核电保障用中压电源车的选型设计

摘要：通过对柴油发电机组、中压开关柜、电缆、散热器、牵引车底盘等电源车关键部件进行选型设计和整车优化布局设计，设计出满足相关法律法规要求和核电应急保障用高可靠性的中压电源车。

关键词：中压电源车；柴油发电机组；功率；选型

中图分类号：U462 收稿日期：2023-05-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.015

1 前言

核电作为一种安全、清洁和高效的能源，是我国能源供给体系的重要分支。发展核能是优化我国能源结构、建设美丽中国、应对全球气候变化的战略选择。目前，我国已经成为全球核电发展最快的国家，核能产业进人一个新的发展时期。安全高效推进核能产业的可持续发展，是当前及今后我国核能界的重要职责和使命［1］。

2019年是我国核电项目正常审批的重启年，国家“十四五”规划纲要表明，至2025年在运核电装机容量达到7 000万kW［2］。国家能源局正在以“十四五”规划纲要为指导，研究制定新一轮核电发展中长期规划。“福岛核电站事故”后，核电的安全性扪发了社会的广泛关注，为了提高核电厂的安全水平，移动电源车被选入核电厂建设所需的后备电源［3］。本文主要以某核电厂1、2号机组中的630 kW电动辅助给水泵进行全压起动和支持它运行的操作电源和控制电源所需的10 kV移动中压电源车进行选型和设计。以确保电源车满足GB 1589-2016［4］、DLT5153-2002［5］等相关法规要求和产品的可靠性。

2 柴油发电机组容量的选型计算

2.1 技术规格

柴油发电机组的主要性能参数如表1所示，自然环境条件如表2所示。

加载的负荷及加载顺序如下：

第1步加载200 kW（110VDC和 UPS蓄电池充电器）。

第2步加载直接全电压启动一台10 kV、630 kW辅助电动给水泵，参数见表3。

对于每一步负荷的加载，频率不应下降到额定值的 95%以下，电压不应下降到额定值的75%以下。

2.2 柴油发电机组的功率和容量计算

2.2.1 机组长时最小稳态功率计算

已知条件：机组允许电压降为25%；负荷Sc=200 kW；功率因数cosθ=0.8；效率η=0.98；水泵功率Sc1=630 kW；电动机功率因数cosθ=0.86；电机效率η=0.93。

则运行功率合计为：

代入上面的数据，则有

Se=200/0.8/0.98 kV·A+630/0.86/0.93 kV·A=1 043 kV·A

故起动电源柴油机组容量最小稳态功率应大于1 043 kV·A。

2.2.2 短时尖峰负载能力校验

电动机数据表直接启动，故柴油发电机组直接启动的短时过负荷发电机容量计算如下：

式中，Sc为外接负荷功率，255 kV·A；Kq为电动机启动倍数，根据启动负荷要求可知启动倍数为6.6倍；K为换算系数，此处为0.8；PDM为电动机的额定功率，630 kW；KOL为发电机在热状态下，能承受150%Se，时间60 s。

代入上面的数据，则有

Se≥[255+（1.25×6.6-0.8）×630]/1.5 kV·A=3 299 kV·A

故得出结论：启动水泵，应需要3 299 kV·A的发电机。

2.2.3 启动电动机母线允许电压降水平的校验计算

电动机启动时，配电母线和电动机的电压降均要满足要求，发电机容量计算公式：

式中，Sst∆为导致发电机最大压降的电动机视在容量，kV·A；X[′]d为发电机的暂态电抗，根据发电机参数，取0.2；∆E为母线及其电动机允许的瞬间电压降，取25%。

代入上面的数据，则有

Se=630/0.86×6.6×0.2×（1/25%-1）kV·A=2 901 kV·A

故得出结论：当允许母线电压降25%，发电机的容量必须大于2 901 kV·A。

结合上述计算，初步选择电机容量大于3 299 kV·A。

考虑核电厂对发电机的要求高，选用无锡斯坦福一线品牌的发电机，根据斯坦福电机的资料查得HVSI804X2这款发电机F级温升时的额定容量为3 555 kV·A。

再根据选择的HVSI804X2发电机的参数进行校验。

电压降的计算公式如下：

式中，∆U为电压降，%；X[′]d为发电机的暂态电抗，根据发电机参数，取0.195。XL表达式如下：

式中，SG为发电机额定容量，kV·A，根据HVSI804X2的数据单，F级温升时的额定容量为3 555 kV·A；Sst为最大启动容量，最大启动容量发生在630 kW辅助电动给水泵的电动机上，根据电动机数据表，则启动容量为

