核电厂应急柴油发电机Word文档格式.docx

1、 选题背景及其意义 2008 年联合国波兰气候大会，对替代碳机的各种清洁能源进行排名，按照 合理利用、成熟性、经济性和竞争力划分了四个档次，排在第一档次第一位的是 核能，可见，发展核电已成为清洁能源必走之路。根据全球气候变暖的形势以及 节能减排和环境保护的要求，我国政府就提出“积极发展核电”的方针，规划到 2020 年大陆核电装机容量达到 4000 万 kW 以上，占总发电量将有 1.4提高到 4 左右1。毫无疑问，中国核电正迎来行业的大发展。 但美国的三哩岛核事故、前苏联的切尔诺贝利核事故、特别是今年的东日本 大地震引起的福岛核电站事故，再一次牵动着全世界的神经。这表明核电厂核安 全事故后果

2、的难以消除性、 国内国际社会公众的极度敏感性以及核安全的极其重 要性。核电厂应急柴油发电机作为全厂应急安全电源与核安全直接相关， 目的是为 了在核电站的厂用工作电源和辅助电源都发生故障时， 确保机组安全停堆和防止 关键设备损坏。 从而在保护燃料元件不受损坏和保证核安全方面发挥非常重要的作用2。 应急柴油发电机在全厂失电时从接到启动指令后： 1） 一般应在 1015s 内启动并达到额定电压和频率，并按事先规定的带载 程序分批次带载；2） 频率恢复到其额定值的 98%以及电压恢复到其额定值的 90%的时间应小 于这一程序步骤开始和下一程序步骤开始之间的时间间隔的 40%；3） 负荷加载期间，频率不

3、应下降到额定值的 95%（47.5Hz）以下；4） 电压不应下降到额定值的 75%（4.95kV）以下；5） 加载的每一步骤之后，运行条件的瞬变均不应导致柴油发电机组转速的 增加超出超速跳闸最小整定值与额定转速之差的 75%3。我国的核电厂运行经验表明， 确有全厂断电事故而紧急启动应急柴油发电机 的情况发生 4。倘若在此时应急柴油发电机的应急运行电能质量不符合上述标准而跳闸,后果将不堪设想.目前我国现有核电柴油发电机组几乎全部从德国MTU/AREVA 和法国 ALSTOM 进口，国内目前尚不具备自主设计和制造能力。因此深入分析核电厂 应急柴油发电机的电气运行关键问题有着很强的国内核电建设运营背

4、景和防止 发生类似日本福岛核电站核事故的现实意义。1.2 国内外研究动态核电厂应急柴油发电机的特点是：大容量、高可靠性（启动成功率不小于 99%）、快速启动（十几秒钟内建立合格的电压和功率），良好的带载性能 1。目前，国际上柴油机生产制造行业已发生了剧烈的并购和重组，同时，由于欧美的核电发展不前，使得研究、生产核电应急柴油发电机的厂家、机构日益减少，甚 至有些应急柴油发电机组产品系列已经停产，只剩下了德国的 MTU 公司和法国 的 ALSTOM 公司能生产 1E 级柴油发电机组。我 国 现 有 的 核 电 机 组 除 秦 山 一 期 以 外 全 部 从 法 国 ALSTOM 和 德 国 MTU

5、/AREVA 进口，新建核电项目正在进行国产化引进：陕柴与 MTU 成立陕 西北方安特优发动机有限公司合资企业承接福清、方家山项目；陕柴与 MTU/AREVA 组成联合体承接阳江项目；陕柴-ALSTOM/MAN 组成联合体承接 宁德、红沿河项目，通过合作生产逐步掌握技术。 可以说，目前国内、外的核电应急柴油发电机组面对新形势下的核电发展需 要，还要不断的创新。尤其是国内在这方面的研究，还有很长的路要走。核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题的最终体现是应急供电的质量。 应 急运行时，应急柴油发电机的电压建立、暂降以及供电连续性等方面由于有其十 分特殊的意义直接涉及到核安全， 故核电厂应急柴油发电

