核电厂应急柴油发电机

1、华北电力大学（保定）硕士学位论文核电厂应急柴油发电机 电气运行关键问题研究姓名：梁传富 申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：赵成勇2011-06华北电力大学硕士学位论文摘 要 随着我国核电行业的蓬勃发展，核电厂最为关键的问题之一 应急柴 油 发电机的电能质量也显得越来越重要和紧迫。论文主要从应急柴油发电机电气运行关键问题方面分析、论证改善应急柴油发电机电能质量的主要措施。首先介绍了应急柴油发电机电能质量的基本要求；接着对核电厂应急柴油发电机的一股继电保护设置给出实例，作出归纳，并对应急工况下的继电保护跳闸设置进行分析，优先推荐低电压保护；然后对 柴油发电机的励磁系统作出较为 深入的介绍，

2、建议以后选用微机型励磁调节器、采用较为成熟的带永磁机的三机无刷励磁系统；最后，对负载组合要求其兼顾 可接受的电压降，提出可采取 的措施有6kv电动机启动时间错开、适当调整起 动顺序、合理选择柴油机和 发电机的容量等。 通过这些措施的改善，可给 核电厂应急柴油发电机 在应急工 况下的程序带 载提供更好的电能质量，也能对我国后续应急柴油发电机的引进 提供技术指标参考。关 键词：应急柴油发电机；关键问题；核电厂 i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

3、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

4、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20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

5、。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

6、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/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，

7、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

8、，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、暂升以及供电连续性等5-7 o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

9、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常重要的作用2o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

10、、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

11、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

12、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 丫射线，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 余热质型堆心余热曲线图如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

13、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

14、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，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、

15、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。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

16、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

17、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% ;

18、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

19、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；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。2.2.3 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

20、、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

21、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

22、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

23、，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17 18。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i 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

24、件下的比误差为节。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，实际不平衡电流与短路电流的关系曲线如 图3-1中曲线oed所示：图3-1比率制动式差动保护的制动特性发电机外部短路时，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

25、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kkel 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(0.10 0.20) 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

26、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，具值为：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.

27、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 = krelkapkccker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

28、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。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，能够反映各种相问和接 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：图32 7uts12型差动保护特性曲线差动启动电流idz

29、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

30、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:id图3-3 dms7001型差动动作韧性iz其中，zone1区为差动启动值，定值为 0.2x573 400xin ,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57

31、3a,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- is （矢量相减）制动电流：iz=（| ip + | is ）| 12。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 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

32、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，接地电流经故障点、对地电容及定子绕组构成回路。当接地电流过大时，能在故障点引起电弧，损毁铁芯和定子绕组，危害更大的 匝 问、相间短路也有可能引起。我国发电机中性点接地方式主要有以下四种21:1）不接地（含经单相电压互感器接地）；2）经

33、消弧线圈（欠补偿）接地；3）经配电变压器高阻接地；4）中性点经低阻接地方式。在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地电流和动态过电压以及不同的保护出口方式。发电机单相接地电流允许值22如表3-1所示。 n表3发电机单相接地允许电流值发电机藕定电月/iv发电机糖定容量/mw故障电晶允许值，a50410 汽轮发志机501og3水轮发电机】u10013 87575汽轮发电机1257200氢冷为2.5,其余为2水轮没电机40-225300600i当机端单相金属性接地电容电流 i c小于允许值时，发电机中性点应不接 地， 单相接地保护带时限动作于信号；若i c大于允许值，宜以消弧线图

34、（欠补偿） 接地，补偿后的残余电流（容性）小于允许值时，保护仍带时限动作于信号； 但当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时，保护应动 作于停机。发电机单相接地允许电流值 发电机额定电压/kv 6.3 10.5发电机额定容量/mw 0 50汽轮发电机 水轮发电机13.815.75 1820汽轮发电机 水轮发电机 300600 50100 10100 125200 40225 1 氢冷为2.5,其余为2故 障电流允许值/a 4 3发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大 于21c, 一股情 况下均将大于允许值，所以单相接地保护应带时限动作于停 机.其时限应与系统接地保护相

35、配合。目前国内核电厂应急柴油发电机 的出口电压都为 6.6kv,接至中压厂用电系 统。鉴于有的厂中压系统是不接地系统，而有的厂是经变压器高阻接地，所以 柴 油机发电机的接地保护需与各核电厂的中压接地方式相配合。6.6kv系统是接 若 地系统时，采用零序电压或零序电流比较方便；若 6.6kv系统是不接 地系统时， 需采用注入式定子接地保护。下面是某厂柴油发电机的定子接地保护。该厂的6 kv中压系统经配电变压器高阻接地，柴油发电机中性点可经电阻直接接地(并网时中性点地刀退出、孤网时投入)，本柴油发电机的定子接地保护通过中性点零序电流互感器的基波零序电流(可滤掉三次谐波)来反映接地 故 障。对于小型

