具体差异内容见表1。

表1 发电机励磁方式比较Table 1 Comparison of generator excitation modes

随着大型机组励磁技术的不断发展，自并励励磁系统作为主流的、成熟的励磁方式，以其优良特点在核电机组中得到广泛应用和验证。

1.3 项目改造意义

对于本项目而言，此次改造主要工作涉及发电机组励磁机本体和励磁系统控制部分，主要意义如下：

1)通过更新励磁系统设备，完善励磁系统硬件配置和功能，进一步满足机组安全、稳定运行需要和网源协调新要求。

2)励磁方式的变更，提高了发电机励磁系统的响应速度和机组的实际强励能力。

3)静态励磁系统是当前国内外最普遍的一种励磁方式，经过几十年的使用情况来看，该模式是成熟、可靠的，通过本次改造可有利于机组励磁系统方面的技术交流和维护整改工作。

2 励磁变压器设计选型

在进行励磁变压器工程设计时，需要考虑高次谐波对容量选择的影响，以及短路阻抗对直流侧短路电流的影响等因素。

1)励磁变压器二次侧电流计算

国家或相关行业标准规定：励磁系统输出电流必须大于1.1倍发电机额定励磁电流并可长期连续运行。

对于自并励励磁系统的全控可控硅整流桥，励磁变压器二次侧电流与励磁系统直流侧输出直流电流的关系满足下式(励磁系统直流输出电流为1921 A):

(1)

式中：I2n：励磁变压器二次侧线电流；

Id：励磁系统输出直流电流。

因此当Id输出为额定电流的1.1倍时，对应的励磁变压器二次侧线电流即为励磁变二次侧额定线电流，则有：

(2)

励磁变二次侧额定电流(I2n)应大于1728.9 A。

2)励磁变压器二次侧电压计算

国家或行业标准规定：当发电机机端电压降至额定电压的80%时，励磁系统保证最大励磁电压不小于额定励磁电压的2倍。

励磁电压专指发电机励磁绕组两端的电压，而可控硅整流柜输出的电压不仅包括励磁电压，还需考虑可控硅换相压降、可控硅导通压降、电缆及母排压降及滑环、碳刷压降等。则可控硅整流桥输出电压计算公式为：

(3)

考虑发电机极端电压降至80%，则有：

(4)

式中，U2n：励磁变压器二次侧空载额定线电压；αmin：励磁系统强励时可控硅控制角，计算中取为10°；Ufmax：励磁系统强励电压；Ifmax：励磁系统强励电流；K1取0.8；

∑ΔU：电压降之和，包括导通两臂的硅元件正向压降，汇流导线电阻压降及转子滑环与炭刷间的压降，计算中取10 V。

(5)

经核算，励磁变压器二次额定线电压应不小于940 V，本项目励磁变额定线电压为970 V，满足要求。

3)励磁变压器额定输出电压计算

基于上述励磁变压器二次侧电压、电流的计算，励磁变压器的容量按下列公式计算：

(6)

式中，ST：励磁变压器的容量；ΔS1：励磁变压器的附加损耗(主要包括铁耗和铜耗)；ΔS2：励磁变压器的高次谐波损耗。

根据励磁变压器所带可控硅整流桥负载特性，运行中的主要包括 5、7、11、13等奇次谐波，在考虑谐波电流分量裕度的基础上，可简化如下：

(7)

式中，k1为考虑励磁变压器运行中谐波电流分量的裕度系数，推荐范围：1.05～1.1;为励磁变压器工程设计时的计算容量，在具体计算时，建议选取靠近计算容量值的上一级标准容量作为设计容量，且此值作为励磁变压器的铭牌容量；为励磁变压器的附加损耗(主要包括铁耗、铜耗)，由励磁变压器供货商根据励磁变压器的设计参数自行考虑及计算，且此值不计入励磁变压器的铭牌容量。

经计算，励磁变压器额定容量应在在3050～3195 kVA范围内，本项目励磁变压器容量为3150 kVA，满足要求。

4)各工况励磁触发角计算

发电机额定空载励磁电流为Ifo=632 A,空载励磁电压为Ufo=130 V，则励磁变阻抗值为：

(8)

空载触发角度计算：

1.35·U2n·cosα0=

(9)

α0≈83.307°

发电机额定负载电流为Ifn=1921 A，励磁电压为Ufn=457 V，则额定负载触发角计算：

1.35·U2n·cosαn=

(10)

α0≈58.699°

发电机强励时励磁电流为Ifmax=3842 A，励磁电压为Ufmax=914 V，则触发角度计算为：

1.35·U2n·cosαcoil=

(11)