6、机的电气运行关键 问题研究是核电电气从业者的共同心声。 在我国核电应急柴油发电机组的引进中，对继电保护的配置、励磁选择、程 序带载时负载搭配、柴油机与发电机的容量搭配等方面存在的差距较大，而国内 没有可查询的依据或者相关标准， 根据核电厂应急柴油发电机的最终使用目的 提供较高的应急电能质量，来研究核电厂应急柴油发电机的电气方面配置，是 我们核电电气工作者必然要面对的现实问题。 电能质量，从普遍意义上讲是指优质供电，可定义为：导致用电设备故障或 不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压波动与闪 变、电压偏差、三相不平衡、波形畸变（谐波） 、暂时或瞬态过电压、电压暂降、 中断

7、、暂升以及供电连续性等 5-7。在我国目前运行的核电厂中，应急柴油发电 机应急运行时的电压建立、中断、暂降和恢复已成为核电厂最重要的电能质量问 题 8。1.3 课题研究内容本课题主要是对我国已运行核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题进行探讨， 以便进一步提高应急柴油发电机应急带载的电能质量及为后续应急柴油发 电机建设提供参考。研究内容如下:1）核电厂应急柴油发电机应急运行供电质量要求。核电厂设置应急安全电 源的目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助电源同时发生故障时， 确保机组 安全停堆和防止关键设备损坏；目前在我国二代堆型中，应急柴油发电机对保护 燃料元件不受损坏和保证核电厂核安全方面发挥非

8、常重要的作用 2。本章对核电 厂应急柴油发电机的作用和应急运行时的技术要求作出归纳， 明确改善应急柴油 发电机电气运行关键问题的方向。2）应急柴油发电机的继电保护设置。目前，我国大陆核电厂的应急柴油发 电机继电保护设置差异比较大，通过本节的研究，给出应急柴油发电机的继电保 护设置部分实例、一般方法及工程经验反馈，对应急模式下的继电保护配置作出 论证和改进，使柴油发电机的应急供电能力得到进一步的提高。在应急情况下， 低电压保护由于能较好的反映柴油发电机因严重故障而不能继续带载运行， 故本 节通过论证推荐其为应急方式下唯一允许跳闸的电气信号。3）核电厂应急柴油发电机的励磁调节系统。在国内核电厂众多

9、的应急柴油 发电机励磁调节器中，属于数字式励磁调节器的并不多，起励电路、励磁方式等 也各有差异。而在提高柴油发电机供电稳定性方面，励磁方式的选择、励磁调节 器的选型、 起励电路的设计以及励磁的限制与保护是提高励磁系统供电稳定性的 先天条件， 关系重大。 通过本章节的探讨， 结合应急柴油发电机的特殊工作环境， 对不同励磁方式性能作出对比，论证带永磁机的三机无刷励磁方式的优点，也对 励磁保护方面作出一些归纳等，为后续建设的应急柴油发电机励磁系统提供参考。4）应急柴油发电机的程序带载试验及改善方法分析。程序带载试验是应急 柴油发电机设计功能的最终检验。试验模拟全厂断电情况下，自动触发柴油发电 机应急

10、启机，及时建立电压并按事先设计的带载顺序逐一带载。本章节通过对程 序带载的负载结构、电动机起机引起的电压降、柴油机和发电机的容量配置等方 面的研究，提出降低电压暂降可采取的措施为：启动时间错开，避免多台 6kV 电动机的同时起动；在兼顾了相对紧急程度的情况下，调整起动顺序；合理选择 柴油机和发电机的容量；经济许可情况下，可适当提高柴油发电机的容量，改善 程序带载过程中的电压降，提高应急供电性能。 最后希望我国的核电厂应急柴油发电机的电气运行关键方面研究能够完全 自主、建立一套自己的标准、规范。第2章 核电厂应急柴油发电机应急运行供电质量要求 2.1核电厂应急柴油发电机的作用2.1.1核电厂应急