S=[（P2+Q2）]=[（1 170.32+3 705.92）]=3 886.3 kV·A

∆U=0.195/[（3 555/3 886.3）+0.195]×100%=17.6%

由此满足电压降小于25%的电压降要求。

根据图1，发电机在25%电压降的时候，可启动电机4 500 kV·A，满足启动要求。

2.3 启动最大电动机校验容量时的柴油发动机一次突加功率复核

启动最大电动机组容量校验，柴油发动机容量计算公式：

式中，Pc为启动最大发动机前的柴油发电机所带的负载，200 kW；PDM为最大发动机功率，630 kW；cosθPD为最大发动机运行功率因数，0.86；η为最大发动机效率，0.93；cosθst∆为最大发动机启动功率因数，0.3；Kst∆为柴油机一次突加负载能力，一般取50%～80%（根据查询发动机的突加负载能力，康明斯柴油发动机突加负载能力达到80%）。

代入数值得：

Pe=200+6.6×630/0.86/0.93×0.3/0.8 kW=2 150 kW

根据康明期柴油发动机选型表查得选用QSK60-G23，最大输出功率可达2 389 kW，大于一次突加功率2 150 kW的要求。

综上所述，柴油发动机选择康明斯QSK60-G23，发电机选择斯坦福HVSI804X2组成的柴油发电机组。该款机组能以标定功率正常连续运行12 h（其中包括以备用功率即超过标定功率10%运行1 h），大修时间达30 000 h，满足核电厂要求的容量和连续运行的要求。

3 主要设备选型

3.1 开关柜选型

选用ABB品牌Safe系列的Safe Plus-DVF中压开关柜。这主要考虑到核电厂主要建在沿海地区，而ABB Safe系列的中压开关柜所有高压带电部分位于不锈钢箱体内，箱壳为不锈钢密封焊接，充入工作压力140 kPa的SF6气体，防护等级为IP67；适用于潮湿、多沙多尘、盐污、矿山、箱式变电站和任何由于空气污染易引发表面污闪的场所而不必采取特别的预防措施；高可靠的人身安全保障，同时集成了工业自动化技术的智能开关，在品质上也有保障；避免因中压开关柜操作电源的不稳定烧分合闸线圈，单独配了一套40 A·h的直流屏。

3.2 电缆及电缆收放装置选型

电缆作为动力的输出，根据柴油发电机组电压的等级和电流的大小选用低烟无卤阻燃电缆，电缆型号为WDZ-DC-EY8.7/15 kV 1×50 mm²，长度100 m/根，共三根，并带有黄、绿、红三种色标。

接地电缆选用PE用黄/绿双色导线1×150 mm²，长度50 m/根。为了收纳电缆，设计了具有手动和电动一体功能的电缆收放装置。

3.3 散热器选型

散热器是发动机本体散热的重要组成部份，传统的型式是将发电机、发动机、散热器安装在同一底座上，利用发动机的传动皮带带动风扇给散热器降温。这种型式主要是机组总体的高度和宽度比较大，不能满足电源车的局限外形尺寸，同时也不利于机组的散热，并且噪音大。

为了解决这一问题，通过散热器厂家设计一款适用于电源车上的50 ℃卧式分体的散热器，水箱散热芯选用铜材质。采用这种型式主要是散热器和机组室是分开的，机组产生的热量不会传导到散热器影响散热器的降温效果。散热器的进风主要从下端两侧的百叶窗通过散热器顶部的排风机将两侧的环境风抽进来，经过散热器后从顶部将热风排出去。由于发动机和发电机会产生热量，需要设计强排风机对机组室内的柴油发电机组进行排风，保证机组室内的温度维持在合理的范围内。

3.4 车辆的选型计算

查询柴油发电机组的重量为22 070 kg，四轴车的最大总质量为32 000 kg，四轴车的底盘的整备质量为10 600 kg。柴油发电机组和底盘的重量已超过32 000 kg，因此选用承载最大可达40 000 kg的半挂车才能满足。

电源半挂车主要由牵引车、半挂车、厢体、柴油发电机组、散热器、干式变压器、燃油箱、中压开关柜、进排风系统、排烟消音装置、电缆存放装置、支撑系统、输配电及操控系统、燃油水套加热器、照明系统、倒车系统、消防设备、防雷装置、接地装置等组成。