α0≈40.167°

如果强励时机端电压降至80%，则：

(12)

α0≈17.213°

5)发变组短路试验核算

根据发电机电流特性曲线，额定短路试验时励磁电流If约1540 A，对应励磁电压Uf则为366 V。

短路试验时，励磁变压器高压侧接6.3 kV三相电源，则有励磁变低压侧电压线电压为：

(13)

按最小触发角为10°计算，其输出电压为：

(14)

由上式可知励磁变压器一次侧接厂用6.3 kV电源即可满足发变组短路试验要求，无需额外设置抽头。

6)发变组空载试验130%试验核算

根据发电机空载特性曲线，130%空载试验励磁电流约为1830 A,则励磁电压Uf=448 V>410 V，故励磁变压器一次侧接6.3 kV厂用电源不能满足发电机做130%空载试验，需要额外设置抽头，现场工作中将试验抽头设置在励磁变压器高压侧15 kV位置以满足现场试验需要。

3 励磁变压器运行工况优化

在本项目励磁变压器完成安装后，运行过程中出现温度偏高的情况，在设备本身状态良好的情况下考虑是因为运行空间散热能力不够造成，改造设备位于励磁小室和PT小室，因此对两个房间的发热量和散热量进行统计，制定方案优化设备的运行条件。

3.1 新增设备及发热量统计

1)励磁小室

励磁小室现为封闭式结构，室内面积约为83 m2。室内现放一台整流灭磁装置，发热量约为20 kW。封闭母线干燥装置柜一台发热量约为300 W。小室现配置3台10 HP空调，1台10 HP柜机制冷量为25 000 W(额定工况)。

2)PT小室

PT小室一侧为楼梯，是半封闭结构，室内面积约为92 m2。室内现有PT柜一台，发热量约为500 W。小室未配空调，仅安装一个排风扇。

3)励磁小室将原整流灭磁装置拆除，更换成新的励磁调节器，发热量约为30 kW。

4)PT小室新增一台3150 kVA励磁变压器(干式变)，发热量约为30 kW。

励磁小室与PT小室发热量统计见表2。

表2 励磁小室与PT小室发热量统计Table 2 Heat output statistics of excitation chamber and PT chamber

3.2 设计计算

励磁设备间宜设置机械通风装置，当机械通风不能满足设备要求时，可设置空气调节装置。出线小室内有励磁变压器时，通风量应按排除室内余热所需的风量来确定且保证换气次数不少于每小时10次。

PT小室通风宜采用自然通风、机械排风系统，通风系统按照夏季排风温度不超过40 ℃设计。厂用配电装置室负荷计算时，可不计入围护结构和人体的散热量等，仅计算室内电气设备的额散热量。

1)励磁设备间暖通计算

励磁小室目前配有3台10 HP空调，制冷量为：3×25 000=75 000(W)

空调制冷量大于室内设备和围护结构热负荷之和，满足设计要求。

2)PT小室暖通计算

PT小室采用自然进风、机械排风的方式排出室内余热，通风计算时不考虑围护结构的冷负荷，只需考虑发热设备的发热量即可。通风量为：

(1)

式中，p：室内空气平均密度，kg/m3；

c：空气的比热容，1.01 kJ/(kg·℃)；

ρ：空气密度；

tp：变配电室的排风温度，℃；

tj：变配电室的进风温度，室外夏季通风计算温度(℃)，温度梯度难以确定时，进风温度可以按照比夏季通风室外计算温度高2～3 ℃选取；夏季通风室外计算温度嘉兴地区取值为：30.7 ℃，室内温度按38 ℃进行计算。

3.3 设计输出

励磁设备间现有空调满足设计要求。

PT小室采用自然进风、机械排风的通风方式排除室内余热；选取两台T35-NO5.6的轴流风机，进行机械排风，进风为百叶窗自然进风，百叶窗面积为2000 mm×1000 mm。

3.4 简要安全控制措施

PT小室加装轴流风机对房间进行排风散热后，安排每周2次的人员巡检，关注励磁变压器的运行温度，以保证设备的运行安全和验证运行工况优化的效果。巡检结果表明上述的优化措施对降低励磁变压器的运行温度有效果，设备的运行安全得到有效保障。

4 总 结

此次变更降低了励磁系统的复杂性，减少了设备的维护。由于其自身优越性实现了主发电机的扩容，在保证发电机机组运行可靠性的前提下提高发电机额定出力，持续提高了机组的经济效益。本次改造对励磁变压器选型的计算以及运行后对励磁变压器运行条件的优化等对后续后续类似工程改造项目具有良好的示范作用和推广价值。