11、柴油发电机的认识在核电厂中，利用235 U的裂变来产生热量。由于裂变产物衰变放出缓发 射线，堆芯成为强放射源，因此在反应堆停止运行时，堆芯除了裂变产物的衰变 热外， 还自行存在放热， 形成总的堆芯余热。典型堆心余热曲线图如图 2-1 所示： 图 2-1 典型堆芯余热曲线图0停堆后长期存在的剩余发热是影响裂变反应堆安全问题的关键因数。 由于堆 芯余热的存在，如果不能有效冷却，就会足以导致堆芯持续升温以致熔化，自发 突破反应堆设计中的多重实体屏障，将大量放射性物质释放到环境中，发生灾难 日本福岛核电站的部分堆芯熔化就是因为堆芯余热未能及时有效导性的后果。在我国现役及在建的二代堆型中，余热导出采用的

12、途径是设置外动力 源持续驱动相关系统，不断冷却堆芯，导出余热。这种外动力源就是核电厂应急 柴油发电机。 核电厂的应急柴油发电机组是能够自动快速启动、 按程序带载的应急交流电 源。一般情况下，核电厂每台机组配备 24 台相互独立的应急柴油发电机组， 当高压厂用变压器提供的正常电源和高压厂用辅助变压器提供的后备电源失效 时、或发生安全壳压力高高时、或发生安注动作，它们能够立即紧急启动，并自 动对相应的 6kV 专设安全设施供电，为应急电源供电的设备提供可靠的电源， 以确保反应堆安全关闭、堆芯余热的及时顺利导出、以及一回路压力边界的完整 性，从而阻止放射性物质向大气泄漏。柴油发电机是一种小型发电设备

13、， 以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。一般由柴油机、发电机、燃油箱、控制柜、控制用蓄电池、保护装置等部 件组成整套机组。核电厂应急柴油发电机的容量一般比较大，除主要组件外，要使其正常、安 全而又稳定地运转，还必须保证气、油、水的充分供应和循环。其中机械部分主 要包括燃油系统、高温水系统、润滑油系统、低温水系统、进气系统、排气系统、 空气启动系统及其有关装置。 电气部分主要包括发电机、 励磁机、 励磁调节系统、 继电保护装置、同期装置等部件。仪控部分主要有各种探头表计、仪控控制 柜、速度控制器等。这些装置在日常维护保养中往往要对它进行大量工作，否则 将影响柴油机正常工作，甚至造成严重事故

14、。 世界各核电厂的概率安全评价表明：应急电源系统失效导致电厂完全失电， 进而丧失堆芯冷却能力是导致堆芯损坏最为可信的事件序列之一。2.1.2 应急柴油发电机的作用 应急柴油发电机作为核电厂最后一道应急电源， 在应急工况下有着不可替代 的核安全功能和设备保护功能，主要作用如下： 1） 核电厂应急安全电源设置的目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助 电源同时发生故障时，确保机组安全停堆和防止关键设备损坏。2） 应急电源对保护燃料元件不受损坏和保证核电厂核安全方面发挥非常重 要的作用。3） 2.1.3 应急柴油发电机的设备属性 目前我国已运行核电厂及大部分在建核电厂的应急柴油发电机一般都具有 核安全

15、保护的功能，属于核级设备，在设计、制造、调试、运行、维护等方面有 着严格的要求，以保证应急运行的可靠性，以下是设备属性的表现方面：1） 应急柴油发电机属于 1E 级设备，所带系统设备大多属安全级设备。2） 安全级设备对地震、火灾、台风等要求有较高的抗御能力，因此在设计、 建造、调试、运行中都有其特殊要求。3） 目前市场上能满足 1E 级核电站应急柴油发电机要求的潜在供货商只有 法国 ALSTOM 和德国 MTU/AREVA 公司。2.2 应急柴油发电机的技术要求 2.2.1 应急加载期间的要求 应急带载是核电厂应急柴油发电机设计功能的最终体现，由于涉及到核 安全，因此有着严格的技术要求，主要如