36、发电机不需要装设100 %定子接地保护，经验表明只要覆盖95 %的 定子接地保护区域即可。发电机出口侧发生单相完全接地时，中性点 ct流经电流为： =6100/(31/3= 6300/(3隈 400) = 9,084式中rn为中性点接地电阻，值为 400欧。已知ct精度为0.99、继电器精度为0.95、保护范围为95%、变比为5/10、 ct可靠系数取0.95,故：=(1-0.95)x0.95 x0.99 x 0.95 xl0x510s 0.2234 或 q.446* 八，结合继电保护装置定值设置步长设定定子接地保护定值为0.05in ,动作时间采用定时限为0.1s。若柴油发电机采用注入式定子

37、接地保护，一定要注意发电机的定子接地保护与 6kv母线段的定子接地保护相互干扰，影响测量结果。3.2.3 负序过流保护当发电机发生不对称短路时，发电机的定子绕组中将有负序电流流过，且在 发 电机中产生以两倍同步转速对转子旋转的磁场，使转子中产生倍频电流。由于 集肤效应的作用，倍频电流主要在转子表面流通，形成过热点，导致转子表层 金属材料强度下降，甚至烧伤转子，危及机组的安全。止匕外，护环与转子本体 的温 差超过允许限度，将导致其松脱，造成更加严重的破坏。发电机有一定的承受负序电流的能力，只要负序电流不超过规定的限度，转 子 就不会遭受损伤。根据发电机的一般设计标准，负序电流符合以下定律： (i

38、neg/in)2*t=c ,其中c为常数，在 840之间选择。某厂柴油发电机承受负序电流特性为： 正常情况下定子可接受的最大负序电流i2是8% ingen ,暂态情况下符合公式(i2gen/ingen)2 t；设定值为5%。从保护装置的试验结果：i2= 1a时，t=200s及i2 = 2a时，t=49.99s看与公式 t=8/（ 12/in）2 非常相符。3.2.4 失磁保护发电机失磁的原因有：灭磁开关开路、励磁绕组短路及励磁调节器故障等。发电机失磁后将过渡到异步运行，转子出现转差，定子电流增大、电压下降，有 功 功率下降，无功功率反向，引起系统电压下降，发电机的定子端部、转子及边14 华北电

39、力大学硕士学位论文 段铁芯过热等。发电机低励失磁保护的动作主判据可分为：a）系统侧主判据一一三相同时低电压继电器，本判据主要用于防止由发电 机低 励失磁故障引发系统无功储备不足造成系统电压崩溃及大面积停电事故，其动作判据为：uop.3 ph = （0.85 0.90）uh. min式中uop.3ph 三相同时低电压继电器动作电压（此值应经调度部门确定）;uh.min 高压系统最低正常运行电压。经辅助判据 与门输出，短延时动作于发电机解列。b）发电机侧主判据：1）静稳极限阻抗继电器；2）静稳极限励磁低电压继电器；3）异步边界阻抗继电器。c）低励失滋保护的辅助判据：1）负序电压元件；2）延时元件；

40、3）励磁低电压元件。当进图3-5是某厂柴油发电机使用异步边界阻抗测量原理来检测失磁故障。入图3-5中的失磁阻抗圆时，即判定为失磁故障。图3-5失磁阻抗网视在功10073x5=11.57 q此柴油发电机的同步电抗 xd为182.7%、暂态电抗 x d为19.1%、率为6.25mva及额定电压为 6.3kv。故：100x = 0j91 x x3.08q6.25630073x800% =0.5 x x 厂 l54cnh33 zh因此x2的设定值选14%zn100%=兀-0.5乂%二(1.8270.5乂0.1卯)乂短乂浅导=27.93。父2.42 4 a/3 x800考虑设置步长，x1设定值选250%

41、zn,时间设定值选为2s。失滋异步运行情况下，动作于发电机解列的延时，由电网和发电机生产厂共 同 决定允许发电机带（0.40.5）pgn的失磁异步运行时间。发电机转入异步运行的 低励失磁保护动作后，应断开灭磁开关，防止有损大轴的同步功率继续存 在。异步边界阻抗圆动作判据主要用于与系统联系紧密的发电机失磁故障检测，能反应失磁情况下机端的最终阻抗，但动作可能较迟些。显然正常并网运行的柴油发电机，短暂的失磁影响不大，时间可视情况适度增加。若柴油发电机带载非并网的情况下失磁，其动作时间应稍短些。3.2.5 低阻抗保护对于中小型机组，不要求装设双重主保护，但应配置常规后备保护，并使其 对 所连接母线和相