主要设备重量列表见表4。

根据上述理论计算车辆理论总质量39 615 kg，选用承载40 000 kg的半挂车。半挂车主要参数如表5所示。

对牵引车的选择，则采用国内成熟的、通用性强、可靠性高的牵引车。牵引车参数如表6所示。

式中，Pemax为发动机最大功率；ηT为传动效率（货车），取0.9；ma为总质量，49 000 kg；g为重力加速度，取9.8 m/s2；fr为滚动阻力系数（货车），取0.02；[vamax]为最高车速，取89 km/h；CD为空气阻力系数，取0.8；A为迎风面积（前轮距×总高），2.01×4 m2=8.04 m2。

将上述数据代入公式，则

由上可知，选取的半挂车牵引车的发动机功率为343 kW＞329.98 kW，满足要求。

根据GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》［6］标准4.5条，比功率中的低速汽车及拖拉机运输机组的比功率应大于或等于4.0 kW/t，除无轨电车、纯电动汽车外的其他机动车的比功率应大于或等于5.0 kW/t。

比功率为发动机最大净功率（或0.9倍的发动机额定功率或0.9倍的发动机标定功率）与机动车最大允许总质量之比。

因此，牵引车发动机功率为343 kW，发动机最大净功率为308.7 kW，则

[比功率=发动机最大净功率机动车最大允许总质量=6.3 kW/t]

由上可知，所计算的比功率满足机动车的比功率应大于或等于5.0 kW/t要求。

4 电源车的整车布置

中压电源车整车布置说明：如图2所示，从车尾向前整车分别由电缆收放装置和中压开关柜操作室、机组室、水箱和独立油箱室等组成。

根据整车的布局方案，对整车进行轴荷、重心的计算，以确保不产生明显偏重和轴荷超重的现象，整车安全性能满足国家相关标准要求。

下面将进行中压电源车改造质心的计算。

以车前轴中心点在地面上的投影点为坐标原点，车长向后方向为X坐标正方向，横向从左向右为Y坐标正方向，车高向上方向为Z坐标正方向。

各部件质量及质心位置见表7。

整车质量：M=39 615 kg

车辆轴距：L=9.090 m

后轴负荷：M2=[∑（M×L1）L]=23 861.93 kg

前轴负荷M1=M-M2=15 753.07 kg

质心距前轴距离：a=[∑（M×L1）M]=5 475 mm

质心距后轴距离：b=L-a=3 615 mm

质心距地高度：hg满=[∑（M×H）M]=1 828 mm

下面进行横向稳定性计算。

已知条件：轮距B=2 200 mm；满载质心高度hg满=1 828 mm；行驶路面附着系数φ=0.6。

保证满载行驶不发生侧翻的条件为：

[B2hg>]φ

[B2hg满=2 2002×1 828]=0.601>0.6

结果表明，横向稳定性满足要求。

下面进行纵向稳定性计算。

已知条件：专用汽车质心到后轴中心距离b=3 615 mm；专用汽车质心高度hg满=1 828 mm；专用汽车行驶路面附着系数φ=0.6。

保证满载行驶不发生纵翻的条件：

将数据代入上式，则

[bhg满=3 6152×1 828]=0.98>0.6

结果表明，纵向稳定性满足要求。

根据整车轴荷计算结果，整车轴荷分配平衡合理，侧倾稳定性符合GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》［6］提出的“整车最大总质量小于整备质量的1.2倍时，左右侧倾稳定角不小于28°”的要求。由此说明，整车轴荷分配满足相关标准要求。

5 结语

中压电源车通过设备的选型、整车布置、柴油机组容量的计算验证、整车的质心和稳定计算，均满足核电厂为一台630 kW电动辅助给水泵及其运行所需要的控制电源恢复供电的要求和整车符合相关标准的要求。整车通过各项试验，试验结果达到使用要求。同时该车已交付某核电厂使用，为核电厂提供可靠的后备电源。

参考文献：

[1]房建成.移动电源车在核电厂的应用探讨[J].科技创新导报，2015（16）：230.

[2]吴珂.“十四五”中国核电产业发展展望[R].国际清洁能源产业发展报告，2019：104-119.

[3]汤明星，叶雄伟，张华东，等.核电站云智能电源车的设计[J].移动电源与车辆，2020（3）：1-7.

[4]GB 1589-2016 汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值[S].

[5]DLT5153-2002 火力发电厂厂用电设计技术规定[S].

[6]GB 7258-2017 机动车运行安全技术条件[S].

作者简介：

邓国成，男，1984年生，工程师，研究方向为移动电源车辆技术。