16、下：1） 接到启动指令后应一般应在 1015 秒钟内启动并达到额定电压和频率；2） 负荷加载期间：频率不应下降到额定值的 95%（47.5Hz）以下；电压不 应下降到额定值的 75%（4.95kV）以下；频率恢复到其额定值的 98%以及电压 恢复到其额定值的 90%的时间应小于这一程序步骤开始和下一程序步骤开始之 间的时间间隔的 40%；3） 切除最大的单个负载，或在按程序加载的每一步骤之后，运行条件的瞬 变均不应导致柴油发电机组转速的增加超出超速跳闸最小整定值与额定转速之 差的 75%；4） 空压系统在应急情况下（不补气）能保证连续启动 5 次，每次不大于 10 秒；5） 重要系统、设备采取

17、冗余配置。 归纳起来说：大容量（5000kW6500kW） 、高可靠性（启动成功率不小于 99%） 、快速启动（1015 秒内建立合格的电压和功率） 、良好的带载性能。2.2.2 承受异常/事故运行工况的能力要求 应急柴油发电机除了在核安全方面有着特殊要求以外， 还必需符合以下一般 发电机承受异常、事故运行工况能力的要求3：1） 由柴油发电机供电的 6.6kV 供电系统有一相接地时能正常启动和运行；2） 发电机组具有承受以下故障的能力： 由外部故障引起的发电机端子处小于 5S 的三相或两相短路； 1.2 倍额定转速下超速运行 5 秒钟； 频率约 50Hz，1.4 倍额定过电压持续 4 秒钟；

18、频率约 50Hz，1.2 倍额定过电压持续 3 分钟； 相位差从 120到 180的非同期并网至少 2 次。2.3 应急柴油发电机运行电气关键问题 应急柴油发电机运行电气关键问题就是电能质量符合要求。 在柴油发电机做 应急运行时，对电能质量方面涉及的内容如电压偏差、电压波动与闪 变 、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、暂升 12-15等方面的要求较低， 主要是对启动时电压建立、程序带载时的继电保护动作、程序带载时 6kV 电动 机启动引起的电压暂降等有严格的限制。 本节就是对影响这些限制的因数作出探 讨，采取合理的方式进行改善。例如采用性能良好的励磁调节器、适当调整 6kV 电机

19、的启动批次、采用能真实反映故障的电气继电保护跳闸信号等等，以保障应 急柴油发电机应急运行的稳定性。总结起来影响应急柴油发电机运行的电气关键问题可从以下几个方面进行 改善：1） 正确选择应急柴油发电机的继电保护设置；2） 合理设计励磁方式和选择性能优良的励磁调节器；3） 合理调整程序带载的负荷批次和柴油机的容量等。第 3 章 应急柴油发电机继电保护设置 本章分析国内部分核电厂应急柴油发电机的保护配置和计算。通过这些分 析，建立一种基于核电厂应急柴油发电机的一般合理继电保护配置规律，为后续 的核电厂建设提供应急柴油发电机保护配置参考。 先以电力系统来参考，电力系统故障是产生供电中断的最主要原因。造

20、成系 统故障的原因很多，包括电气设备质量缺陷、人员误操作、继电保护误动作、运 行管理水平低下以及自然灾害等。 统计资料表明， 导致系统稳定性破坏的故障中， 最直接的原因分别是：由设备质量缺陷引起的占 32、人员误操作引起的占 17 、继电保护误动作引起的占 13.2、运行管理水平低引起的占 21.2、自然灾 害引起的占 16.6。 虽然应急柴油发电机的启动带载失败还没有类似权威的统计， 但做好继电保 护的设计、减少继电保护的误动作，对提高应急柴油发电机的应急运行供电连续 性有很大的好处。3.1 应急柴油发电机的运行模式 应急柴油发电机作为事故发电机，具有特殊的运行方式，因此发电机的继电 保护配