42、邻设备的相间短路故障具有必要的灵敏度。低阻抗保护一般作为内部相间故障和相邻母线、设备故障的后备保护。以下是 某厂柴油发电机的低阻抗定值设定。柴油发电机出口电压残存 10%为参考量计算阻抗值，在此时的电压情况下机组柴油发电机的运行已经没有任何意义，因此不管是试验还是应急方式下都必须跳闸，以防止柴油机的烧毁。100(j *) = 2x0乂总回800黑- = 1l547q故z/z n = 3.22 /11.547= 27.9%结合装置设定步长选 z 1.05 x 573 + 0.95 + 0.95 + 0.95 + 0.95 x 5 + 800 = 4.62 a ori n结合过载保护设置步长为 0

43、.1in,取i为1in,作为不正常运行工况的后备保护，其跳闸时间设为5s。3.3应急方式继电保护配置通过收集国内核电站应急柴油发电机的保护配置，可得出应急方式时配置的电气保护主要有：发电机差动保护、发电机低电压保护、低阻抗保护等（由于低 阻抗保护装置采用的很少，以下讨论中主要讨论差动保护和低电压保护）但一般每台柴油发电机在应急方式下只设置一种继电保护用来跳闸，如岭澳核电站在 应急情况下只设置低电压保护用来跳闸，田湾核电站在应急情况下只设置差动保 护用来跳闸。差动保护和低电压保护的设置在上节已讲到了。3.3.1 应急方式下继电保护的选择比较 在应急方式下，显然继电保护动作的可 靠性要比继电保护动

44、作的灵敏性要求 更高，因此对差动保护和低电压保护都有 相应的改进。如差动保护装置增加为两个，只有两个差动保护装置都同时动作 时才允许应急情况下跳闸；低电压保护采 用3取2的方式，只有两个以上的低 电压保护装置同时动作时才允许应急情况下跳闸。到底采用差动保护还是低电压保护， 主要看两者所反映的柴油发电机的电能 质量是否符合继续带载的要求， 若能更真实的反映出柴油发电机的电能质量状 况已经完全不能满足继续带载时，我们就应该选择此种保护。在国内目前还没有可借鉴的资料或者文献来描述或规定这种继电保护该如何设置，现分析一下差动保护 （即柴油发电机的纵差保护） 和低电压保护的特 点。纵差保护反映的故障为：

45、反映发电机内部的定子绕组不同相之间的相间短路；在发电机中性点经大电阻接地时，若发生定子单相接地，发电机差动保护也有可能动作；在发电机内部没有故障时，不管外部发生什么短路，均不动作。低电压保护反映的故障为：预定当被测量点的电压由于短路、接地等原因低于 规定值时执行相应保护动作。判断柴油发电机在应急情况下应不应该跳闸的标准不是柴油发电机发没发生故 障,而是看柴油发电机还能不能继续提供使所带设备继续运行所需的电能。当发电机定子绕组发生相间短路时，若故障较为轻微，如靠近发电机中性点 侧或 相间短路的过渡电阻较大时，柴油发电机还可继续运行，提供不少于80%的发电机出口电压，则柴油发电机在此种工况下的应急

46、带载应仍可继续。而柴油 发电机的频率较低时，现在的低压继电器一般也能很好的反映出电压大小，不 会引起误动。很显然，选择差动保护时必然跳闸，而选择低电压时还可继续运 行。当发生定子单相接地时，若发电机中性点经大电阻接地，差动保护有可能跳闸（如接地电阻取100q，发电机应急加载时发生出口母线单相接地，再加上带载期间的电动机启动电流引起两侧 ct变比误差，在图3-2的k1段容易发生 误动 作28-29）;而低电压保护可取相电压，由于采取了 3取2的跳闸逻 辑，可不跳闸； 且实际上，定子接地保护虽然能动作，但在应急情况下是不跳 闸的，这一点也与 采用的低电压保护动作结果相吻合。当发生发电机外部短路时，

47、不管短路有多严重，发电机差动保护不动作。而6kv 母线除了弧光保护以外也没有可动作的保护，此时，若出口电压质量已不能满足负载应急运行时的起码要求，应急柴油发电机在有一台冗余的情况下可以跳 闸。低电压保护由于能反映电压降（低于80% un）,在电压质量已不能满足负载 应急运行的起码要求时能够跳闸。3-3是核电厂应急柴油发电机 应急情况下低 表 电压保护和差动保护动作可靠性对比。表33低电压保护科差动保护响作何靠性对比故障方式低电压保护差动保护擅急情况下是否允许跳闸定子单相接地低电压达定值时3取2逻辑不动作差流达定他时双套差 动保护都动作不允许定于内部绕组故障机端电用达定值且涵足两相及以上时双套差