21、置，应与其运行方式相适应。一般核电厂应急柴油发电机具有两种运行方 式：应急方式和试验方式16（有的厂称为正常方式）。应急方式由反应堆保护、应急母线失压、安全壳压力高等信号触发启动柴油 发电机，在这种情况下，保证反应堆的冷却最为重要，所以发电机的保护应强调 动作的可靠性，防止保护误动，只有在柴油发电机发生严重故障情况下，失去了供电能力，方可跳闸。试验方式由就地控制柜或主控室启动，试验目的是为了检验柴油发电机处于 正常状态，可在事故应急情况下启动并能程序带载。试验工况下需带负荷，为了 能正确反映发电机的各种故障和不正常运行状态，需要强调发电机保护动作的灵敏性。3.2 试验方式继电保护配置 通过收集

22、国内核电站应急柴油发电机的保护配置， 可得出试验方式时配置的 电气保护有：发电机差动保护、定子接地保护、失磁、逆功率、过负荷、过流、 过电压、低电压、频率高、频率低、励磁故障、负序过流、低阻抗等。以下是试验方式的继电保护配置实例1718。3.2.1 发电机差动保护 我国规程规定发电机功率超过 1MW 应装设差动保护 19，作为发电机的主 保护。发电机纵差保护用的是 10P 级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负 荷条件下的比误差为3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下的不平衡电流不 大于 6。但随着外部短路电流的增大及非周期暂态电流的影响，电流互感器将 会饱和，不平衡电流急剧增大，实际不平衡电

23、流与短路电流的关系曲线如图 3-1 中曲线 OED 所示：发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流可由下式进行估算：I unb.max = K ap K cc K er I k（3） na .max 式中 Kap非周期分量系数，取 1.52.0；Kcc互感器同型系数，取 0.5；Ker互感器比误差系数，取 0.1；I（3）k.max最大外部三相短路电流周期分量。比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数：1） 确定差动保护最小动作电流，即确定图 3-1 中 A 点纵坐标 IOP.0： IOP.O = Kkel 2 0.03Ign / na 或 IOP.O = KkelIunb.0 式中 K

24、kel可靠系数，取 1.5;Ign发电机额定电流；Iunb.0发电机核定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。实际可取 IOP。 O（0.100.30）Ign/na，一般宜选用（0.100.20）Ign/na，如 果实测值 Iunb.0 较大，则应尽快查清 Iunb.0 增大的原因，并予以消除，避免因 Iunb.0 过大而导致一、二次设备的隐患或缺陷被掩盖。发电机内部短路，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，中性点或机端侧的 三相电流不一定大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流 IOP。O不应无根据地增大。2） 拐点 B 制动特性确定。定子电流等于或小于额定电流时，差动保护可不 具备制动特

25、性，因此B点的横坐标 3） Ires.0 = （0.8 1.0） Ign / na 当 Ires.0 Ign/na 时，应调整保护内部参数，使其满足上式。3） 确定制动特性的 C 点（条件是按最大外部短路电流下差动保护不误动）并计算最大制动系数。Iop.max 为 C 点对应的最大动作电流，其值为：Iop. max = KrelIunb. max 式中 Krel可靠系数，取 1.31.5。C点对应的最大短路电流 I（3）k.max 与最大制动电流 Ires.max 相对应。点的最大制动系数 Kres.max 按下式计算：Kres. max = Iop. max/ Ires. max = Kre

26、lKapKccKer 上式的计算值 Kres.max 0.15，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。但 考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宣适当提高制动 系数值。图 3-1 中，取 C 点的 Kres.max 0.30。该比率制动特性的斜率 S 为 S=（ Iop. max -Iop.0 ）（I （3） k . max/ na -Ires.0 ）由上述 A、 B、 C 三点计算确定的制动特性，能保证在最大外部短路暂态过 程和负荷状态中可靠不误动。当发电机机端两相金属性短路时，按上述原则整定的比率制动特性，差动保 护的 Ksen 一定满足2.0 的要求，可不进行灵敏度校验

27、。以下有2种国内某核电厂的柴油发电机差动保护。1） 7UT512 型差动保护 ,该保护采用比率制动原理，能够反映各种相间和接 地故障 ，在发电机内部故障时保护可靠动作，差动特性包括两段制动曲线以适 应不同的运行工况，当外部故障时，流过 CT 的电流较大， CT 饱和 ，造成差 流增大，为了保证可靠制动，保护设置了一个增加制动区 20 ，以防止外部故障 时保护误动，动作特性曲线如图 3-2 中“增加制动区”所示：差动启动电流 IdZ 应能躲过正常运行的最大不平衡电流，其中包括 CT 变比 误差、不同 CT 引起的不平衡等，常规发电机的启动电流一般为 0.10.2Ign，对于 应急柴油发电机，防止

28、在应急情况下保护不误动，另外差动保护的 CT 取自不同 的厂家，误差相对较大，将启动电流设为 0.2 InGe。差动保护的斜率为了与运行 工况相对应，现一般设为两段，斜率 K1、 K2 分别设为 0.3、 0.5。相对于图 3-1 的拐点 B，跟一般发电机相同，设为 1InGe 。1） DMS7001 型差动保护装置 该保护采用比率制动原理，保护范围从定子绕组的末端到发电机出口开关下口侧，包含了6kV 连接电缆。纵差保护作为柴油机的电气主保护，不管是应急 还是试验工况下,只要动作就跳柴油发电机出口开关和灭磁开关。纵差保护差动 动作特性如图 3-3 所示：其中，ZONE1 区为差动启动值，定值为

29、 0.2x573800xIN，即 0.2x0.72xIN， 可躲过正常运行最大不平衡电流；ZONE2 区的斜率为 0.2，不经过原点，拐点为 1In； ZONE3 区将有高故障电流通过，此时 CT 的测量精度下降，厂家根据试验 11 华北电力大学硕士学位论文 结果将斜率固化为 0.65，直线经过原点，拐点设计值为 2In；高定值区是用来消 除极端故障情况，此时只要 ID 大于 5IN 就迅速跳闸。由于发电机的额定电流为 573A,CT 变比为 800/1A，所以 IP 与 IS 值均需除以 0.72，其中 IP 为柴油发电机 ； 机端电流， IS 为柴油发电机中性点电流。动作电流： ID IP

30、 IS（矢量相减） 制动电流： IZ=（ IP IS） /2。差动保护动作时间已被固化为 0s，实测 值在 40ms 左右。为提高电流测量的稳定性，差动保护装置加装三相稳定电阻。对于其它形式的差动保护，如标积制动式纵差保护、故障分量比率制动式纵 差保护、不完全纵差保护等没有引用。作为一种反映发电机内部绕组及引出线短路故障的保护，纵差保护具有反映灵敏、动作快等优点。应急柴油发电机作为一种非常重要的核级电源，对某些质量要求（如谐波、瞬态过电压等）不是很高，但对应急供电可靠性却显得特别重要，因此若差动保护作为应急情况下的跳闸信号，差动保护相比传统的发电机差动保护还有许多可改进的地方，如增加一个延 时、增加制动区、定值稍大、设置两套差动保护且在两个差动保护都动作的情况下才跳闸等改进措施。3.2.2 定子接地保护 发电机最常见的故障之一是定子绕组的单相接地， 即定子绕组与铁芯间的绝 缘遭到破坏，定子接地后，