48、动保护都动作动作，其余不动作机端电压满足带载要求时不能跳闸，否则跳闸机端电布达定值且6kv母线短路涸足两相及以上肘动作，其余不动作差动保护不动作机端电用满足带我要求 时不能跳闸，否则跳闸综上，由于低电压保护能真切的反映柴油发电机的电能质量能否满足应急情况下的带载基本需求，且作为1e级电气设备简单容易实现，本文推荐后续建设的核电厂应急柴油发电机 应急模式下的电气保护跳闸采用低电压保护跳闸。3.3.2应急情况下跳闸保护的改进方式应急情况下跳闸，不管最终采用那一种 保护，都应该对保护进行适当的改进， 以提高可靠性。3-4是核电厂应急柴 油发电机应急情况下差动保护和低电压保护的动作可靠性改进方式。表3

49、4低电压保护和差动保护的可靠性改进方式可养性改进方式保护装置为ie级设备：？取2动作工设置跳闸延时时间保护装置为止级设备；双套保护都动作跳闸；设置制动区：设置跳 闸延时时间低电东保护差动保护3.4本章小结本章主要描述了应急柴油发电机的一股继电保护设置方法和部分实例，并对应急工况下的继电保护配置作出论证，推荐使用低电压保护作为应急工况下的电气保护跳闸，以使柴油发电机的应急供电能力得到进一步的提高。第4章 应急柴油发电机的励磁系统为了保证柴油发电机组的稳定可靠运行，需采用一定的控制措施。由于使用的柴油机组是同步发电机，在众多改善同步发电机稳定运行的措施中，提高励磁 系统的控制性能是公认的经济而有效

50、的手段之一。4.1 励磁控制器4.1.1 励磁控制器的作用同步发电机励磁控制器的主要作用包括以下几个方面：1）在正常情况下，根据电力系统的负荷状况， 维持发电机机端电压在给定 水平 上。当电力系统发生短路事故或其它原因导致发电机机端电压严重下降时，对发电机强励，以减少端电压下降幅度，提高电力系统的动态稳定极限和继电保 护装置动作的灵敏度和准确性；当发电机突然甩负荷时，强行减磁，以限制发 电 机端电压过度升高；当发电机内部及其引出线上出现短路时，励磁控制装置 迅速 灭磁，防止事故扩大。2）当两台或以上发电机在同一母线上并列运行时，合理分配无功功率。对 于无 调差的多台发电机，不能并联运行。当它们

51、具有调差特性时，发电机输出的无功功率与其调差特性有关。调差大的机组分配到的无功少，调差小的机组分配 到的无功多。通过调节发电机的励磁电流可改变其调差特性，也就是说，可改 变发电机的输出无功。3）保持同步发电机稳定运行。电力系统稳定性问题可归结为三类：静态、 动态 及暂态稳定。良好的励磁控制系统对这三类稳定性都有一定的改善作用。核电厂中的应急柴油发电机作为应急电源使用时，不存在并网和无功分配问题，此时柴油发电机励磁控制器的作用主要是程序加载期间和加载后维持发电机 机端电压处在给定水平上，当有波动时，能够自校正 31-32;当应急柴油发电机在 试验工况下并网运行时，应具有上述同步发电机励磁控制器的

52、所有功4.1.2 励磁控制器的发展励磁控制器经历了从简单到复杂、从单一到多种功能的发展历史33-34 o1）由磁性放大元件和整流器件组成的电磁式励磁控制器。此励磁控制器响应时 间长、超调量大、动态性能差、无保护及限制功能，已基本淘汰。2）以运算放大器和半导体器件为核心组成的半导体励磁控制器。此种控制 21 华北电力大学硕士学位论文 器响应速度快、动态性能好，但其热稳定性能较差、 抗干扰能力弱，经常出现无 功大幅度摆动现象，目前己较少使用。3）集成模块化励磁控制器。随着大规模集成电路的发展，半导体励磁控制器被集成模块化励磁控制器替代了，与前者相比，集成模块化励磁控制器由于电路集成度高，并且按功能

53、作用进行了模块化分割，在有限空间内可最大限度的增 加装置的功能，尽可能多的设置补偿电路，大幅度的提高了稳定性及性能。4）微机励磁控制器。它是以经典和现代控制与微机技术相结合的近代新型 励磁 控制器，不但具有常规控制器的全部调节控制功能，还具有许多其它保护、控制、限制和容错等功能。近年来由于数字控制技术的飞跃发展，使得微机型励磁控制器有着优异的性能价格比和高度的稳定性，是现代励磁控制系统的首选 35。4.1.3 励磁控制器的选型微机励磁调节器与老式的调节器相比，在功能、稳定性等方面具有极大的优势。近几年来，微机励磁调节器以其硬件结构简单、清晰、设备通用性好、标准 化 程度高、软件灵活、能够方便实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点 ， 在许多电厂得到了广泛的应用，并已取得很好的效果和丰富的经验。但在国内的 核电厂中，并不是所有应急柴油发电机